Często słyszymy, że do życia potrzebne jest powietrze, a szczególnie tlen. Nie jest to stwierdzenie ścisłe, gdyż jest wiele organizmów, głównie bakterii, które znakomicie sobie radzą bez tlenu a nawet tlen dla tych organizmów jest zabójczy. Nie znana jest jednak taka forma życia w której nie dominowałby węgiel związany z najróżniejszymi pierwiastkami.
W światowym rejestrze związków chemicznych jest umieszczone ponad 10 milionów substancji, w których występuje węgiela można znaleźć co najmniej dwa razy tyle niezarejestrowanych. Duża część tych związków występuje w żywych organizmach lub są to produkty powstałe z tych organizmów. Nic dziwnego, że od wielu lat chemicy nazywają te związki organicznymi a wiedza o produktach zawierających związki węgla jest określana mianem chemii organicznej.
Atomy węgla tworzone są w gwiazdach w wyniku przemian jądrowych, podczas których wydziela się energia cieplna. Wybuch Supernowej, będący ostatnim etapem życia wielu gwiazd, rozrzuca materię gwiazdy, w tym również atomy węgla, w przestrzeni Wszechświata. Z materii tej, przed miliardami lat, zlepiła się kula ziemska, w której skorupie znajduje się niewiele, bo tylko dwie setne procenta atomów węgla.
W tej olbrzymiej retorcie chemicznej, jaką jest kula ziemska, tworzyły się i grupowały najrozmaitsze związki. Proces ten trwa ciągle, choć jest dużo wolniejszy niż cykl naszego życia. Związki węgla, które posiadły zdolność czerpania energii ze Słońca, wzrostu i rozmnażania się, niezwykle urozmaiciły i zróżnicowały powierzchnię Ziemi.
Początkowo węgiel występował w skorupie ziemskiej w rozproszeniu i szybko, gdzie były ku temu warunki, łączył się z tlenem, tworząc gaz, dwutlenek węgla. Gaz ten do dzisiaj jest nagromadzony w skorupie ziemskiej i rozpuszczony w wodach oceanów. Do atmosfery przedostaje się podczas wybuchów wulkanów, w ilości znacznie przewyższającej emisję z zakładów przemysłowych. Dwutlenek węgla jest pożywieniem dla roślin i pośrednio dla wszelkich innych żywych organizmów. Rośliny, wyłapując dwutlenek węgla i korzystając z energii słonecznej, przekształcają go w węglowodany (cukry) i inne związki, z których budowane są ich żywe komórki.
Życie pojedynczych organizmów trwa krótko, ale węgiel wychwycony z atmosfery w dużej części pozostaje już na powierzchni Ziemi. Całe pokłady martwych drzew i roślin przykrywane są piaskiem i popiołami wulkanicznymi nanoszonymi przez wiatr, zalewane wodą i zagłębiane w Ziemi przez ruchy tektoniczne. Przez następne setki milionów lat temperatura wnętrza Ziemi oddziela z tych szczątków lotne pierwiastki, pozostawiając prawie czyste pokłady węgla kamiennego. Nie do końca przeobrażone szczątki roślin to pokłady węgla brunatnego i torfu.
Podobny proces toczy się w morzach i oceanach. Wiele żyjątek morskich buduje swoje szkielety z dodatkiem wapnia. Po opadnięciu na dno szkielety te (i muszle) zbijają się w skały wapienne, w których też jest uwięziony dwutlenek węgla (węglan wapnia).
Jeszcze inny proces odkładania węgla to zamiana związków organicznych na metan i jego pochodne. Martwe rośliny i zwierzęta morskie opadając na dno oceanów są pożywieniem dla bakterii. W procesie przemiany materii u tych bakterii wydzielany jest metan, lekki palny gaz – związek węgla i wodoru (węglowodór). Metan wydzielony na dnie oceanu, gdzie panuje ciśnienie kilkuset atmosfer, jest tak ściśnięty, że nie może w postaci bąbli ulatywać na powierzchnię, lecz pozostaje na dnie związany z wodą w postaci lodu – hydratu metanowego. Dalsze procesy geologiczne zagłębiają te złoża pod dno, gdzie temperatura wnętrza Ziemi zamienia metan na cięższe węglowodory tworzące ropę naftową.
