Węglowce - węgiel, krzem.pdf - Chemia Ogolna Nieorganiczna I Organiczna Liceum - teacher20

Cz. XIII Charakterystyka węglowców

1.Wystepowanie

Węgiel jako pierwiastek jest głównym składnikiem węgli kopalnych (mieszanin węgla i

związków węgla) : antracytu(do 95%), węgla kamiennego (do 90%) i torfu (do 65%). Ponadto

węgiel wchodzi w skład milionów związków organicznych i odgrywa niesłychanie ważną rolę

w przyrodzie. Wśród minerałów nieorganicznych najbardziej rozpowszechnionym związkiem

jest wapien, CaCO 3 .

Krzem zajmuje drugie miejsce (po tlenie) pod względem rozpowszechnienia; nie występuje

w stanie wolnym, lecz w postaci krzemionki SiO 2 i glino krzemianów.

German występuje, w nieznacznych ilościach, tylko w związkach i dlatego został odkryty

stosunków późno.

Cyna nie występuje w stanie wolnym, a głównym jej źródłem jest kasyteryt SnO 2 .

Ołów w niewielkich ilościach występuje w postaci rodzimej jednak otrzymywany jest głównie

z galeny, PbS.

2.Właściwości fizyczne

Podobnie jak w grupie azotowców , w miarę wzrostu liczby atomowej następuje zmiana

właściwości pierwiastków od niemetalicznych do metalicznych. Węgiel jest niemetalem

,krzem i german są półmetalami , natomiast cyna i ołów są metalami. Wszystkie węglowce są

ciałami stałymi.

Odmiany Alotropowe węgla

Węgiel jest znany pod postacią dwóch krystalicznych odmian alotropowych występujących w

przyrodzie : diamentu i grafitu. Sadza stanowi drobnokrystaliczną postać grafitu. w

warunkach laboratoryjnych wytworzono niedawno serią alotropów zwanych fullerenami:

C-60 i C-70 i podobnych.

- Diament : W diamencie każdy atom węgla jest połączony czterema wiązaniami

kowalencyjnymi z czterema sąsiednimi atomami węgla. Struktura diamentu jest

trójwymiarowa. Diament ogrzewany bez dostępu powietrza przechodzi w grafit w

temperaturze ponad 1500 stopni C. Przemiana w kierunku przeciwnym napotyka duże

trudności i następuje dopiero w temperaturze 4000 C, pod ciśnieniem 20 GPa (=20 000

atmosfer). Diament jest najtwardszym znanym materiałem, więc znalazł zastosowanie przy

wyrobie narzędzi przeznaczonych do obróbki stali i szkła. Oszlifowane diamenty noszą

nazwę brylantów.

- Grafit : atomy węgla w krysztale grafitu tworzą płaskie , równoległe warstwy. W obrębie

warstwy atomy węgla połączone są wiązaniami kowalencyjnymi, natomiast między

warstwami działają tylko słabe siły, podobnie jak w kryształach molekularnych. Dlatego

kryształy grafitu są miękkie, dają się łatwo łupać, aczkolwiek tylko w płaszczyznach

równoległych do warstw (anizotropia mechaniczna). Grafit jest miękki i w odróżnieniu od

diamentu przewodzi prąd elektryczny, dlatego stosuje się go do wyrobu elektrod.

- Sadza : węgiel w postaci sadzy powstaje jako produkt niecałkowitego spalenia substancji

organicznych. Cecha charakterystyczną sadzy jest duży stopień rozdrobnienia i w związku z

tym znaczna powierzchnia w stosunku do masy próbki. Ziarna w jednym gramie sadzy mają

łączną powierzchnię około 2 hektarów!!! Dlatego też sadza wykazuje silne własności

adsorpcyjne. Węgiel, bez względu na odmianę alotropową, nie rozpuszcza się w żadnym

pospolitym rozpuszczalniku. Jedynym rozpuszczalnikiem węgla jest ciekłe żelazo (t.

topnienia 1536 o C).

