Węgiel (łac. carboneum) jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu C o liczbie atomowej 6. Należy do grupy 14 układu okresowego, jest niemetalem. Posiada cztery elektrony walencyjne. Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla, ¹²C oraz ¹³C są stabilne, natomiast izotop ¹⁴C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności. Jako pierwszy polską nazwę - węgiel - zaproponował Filip Walter.

Znanych jest kilka odmian alotropowych węgla, z czego najbardziej znane to grafit oraz diament. Właściwości fizyczne węgla zależą od odmiany w jakiej występuje. Na przykład diament jest przezroczysty, natomiast grafit jest nieprzezroczysty i czarny. Diament jest jednym z najtwardszych materiałów na ziemi, podczas gdy grafitem można narysować kreskę na papierze. Diament ma bardzo niskie przewodnictwo właściwe, a grafit jest dobrym przewodnikiem elektrycznym. Diament posiada najwyższą przewodność cieplną z wszystkich znanych materiałów w warunkach normalnych. Wszystkie odmiany alotropowe węgla są w warunkach normalnych ciałami stałymi. Innymi odmianami alotropowymi węgla są: fuleren oraz formy poliynowe. Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są: nanocebulka, nanorurka, nanopianka, karbin choć są to raczej nazwy struktur supramolekularnych niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.

Wszystkie formy występowania węgla są wysoce stabilne, wymagają wysokiej temperatury żeby przereagować nawet z tlenem. Najczęściej występuje ma +4 stopniu utlenienia, oraz na +2 w tlenku węgla oraz związkach kompleksowych. Największe ilości nieorganicznego węgla występuje w postaci skał wapiennych, dolomitów oraz dwutlenku węgla, natomiast znaczne ilości węgla organicznego znajdują się w węglach kopalnych, torfie, olejach oraz w klatratach metanu. Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie inne pierwiastki chemiczne, których ilość dochodzi do dziesięciu milionów otrzymanych związków, co jest małą częścią teoretycznych związków jakie można z niego otrzymać.

Węgiel znajduje się na czwartym miejscu najczęściej występujących pierwiastków we Wszechświecie, po wodorze, helu i tlenie. Jest obecny we wszystkich organizmach żywych. W ludzkim ciele jest po tlenie najliczniejszym pierwiastkiem ze względu na masę (ok. 18,5%). Ta ilość w połączeniu z różnorodnością związków organicznych stawia węgiel jako chemiczną podstawę życia.

Charakterystyka 

Diament i grafit są dwoma odmianami alotropowymi węgla: różnymi formami tego samego pierwiastka różniące się strukturami.

Różne odmiany alotropowe węgla wykazują bardzo różne właściwości, np. diament jest najtwardsza naturalnie występującą substancją, grafit jest jedną z substancji o najmniejszej twardości. Ponadto węgiel ma powinowactwo do tworzenia wiązań chemicznych z innymi małymi atomami, włączając w to inne atomy węgla oraz tworzenia wielu wiązań kowalencyjnych z tymi atomami w wyniki czego związki zawierające węgiel w swojej strukturze stanowią znaczną cześć wszystkich znanych związków, liczba ich dochodzi do dziecięciu milionów. Węgiel posiada także najwyższe temperatury topnienia oraz sublimacji z wszystkich pierwiastków. Przy ciśnieniu atmosferycznym nie występuje w ogóle topnienie węgla, a jego punkt potrójny występuje przy 10 MPa (100 bar) więc sublimuje on powyżej 4000K. Węgiel sublimuje do łuku węglowego w temperaturze ok. 5800K. więc niezależnie od odmian alotropowych węgiel pozostaje w ciałem stałym w wyższych temperaturach niż metale o najwyższych temperaturach topnienia (wolfram i ren). Jednakże termodynamicznie węgiel bardzo łatwo się utlenia, znacznie lepiej niż żelazo czy miedź które są słabymi reduktorami a temperaturze pokojowej.

Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi a cykl węglowo-azotowo-tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Pomimo różnorodności związków węgla większość tych form jest stosunkowo słabo reaktywna w warunkach normalnych. Nie reaguje z kwasem siarkowym (VI), kwasem solnym, chlorem ani zasadami. W podwyższonej temperaturze węgiel reaguje z tlenem tworząc tlenki węgla, oraz redukuje wiele tlenków metali, takich jak tlenek żelaza, do metalu. Ta egzotermiczna reakcja jest używana w przemyśle żelazowym i stalowym do kontroli zawartości węgla w stali:

Fe₃O₄+ 4C_(s) → 3Fe_(s) + 4CO_(g)

Z siarką tworzy dwusiarczek węgla, a z parą wodna tlenek węgla i wodór:

C_(s) + H₂O_(g) → CO_(g) + H_2(g)

Węgiel reaguje z niektórymi metalami tworząc węgliki, takie jak węglik żelaza (cementyt), Węglik wolframu który dzięki swojej twardości jest używany w różnego rodzaju narzędziach tnących.

Odmiany alotropowe węgla

Odmiany alotropowe węgla:
a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit
d) fuleren C60 e) fuleren C540 f) fuleren C70
g) węgiel amorficzny, h) nanorurka

Węgiel posiada następujące odmiany alotropowe:

• grafit
• diament
• fuleren
• formy poliynowe

Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są:

• nanocebulka
• nanorurka
• nanopianka
• karbin

choć są to raczej nazwy struktur supramolekularnych niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.

Występowanie

Naturalne złoża węgla kamiennego i węgla brunatnego to mieszanina węgla w postaci grafitu, sadzy i różnego rodzaju zanieczyszczeń. Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,018%.

-W postaci pierwiastka chemicznego:

• jako grafit
• diament
• fullereny

-W postaci związków chemicznych:

• nieorganicznych (dwutlenek węgla [CO2], tlenek węgla [II]), sole kwasu węglowego-węglany CaCO3
• organicznych - białka, tłuszcze i cukry, węglowodory, alkohole, estry itp.

-W mieszaninach jakimi są paliwa kopalne:

• gaz ziemny
• ropa naftowa
• węgiel kamienny
• torf i antracyt

Obieg węgla

Diagram przedstawiający obieg węgla w przyrodzie.

W ziemskich warunkach, zmiana jednego związku w drugi jest rzadka. jednak ilość węgla na ziemi jest stała. Dlatego musi istnieć proces powodujący utrzymanie równej ilości węgla w różnych częściach ziemi. Ścieżki jakimi "wędruje" węgiel tworzą obieg węgla w przyrodzie. Np. rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza i używają go do produkcji biomasy w procesie fotosyntezy lub cyklu Calvina. Część biomasy produkowanej przed rośliny zostaje zjedzona przed zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana w postaci dwutlenku węgla.

Związki węgla

Liczba znanych związków węgla jest ponad 10 razy większa niż liczba wszystkich znanych związków innych pierwiastków. Wynika to głównie z jego znaczenia biologicznego, ponieważ związki czterowartościowe węgla łączą się ze sobą tworząc np.: węglowodory. Oprócz organicznych związków węgla duże znaczenie mają też dwutlenek węgla, tlenek węgla, kwas węglowy, węglany oraz węgliki. Powszechnie stosowany jest w stopach z żelazem (stal i żeliwo).

Znaczenie biologiczne węgla 

Węgiel stanowi podstawę życia na Ziemi, ponieważ tworzy wszystkie związki organiczne.

Zastosowanie węgla 

Węgiel jest jednym z paliw kopalnych i ważnym źródłem nieodnawialnej energii. Uważa się, że spalanie węgla, a także innych kopalnych paliw przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego.

Izotop ¹⁴C używany jest do datowania. W czasie życia w organizmie żywym przyswajane są związki z węglem ¹⁴C, i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję azotu do węgla.

Grafit jest stosowany w poligrafii do produkcji ołówków oraz jako jedna z elektrod w spawalnictwie. Diament jest kamieniem szlachetnym stosowanym w jubilerstwie oraz ze względu na swoją wysoką twardość w urządzeniach pomiarowych, narzędziach do skrawania, zwłaszcza szlifowania i wiercenia. Węgiel bezpostaciowy jest używany w medycynie oraz jako węgiel aktywny do procesów filtracji i oczyszczania.