Znaczna część przechwyconego przez rośliny dwutlenku węgla powraca do atmosfery w wyniku odwrotnego procesu przemiany materii. Nieco dwutlenku węgla wydzielają w nocy rośliny, a cały czas zwierzęta (i ludzie) „spalając” w swoich organizmach pożywienie. Procentowy udział dwutlenku węgla w atmosferze jest niewielki i ulega powolnej zmianie. Były okresy, gdy po wzmożonej akcji wulkanów, dwutlenku węgla było kilkakrotnie więcej i rośliny wzrastały jak szalone, tworząc kilkunastometrowe lasy paproci i skrzypów. Z tych pradawnych lasów mamy teraz pokłady węgla. Nawet dzisiaj, rolnicy, chcąc uzyskać szybszy wzrost roślin, tworzą w cieplarniach atmosferę nasyconą dwutlenkiem węgla.
Aktywność tego pierwiastka, jakim jest węgiel, jest przeogromna. Potrafi on tworzyć łańcuchy liczące miliardy atomów, ułożonych w ten sposób, że powielają się i rozbudowują w niezwykle złożone struktury, żywe organizmy. Procesy zachodzące w tych organizmach zaczynamy tak naprawdę poznawać i rozumieć dopiero od około 50 lat, a dziedziny nazywane biologią molekularną i inżynierią genetyczną stały się głównymi kierunkami nauki XXI wieku.
Nie mniej zadziwiające właściwości ma węgiel w postaci czystej. Dawniej przyjmowano, że może on występować w trzech postaciach – diamentu, grafitu i sadzy. Po dokładnych badaniach okazało się, że sadza to tylko bardzo rozdrobnione struktury grafitu, natomiast odkryto kilka innych postaci skupisk atomów węgla.
Czysty węgiel jest względnie trwały. W podwyższonej temperaturze, w obecności tlenu „zapala się”. Łącząc się z tlenem, wydziela ciepło, które podtrzymuje proces szybkiego utleniania – palenia. W atmosferze beztlenowej węgiel może być podgrzewany nawet do kilku tysięcy stopni. W edisonowskich żarówkach zwęglone włókno bambusowe, przewodząc prąd, podgrzewało się znacznie ponad 2 tysiące stopni Celsjusza, świecąc miesiącami. Czysty węgiel nie topi się, lecz dopiero przy 4 tysiącach stopni zaczyna się szybko rozpylać (sublimować).
Głęboko pod powierzchnią Ziemi, gdzie panuje wysoka temperatura i ciśnienie, powstawały spontanicznie kryształy węgla nazywane diamentami. Ta forma krystalizacji węgla ma właściwości skrajnie różniące się od cech grafitu. Diament nie przewodzi prądu elektrycznego, lecz dobrze odprowadza ciepło (w dotyku jest zimny). Jest przeźroczysty, choć spowalnia prędkość światła przechodzącego przez kryształ i powoduje silne rozszczepienie kolorów. Jest jedną z najtwardszych substancji, do niedawna był uznawany za najtwardszy materiał mogący zdrapywać i szlifować wszystkie inne materiały.
Diament jest jednak mniej odporny na temperaturę niż grafit. Znane są przypadki, gdy w pożarze, w temperaturze ponad 800 stopni Celsjusza, oszlifowane brylanty spalały się i znikały bez śladu. Niemniej, diament uważany jest za najszlachetniejszy i najtrwalszy materiał.
Diamenty znajdowane są w wielu miejscach na świecie, tam gdzie głęboko zastygające skały wulkaniczne zostały wyniesione bliżej powierzchni Ziemi. Najwydajniejsze kopalnie diamentów są na terenie Południowej Afryki, gdzie w latach prosperity wydobywano rocznie ponad tonę tych kryształów. Obecnie tona rozkruszonej i przesiewanej skały daje około 1 karata (0.2 grama) drobnych diamentów.
