Węgiel jest pierwiastkiem powszechnie występującym na Ziemi i najważniejszym budulcem znanych nam form życia. Powstaje we wnętrzu starych gwiazd, w których spaliła się już większość wodoru (w przypadku Słońca stanie się to za mniej więcej 7 mld lat). Nadmiar helu w takich gwiazdach sprawia, że jego atomy się łączą: zachodzi reakcja zwana procesem 3‑alfa, w wyniku której powstają atomy węgla. Kiedy gwiazda eksploduje jako supernowa, węgiel staje się częścią kosmicznego pyłu, a wreszcie innych gwiazd i planet. Atomy węgla w naszych ciałach – także pochodzące z dawno nieistniejących gwiazd – mają ok. 5 mld lat i bezustannie krążą pomiędzy ziemią, powietrzem, wodą i organizmami.

W zależności od ułożenia atomów węgiel ma unikalne właściwości i tworzy zupełnie różne odmiany allotropoweallotropiaodmiany allotropowe. Przykładem jest jedna z najtwardszych substancji na świecie – krystaliczny diamentdiamentdiament, który jest izolatorem. Po zmianie struktury wewnętrznej powstaje grafitgrafitgrafit – substancja bardzo miękka, o dobrym poślizgu, przewodnik elektryczności. W wyniku kolejnych zmian otrzymamy grafengrafengrafen (twardszy od stali i elastyczny jak guma), fulerenyfulerenyfulereny (przypominające kształtem piłki futbolowe), nanorurkinanorurki węglowenanorurki, węgiel „szklisty” czy węgiel Q (który ma właściwości magnetyczne i  fosforyzujące).

RG3wfqszEuo5c

Grafika przedstawia struktury przestrzenne węgla. Mogą one mieć formę płaską, rurki lub kulistą, a także całkowicie nieuporządkowaną.

ROsB06wtd03bC1

Grafika przedstawia wzór strukturalny cząsteczki metanu o wzorze sumarycznym C H indeks dolny 4. Ma ona formę tetraedru. Kąty pomiędzy wiązaniami cząsteczki wynoszą 109,5 stopnia.

Węgiel jako pierwiastek ma unikalne, ważne biologicznie właściwości. Może wiązać się z innymi atomami węgla lub różnymi pierwiastkami, tworząc miliony znanych związków. Dzieje się tak za sprawą jego budowy atomowej: na powłoce zewnętrznej znajdują się cztery elektrony, które uczestniczą w tworzeniu wiązań chemicznych. Mogą to być wiązania pojedyncze (z czterema takimi samymi lub różnymi atomami), podwójne i potrójne. Dzięki temu węgiel tworzy proste lub rozgałęzione łańcuchy – szkielety – oraz pierścienie – związki cykliczne i aromatycznearomatyczne związkiaromatyczne. To z kolei warunkuje tworzenie związków niezbędnych do życia: kwasów nukleinowych, cukrów, białek i tłuszczów. Wiązania między atomami węgla są silne, dlatego związki organiczne zbudowane ze szkieletów węglowych wykazują dużą trwałość i odporność na działanie różnych czynników.

Węgiel wchodzi w skład grup funkcyjnych, czyli grup atomów warunkujących funkcje związku chemicznego i jego reaktywność, czyli zdolność do udziału w reakcjach chemicznych. Przykładem grupy funkcyjnej jest grupa karboksylowa -COOH w kwasach lub grupa aldehydowa -CHO w cukrach. Do szkieletów węglowych mogą się przyłączać atomy innych pierwiastków, tworząc makrocząsteczki o zróżnicowanej strukturze przestrzennej. Ma to znaczenie gdy dwa białka – np. enzym i substrat – dopasowują się do siebie.

W wyniku łączenia i rozbudowy prostych cząsteczek powstają formy o różnych właściwościach chemicznych. Mogą to być np. ważne biologicznie izomeryizomeryizomery przestrzenne:

• formy cis i trans, różniące się położeniem grup funkcyjnych;

• enancjomeryenancjomeryenancjomery, czyli lustrzane odbicia cząsteczek (jak prawa i lewa ręka).

Słownik