Alotropia Si, Ge, Sn, Pb : Krzem i german występują tylko w jednej odmianie krystalicznej ,

której odpowiada sieć przestrzenna typu diamentu. Znane są również odmiany bezpostaciowe

- ciemne proszki. Ołów ma siec przestrzenną typową dla metali. Cyna tworzy trzy odmiany

alotropowe. W zwykłych warunkach cyna występuje w postaci typowo metalicznej, beta.

Podczas zginania pręta lub drutu z takiej cyny słychać charakterystyczny chrzęst ("krzyk

cyny"), wywołany przez wzajemne tarcie o siebie kryształów. Gdy temperatura otoczenia

spada poniżej 13 stopni, wówczas cyna przechodzi w odmianę alfa, rozsypuje się w szary

proszek, ogarnia ją tzw. :"trąd cynowy", ale proces posuwa się bardzo powoli. Ta choroba jest

jednak zaraźliwa. Jeżeli kawałkiem "chorej" cyny dotknie się zdrowej, ta zaczyna się także

rozpadać (na skutek autokatalizy przemiany fazowej).

3.Otrzymywanie węglowców .

Czysty węgiel do celów laboratoryjnych otrzymuje się z cukru (sacharozy). w tym celu cukier

praży się w żelaznym naczyniu mającym niewielki otwór umożliwiający odpływ pary

wodnej, a nie dopuszczający tlenu atmosferycznego :

C 12 H 22 O 11 → 12 C + 11 H 2 O

W przemyśle otrzymuje się węgiel w postaci tzw. Koksu z węgli kopalnianych, w postaci

sadzy przez rozkład termiczny drewna, w postaci grafitu z sadzy lub węgla kopalnego, przez

prażenie w wysokich temperaturach) i w postaci diamentu z grafitu [w temperaturze 4000 o C

pod ciśnieniem 20 Gpa = 200 000 atmosfer].

Krzem na skalę laboratoryjną można otrzymać z krzemionki, redukując ją magnezem

SiO 2 + 2 Mg → Si + 2 MgO

Krzemionka stanowi również przemysłowe źródło krzemu, jednak redukcję przeprowadza się

tańszymi od magnezu substancjami : węglem lub węglikiem wapnia.

Pozostałe węglowce otrzymuje się podobnie, z odpowiednich dwutlenków przez odtlenianie

węglem. Ołów otrzymuje się z siarczku PbS elektrolitycznie.

4.Zastosowanie.

Węgiel w postaci koksu stosuje się na wielką skalę w przemyśle hutniczym do odtleniania rud

metali. Część węgla przerabia się na tlenek CO - podstawowy substrat w wielu syntezach , a

część wykorzystuje się do ogrzewania. Sadza znalazła zastosowanie w produkcji farb

drukarskich, tuszu i pasty do butów oraz jako materiał adsorpcyjny. Grafit dobrze przewodzi

prąd elektryczny i dlatego jest stosowany w przemyśle elektrotechnicznym oraz

elektrochemicznym (anody grafitowe). Diamentu, ze względu na dużą twardość używa się do

cięcia szkła, szlifowania wyrobów jubilerskich i do wyrobu świdrów górniczych.

Krzem i german o dużym stopniu czystości służą do wyrobu półprzewodników, ponadto

krzemu używa się do odtleniania specjalnych gatunków stali i jako składnika wielu stopów.

Ołowiu wyrabia się rurociągi do kwasów :siarkowych (IV),(VI),fosforowego, oraz rury

kanalizacyjne. Ołowiem wykłada się komory i wieże do produkcji kwasu siarkowego,

celulozy i wapna bielącego. Ekrany ołowiowe zabezpieczające przed promieniowaniem

gamma i rentgenowskim, stosowane są w lecznictwie i laboratoriach naukowych. Ołów

stosuje się także do wyrobu płyt akumulatorowych, pokrywania kabli elektrycznych,

wytwarzania stopu używanego w drukarstwie, do wyrobu rdzeni pocisków karabinowych ,

szkła ołowiowego i różnych związków ołowiu.

