Wszystkie formy występowania węgla są wysoce stabilne, wymagają wysokiej temperatury żeby reagować choćby z tlenem. Największe ilości nieorganicznego węgla występują w postaci skał wapiennych, dolomitów oraz dwutlenku węgla, natomiast znaczne ilości węgla organicznego znajdują się w paliwach kopalnych. Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie inne pierwiastki chemiczne. Liczba organicznych związków węgla zarejestrowanych w bazie Beilstein w roku 2008 wynosiła 10 853 341[13], jednak liczba jego potencjalnych związków jest nieograniczona.
Węgiel znajduje się na czwartym miejscu częstości występowania pierwiastków we Wszechświecie, po wodorze, helu i tlenie. Jest obecny we wszystkich organizmach. W organizmie człowieka jest drugim (po tlenie) co do liczności pierwiastkiem ze względu na jego masę (ok. 18,5%)[14]. Ta ilość w połączeniu z różnorodnością związków organicznych czyni pierwiastek chemiczny węgiel chemiczną podstawą życia.
Charakterystyka
Rozmieszczenie elektronów na powłokach w atomie węgla
Różne odmiany alotropowe węgla wykazują bardzo różne właściwości: na przykład diament jest najtwardszą naturalnie występującą substancją, grafit jedną z substancji o najmniejszej twardości. Ponadto węgiel ma powinowactwo do tworzenia wiązań chemicznych z innymi małymi atomami, w tym z innymi atomami węgla, oraz tworzenia wielu wiązań kowalencyjnych z tymi atomami, w wyniku czego związki zawierające w swojej strukturze węgiel stanowią znaczną część wszystkich znanych związków – ich liczba dochodzi do dziesięciu milionów[15]. Węgiel ma także najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich pierwiastków[16]. Przy ciśnieniu atmosferycznym nie występuje w stanie ciekłym, lecz podczas ogrzewania sublimuje w temperaturze 3852 °C[1]; jego punkt potrójny występuje przy ok. 10,3 MPa (102 atm)[1]. Niezależnie od odmian alotropowych pozostaje ciałem stałym w wyższych temperaturach, niż metale o najwyższych temperaturach topnienia (wolfram i ren). Jednak termodynamicznie węgiel jest podatny na utlenianie, znacznie bardziej niż żelazo lub miedź, które są słabymi reduktorami w temperaturze pokojowej.
Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi, a cykl węglowo-azotowo-tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Mimo różnorodności związków węgla większość jego form jest stosunkowo słabo reaktywna w warunkach normalnych. Nie reaguje z kwasem siarkowym, 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 wolnego metalu. Ta reakcja egzotermiczna jest wykorzystywana w hutnictwie żelaza, stali do kontroli zawartości węgla w stali:
Węgiel reaguje z niektórymi metalami, tworząc węgliki, w tym węglik żelaza (cementyt) czy 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 (domniemana struktura), d) fuleren C60 e) fuleren C540, f) fuleren C70, g) węgiel bezpostaciowy (amorficzny), h) nanorurka
W warunkach ziemskich 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 jej częściach. Ścieżki, jakimi „wędruje” węgiel, tworzą obieg węgla w przyrodzie. Rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza i używają go do produkcji biomasy w procesie fotosyntezy lub cyklu Calvina. Część biomasy produkowanej przez rośliny zostaje zjedzona przez zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana w postaci dwutlenku węgla.
Węgiel ma zdolność do tworzenia bardzo długich łańcuchów zawierających wiązanie C−C. Zdolność ta nosi nazwę katenacji. Wiązanie węgiel-węgiel jest bardzo silne i stabilne.
Ta zdolność pozwala węglowi tworzyć praktycznie nieskończoną liczbę związków. Liczba związków zawierających węgiel w swojej strukturze jest większa niż wszystkich pozostałych związków nie zawierających węgla (nie licząc związków zawierających wodór, gdyż praktycznie każdy związek organiczny zawiera atom wodoru).
Najprostszymi związkami organicznymi są węglowodory – związki zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Długość łańcucha, boczne łańcuchy oraz grupy funkcyjne wpływają na właściwości związku.
Węgiel jest głównym składnikiem wszystkich plastikowych materiałów używanych powszechnie w gospodarstwach domowych
Naturalna zawartość izotopu 14 C wykorzystywana jest do datowania radiowęglowego. W czasie życia w organizmie przyswajane są związki z węglem 14 C i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję węgla 14 C do całkowitej ilości węgla.
Grafit jest stosowany m.in. w poligrafii, do produkcji ołówków oraz jako jedna z elektrod w spawalnictwie.
↑ Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi [12,0096; 12,0116]. Z uwagi na zmienność abundancji izotopów pierwiastka w naturze, wartości w nawiasach klamrowych stanowią zakres wartości względnej masy atomowej dla naturalnych źródeł tego pierwiastka. Zob. Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.
↑Niektórzy autorzy klasyfikują go jako półmetal[9].
↑Geoff Rayner-Canham, Tina Overton: Descriptive Inorganic Chemistry. W. H. Freeman and Company, 2010, s. 29. ISBN 978-1-4292-2434-5.
↑D. D. Ebbing, S. D. Gammon: General Chemistry. Houghton Miffin Company, 2007, s. 52. ISBN 0-618-85748-6.
↑P. Enghag: Encyclopedia of the Elements. Technical Data - History - Processing - Applications. Wiley, 204, s. 914. ISBN 978-3-527-30666-4.
↑K.C. Nicolaou, T. Montagnon: Molecules that changed the world. A brief history of the art and science of synthesis and its impact on society. Wiley, 2008, s. 4. ISBN 978-3-527-30983-2.
