Węgiel — odmiany, związki i obieg w przyrodzie
Węgiel to pierwiastek o symbolu C, podstawa wszystkich związków organicznych. Występuje w kilku odmianach alotropowych, między innymi jako diament, grafit i grafen.
Węgiel buduje wszystkie organizmy żywe i tworzy więcej związków niż wszystkie pozostałe pierwiastki razem wzięte. Poniżej wyjaśnienie tej wyjątkowości.
Dlaczego węgiel jest wyjątkowy
Atom węgla ma cztery elektrony walencyjne, więc tworzy cztery wiązania. Kluczowe jest jednak co innego: potrafi łączyć się sam ze sobą w długie łańcuchy i pierścienie, zachowując przy tym trwałość.
Żaden inny pierwiastek nie robi tego równie skutecznie. Krzem, który ma podobną budowę, tworzy łańcuchy znacznie mniej stabilne — dlatego życie oparte jest na węglu, a nie na krzemie.
Skutkiem jest liczba znanych związków węgla przekraczająca dziesięć milionów, wobec kilkuset tysięcy dla wszystkich pozostałych pierwiastków łącznie.
Odmiany alotropowe
- Diament — każdy atom połączony z czterema sąsiadami w sztywną siatkę przestrzenną; najtwardszy minerał
- Grafit — płaskie warstwy ślizgające się po sobie; miękki, przewodzi prąd
- Grafen — pojedyncza warstwa grafitu, o grubości jednego atomu
- Fulereny — cząsteczki o kształcie zbliżonym do piłki
Wszystkie zbudowane wyłącznie z węgla, a różniące się skrajnie właściwościami. O wszystkim decyduje ułożenie atomów, nie skład.
Węgiel a węgle kopalne
Rozróżnienie warte uwagi: węgiel to pierwiastek, a węgle kopalne to skały osadowe zawierające go w dużej ilości wraz z domieszkami.
Do węgli kopalnych należą torf, węgiel brunatny, kamienny i antracyt — uszeregowane według rosnącej zawartości pierwiastka i wartości opałowej.
Tlenki węgla
- CO₂ — dwutlenek węgla — powstaje przy pełnym spalaniu, nietoksyczny w małych stężeniach, gaz cieplarniany
- CO — tlenek węgla (czad) — powstaje przy niedoborze tlenu, silnie trujący
Czad jest groźny, bo wiąże się z hemoglobiną około dwustu razy silniej niż tlen, blokując transport tlenu we krwi. Jest przy tym bezbarwny i bezwonny, więc jedynym zabezpieczeniem pozostaje czujnik i sprawna wentylacja.
Chemia organiczna i nieorganiczna
Podział chemii na organiczną i nieorganiczną opiera się właśnie na węglu: organiczna zajmuje się jego związkami, nieorganiczna wszystkimi pozostałymi. Nazwa jest pozostałością po dawnym przekonaniu, że związki węgla powstają wyłącznie w organizmach żywych.
Pogląd ten obalono w 1828 roku, gdy Friedrich Wöhler otrzymał mocznik z substancji nieorganicznych. Okazało się, że nie istnieje żadna szczególna siła życiowa potrzebna do ich powstania. Nazwa jednak została, a od reguły przyjęto wyjątki — tlenki węgla, węglany i cyjanki tradycyjnie zalicza się do chemii nieorganicznej, mimo że zawierają węgiel.
Obieg węgla
- Rośliny pobierają CO₂ z atmosfery w fotosyntezie
- Węgiel zostaje wbudowany w związki organiczne
- Zwierzęta pozyskują go, zjadając rośliny
- Oddychanie i rozkład zwracają CO₂ do atmosfery
- Część węgla zostaje uwięziona w skałach i paliwach kopalnych
Ostatni punkt tłumaczy istotę problemu klimatycznego: spalanie paliw kopalnych uwalnia w ciągu dekad węgiel gromadzony przez miliony lat, zaburzając ustaloną równowagę obiegu.