Największy znaleziony diament (Cullinan) ważył pond 600 gramów, a są domysły, że przed ujawnieniem znaleziska, został z niego odłupany dość duży kawałek. Bryła ta została podzielona na ponad 100 kawałków, z których największy (Wielka Gwiazda Afryki) waży ponad 100 gramów i jest ozdobą berła Królestwa Wielkiej Brytanii.
Diamenty można obecnie produkować przemysłowo w warunkach zbliżonych do tych, jakie występują w głębi Ziemi, czyli w wysokiej temperaturze i pod dużym ciśnieniem. W związku z tym, cena mniejszych kryształków znacznie się obniżyła. Te przemysłowo wytwarzane diamenty nazywane są często „sztucznymi”, chociaż nie różnią się ani chemicznie, ani fizycznie od naturaln
ych. Są nawet czystsze i doskonalsze od tych wydobywanych z Ziemi. Używane są głównie w przemyśle do wyrobu narzędzi szlifierskich i tnących. Niedawno opracowano metodę pokrywania metali cienkimi warstwami diamentowymi używając pieców mikrofalowych (nawet takich, jakie mamy w swoich kuchniach). Może to znacznie poprawić jakość noży (na przykład chirurgicznych skalpelów), żyletek i warsztatowych narzędzi.
Inne rewelacyjne odkrycie struktur węgla to fullereny. Atomy węgla w pewnych warunkach sklejają się w trwałe kulki zawierające 60, 70 a nawet kilkaset atomów. Te „mikroskopijne kulki” w rzeczywistości są tysiąc razy mniejsze od takich, które byłyby dostrzegalne mikroskopem optycznym. Są niezwykle twarde i mogą służyć tak jak kulki łożysk w smarach, mogą przetrzymywać w swoim wnętrzu inne atomy (np. izotopy promieniotwórcze). Inne cechy fullerenów są poznawane i badane.
Fullereny mogą się rozrastać w rurki podobne kształtem do cygar. Rurki te, tak zwane nanorurki, robią oszałamiającą karierę w świecie nauki i techniki. Nie ma tygodnia, aby periodyki naukowe nie donosiły o nowych odkryciach w tej dziedzinie. Zastosowań jest już tak wiele, że trudno je tu wyliczać, a na prognozowanie wciąż za wcześnie.
Ciekawą odmianą węgla jest tak zwany węgiel aktywny, zwany również węglem drzewnym. Otrzymywany jest najczęściej z drewna i innych substancji roślinnych (na przykład z pestek) przez wyżarzanie. Można go używać jako czyste paliwo w rożnach (barbecue). Węgiel, powstający z drewna po odparowaniu innych substancji, tworzy strukturę gąbki o bardzo dużej powierzchni. Ściśnięta w kulkę kartka papieru może dać jakieś pojęcie o strukturze węgla aktywnego, ale jest to tylko przybliżenie. W rzeczywistości 1 gram węgla w tej postaci ma powierzchnię ponad tysiąca metrów kwadratowych (średnia działka budowlana).
Węgiel aktywny absorbuje (przylepia) na swojej powierzchni wiele substancji i może służyć jako filtr, usuwający z wody chlor i inne zanieczyszczenia. W postaci połykanych czarnych pastylek pochłania w żołądku wydzieliny bakterii i niektóre trucizny. W maskach przeciwgazowych oczyszcza powietrze od ciężkich, trujących gazów. Skuteczne są również węglowe pochłaniacze zapachów w lodówkach i klimatyzatorach.
Wśród ponad setki znanych pierwiastków chemicznych duża część jest wykorzystywana w naszych organizmach, nawet w minimalnych ilościach, jako tak zwane mikroelementy. Węgiel pełni tu jednak szczególną rolę i w organizmie człowieka jest go wagowo prawie 20%, ukrytego w złożonych strukturach tkanek. Większość naukowców jest zdania, że gdyby nie specyficzne właściwości chemiczne węgla, życie nigdy i nigdzie nie mogłoby zaistnieć.
A dwutlenek węgla, chcąc nie chcąc, musimy wydzielać, chociażby oddychając, i jest on najważniejszym źródłem budowania struktur roślin. (ami)
Redakcja