5.Właściwosci chemiczne.

Węglowce można uznać za pierwiastki najmniej reaktywne z wszystkich grup głównych, za

wyjątkiem helowców.

Reaktywność : choć znane są miliony związków węgla, sam węgiel w stanie wolnym jest

pierwiastkiem o wyjątkowo małej reaktywności. W zwykłej temperaturze nie reaguje z

żadnym pierwiastkiem; w wysokich temperaturach łączy się z fluorem, tlenem, siarką oraz

metalami 1, 2, 13 grupy. Rozżarzony koks reaguje z para wodną dając mieszaninę tlenku

węgla i wodoru (tzw. Gaz syntezowy):

C + H 2 O → CO + H 2

Niewielka elektroujemność węglowców i 4 elektrony walencyjne minimalizują tendencję do

tworzenia czterododanich lub czteroujemnych jonów. Metaliczne pierwiastki - ołów i cyna

występują w roztworach i kryształach soli w postaci dwudodatnich kationów. Związki, w

których węglowce występują na stopniu utlenienia +IV mają wiązana kowalencyjne. Węgiel

prawie zawsze tworzy cztery wiązania. W tlenku węgla, CO, węgiel jest formalnie

dwuwartościowy, ale oktet elektronów zapewnia mu utworzenie wiązania potrójnego.

Typowym st. utl. węglowców jest +IV . Ponadto węgiel w związkach z metalami ( węglikach )

i w metanie występuje na st. utl. -IV . St. utl. +II (np. tlenku węgla )jest w przypadku węgla

osobliwością, ale dla pierwiastków metalicznych, cyny i ołowiu staje się charakterystyczny.

Niemetale grupy 14 tworzą połączenia z metalami, tzw. węgliki i krzemiki o zróżnicowanej

strukturze i właściwościach.

Węgliki : Wśród węglików znane są jonowe zawierające aniony, np.

 węglik glinu Al 4 C 3 ,

 węglik wapnia CaC 2 (karbid)

Otrzymuje się je przez ogrzewanie odpowiedniego metalu lub jego tlenku z węglem lub

węglowodorami, na przykład:

CaO + 3C→ CaC 2 + CO

Węgliki reagują łatwo z wodą, tworząc różne węglowodory, na przykład:

CaC 2 + 2 H 2 O → C 2 H 2 + Ca(OH) 2

Tlenki węgla

Spalanie węgla w powietrzu lub w tlenie prowadzi do dwutlenku węgla lub- przy

niedostatecznej ilości tlenu - do tlenku węgla CO. Tlenek węgla jest palnym gazem i w

temperaturze 700 C spala się niebieskim płomieniem do dwutlenku węgla.

Dwutlenek węgla ma charakter kwasowy, a tlenek węgla jest tradycyjnie zaliczany do

obojętnych, aczkolwiek w podwyższonej temperaturze reaguje z wodorotlenkiem sodu.

Wszystkie węglowce tworzą lenki analogiczne (pod względem składu) do CO i CO 2 .

Tlenki krzemu i kwasy krzemowe

Nietrwały tlenek SiO należy do tlenków obojętnych , SiO 2 nie reaguje z wodą, jest jednak

bezwodnikiem wielu kwasów krzemowych , w tym najbardziej typowego -

metakrzemowego (zwanego potocznie krzemowym) H 2 SiO 3 , który powstaje w postaci trudno

rozpuszczalnej, białej zawiesiny w reakcjach kwasów z rozpuszczalnymi krzemianami, np. z

wodnym roztworem krzemianu (tzw. szkłem wodnym):

Na 2 SiO 3 (aq)+ 4 HCl(aq) →2 NaCl(aq) + H 2 SiO 3

W podobny sposób przebiega reakcja z dwutlenkiem węgla:

Na 2 SiO 3 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O → Na 2 Co 3 (aq) + H 2 Si

co dowodzi, że kwas krzemowy jest słabszym elektrolitem od kwasu węglowego.

Kwas krzemowy jest związkiem nietrwałym. Ogrzewanie zawartości naczynia, w którym

wytworzyła się zawiesina kwasu krzemowego, prowadzi do otrzymania białego,

galaretowatego osadu krzemionki : H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O

Świeżo strącony kwas krzemowy łatwo można przeprowadzić z powrotem w krzemian sodu

przez dodanie mocnej zasady :

H 2 SiO 3 (s) + 2 NaOH(aq) →Na 2 SiO 3 (aq) + 2 H 2 O

Dwutlenek krzemu jest odporny na działanie czynników chemicznych ; nie reaguje z żadnym

kwasem prócz fluorowodorowego. Reakcja ta znajduje zastosowanie w trawieniu napisów na

szkle. Stapianie krzemionki z węglem w temperaturze 2000 C daje węglik krzemu

SiC(karborund), odznaczający się wyjątkową trwałością - stad jego zastosowanie w

charakterze materiału szlifierskiego. Podczas stapiania krzemionki z wodorotlenkiem lub

węglanem litowca powstają rozpuszczalne krzemiany:

SiO 2 (s) + 2NaOH(s) → Na 2 SiO 3 (s) + H 2 O

SiO 2 (s) + Na 2 CO 3 → Na 2 SiO 3 (s) + CO 2

Krzemiany metali ciężkich są barwne i mało rozpuszczalne w wodzie. Można je strącić z

wodnego roztworu krzemianu sodu, dodając roztworu odpowiedniego azotanu.

W przyrodzie występuje wiele krzemianów zawierających aniony inne niż SiO 3 2- . Nie udało

się jednak wyodrębnić odpowiadających im kwasów, ulegają one bowiem natychmiastowemu

rozkładowi na dwutlenek krzemu i wodę. Najczęściej spotyka się sole kwasów :

H 4 SiO 4 ortokrzemowego

H 6 Si 2 O 7 ortodwukrzemowego

H 2 SiO 3 metakrzemowego

H 2 Si 2 O 5 metadwukrzemowego

Kwasy o wzorze ogólnym nSiO 2 . mH 2 O noszą nazwę kwasów polikrzemowych. Symbol n

oznacza liczbę moli SiO 2 hydratowanych przez m moli wody.

W szeregu tlenków GeO, SnO i PbO maleje ich kwasowość . SnO i PbO są amfoteryczne ,

dają sole cyny i ołowiu, cyniany oraz ołowiany. Tlenki na st. utl. +IV są bardziej kwasowe

niż ich analogi na stopniu +II .

Właściwości kwasowe maleją również w szeregu

GeO 2 > SnO 2 > PbO 2 . Dwutlenki germanu, cyny i ołowiu są amfoteryczne; w reakcji z

mocnymi zasadami dają (w fazie stałej) odpowiednie meta i orto germaniany, cyniany i

ołowiany. W roztworach zasadowych powstają aniony [E(OH) 6 ] 2- . Pod działaniem mocnych

kwasów tlenki EO 2 przechodzą w sole germanu (IV), cyny (IV) i ołowiu (IV), wszystkie

łatwo hydrolizujące.

Wodorki węglowców . Wszystkie węglowce tworzą kowalencyjne wodorki EH 4 . Ponadto

węgiel daje ogromną liczbę łańcuchowych i pierścieniowych węglowodorów stanowiących

przedmiot chemii organicznej. Istnieją również liczne krzemowodory, tzw. Silany , i

germanowodory - analogi łańcuchowych węglowodorów. Natomiast cynowodór i

ołowiowodór są jedynymi znanymi wodorkami tych pierwiastków. Metan CH 4 różni się

właściwościami od wodorków typu EH 4 pozostałych węglowców. Odmienne cechy wynikają

z różnic w elektroujemności między wodorem i węglowcami. Wodór jest mniej

elektroujemny od węgla, a bardziej elektroujemny od krzemu i pozostałych węglowców.

Wiązanie C-H jest słabo spolaryzowane, stopień utlenienia węgla (-IV), stopień utlenienia

krzemu i innych węglowców w wodorkach EH 4 należy przyjmować za +IV . Metan

zachowuje się obojętnie względem wody, podczas gdy SiH 4 reaguje energicznie z

uwolnieniem wodoru, pod warunkiem, że woda zawiera niewielkie ilości zasady, pełniącej

funkcje katalizatora. Podobnie zachowuje się GeH 4 i nietrwale SnH 4 , PbH 4 . Znane są

związki węglowców z wieloma niemetalami, np z fluorowcami.

Do najważniejszych związków węgla należą : węglan sodu, węglan wapnia, metan, tlenki

węgla, krzemionka i liczne minerały zawierające krzem.

CO 2 - dwutlenek węgla, gaz bezbarwny, bez zapachu, cięższy od powietrza, nietoksyczny,

niepalny, umiarkowanie rozpuszczalny w wodzie. Niewielka część rozpuszczonego w wodzie

reaguje z wodą i tworzy kwas węglowy. Otrzymany roztwór znany jest jako napój - woda

sodowa (z bąbelkami). Tylko nieznaczna część rozpuszczonego CO 2 przechodzi w H 2 CO 3 .

Kwas węglowy jest słabym elektrolitem, daje 2 typy soli: węglany i wodorowęglany. Kwas

węglowy(IV) jest nietrwały. Podczas ogrzewania roztworu, gdy jego stężenie zaczyna

przekraczać 0,002%, następuje rozkład :

H 2 CO 3 = H 2 O + CO 2

Dwutlenek węgla występuje w powietrzu w stężeniu 0.03% i niektórych wodach

podziemnych (1,6%). Dwutlenek węgla jest sprzedawany w metalowych butlach

(pomalowanych na czarno), z których po odkręceniu zaworu wydobywa się w postaci gazu.

Inną postacią handlową jest tzw. Suchy lód, stała substancja o temperaturze -78 C. Dwutlenek

węgla w wysokich temperaturach reaguje z metalami. Bierze udział w fotosyntezie. Jest

produktem całkowitego spalania paliw organicznych. Służy do sporządzania napojów

gazowanych oraz do chłodzenia. W laboratorium można otrzymać CO 2 działając kwasem

solnym lub siarkowym na dowolny węglan. W przemyśle otrzymuje się CO 2 jako produkt

termicznego rozkładu wapnia: CaCO 3 = CaO + CO 2 . CO (tlenek węgla(II) wchodzi w skład

czadu, gaz bezbarwny, bezwonny, lżejszy nieco od powietrza, trujący, palny, bardzo słabo

rozpuszczalny w wodzie. Stanowi szkodliwe zanieczyszczenie atmosfery, powstaje na skutek

niecałkowitego spalenia paliw organicznych. W reakcji z tlenkami metali wykazuje silne

właściwości redukujące, np. : FeO + CO → Fe + CO 2

W laboratorium CO można otrzymać przez rozkład kwasu mrówkowego, w wyniku

ogrzewania go ze stężonym kwasem siarkowym:

HCOOH → CO + H 2 O

W przemyśle CO stanowi półprodukt do otrzymywania wielu związków organicznych.

Wytwarza się go łącznie z wodorem w postaci tzw. Gazu syntezowego różnorodnych

procesach przerobu metanu (półspalanie metanu:

2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2

konwersja metanu:

CH 4 + H 2 O→ CO + 3 H 2 ,

zagazowanie węgla parą wodną :

C + H 2 O → CO + H 2

Węglowce - węgiel, krzem.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: