Węglowce
Węglowce – pierwiastki 14 (dawn. IVA lub IV głównej) grupy układu okresowego. Są to węgiel (C), krzem (Si), german (Ge), cyna (Sn), ołów (Pb) i flerovium (Fl).
Spis treści |
[edytuj] Odkrycie
Trzy z sześciu węglowców znano już w starożytności. Były to węgiel, cyna i ołów. Krzem i german zostały odkryte w XIX wieku (krzem przez Antoine Lavoisiera, zaś german przez Clemensa Alexandera Winklera). Flerovium zostało otrzymane sztucznie w 1999 roku przez naukowców z Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej.
[edytuj] Występowanie w przyrodzie
Węgiel wchodzi w skład licznych związków organicznych. Ponadto występuje w przyrodzie w postaci węgli kopalnych. Najważniejszym minerałem zawierającym węgiel jest węglan wapnia. Dużo rzadziej spotyka się go w postaci diamentów. W środowisku naturalnym wyjątkowo daje się odnaleźć w formie fulerenów (np. w strzałkach piorunowych).
Krzem zajmuje drugie miejsce pod względem zawartości w przyrodzie (zaraz po tlenie). Nie występuje jednak w stanie wolnym, ale w postaci krzemionki, krzemianów i glinokrzemianów.
German występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach, tylko w postaci związków, np.: germanit (Cu2GeS3), argyrodyt (Ag8GeS6). Niewielkie ilości germanu są zawarte w węglu kamiennym.
Głównym źródłem cyny są minerały: kasyteryt (SnO2), stannin (Cu2FeSnS4).
Ołów występuje w niewielkich ilościach w postaci rodzimej, jednak jego głównym źródłem jest galena (PbS).
Flerovium jest syntetycznym pierwiastkiem promieniotwórczym i nie występuje na Ziemi.
[edytuj] Właściwości
Ze wzrostem liczby atomowej w tej grupie maleje wpływ biernej pary elektronowej. Wynikiem tego jest malejąca trwałość pierwiastków na IV stopniu utlenienia i rosnąca na II. Wszystkie z nich oprócz ołowiu tworzą struktury diamentu, przy czym w przypadku węgla odmiana ta jest izolatorem, a dalsze pierwiastki są, z powodu malejącej szerokości pasma wzbronionego, półprzewodnikami i przewodnikami.
Węgiel jest ciałem stałym, nierozpuszczalnym w wodzie. Jest bezbarwny, bezwonny, nie ma smaku. Jest pierwiastkiem mało reaktywnym; w wysokiej temperaturze reaguje z fluorem, tlenem, siarką oraz metalami 1, 2 i 13 grupy. Rozżarzony koks reaguje z wodą, dając mieszaninę tlenku węgla i wodoru (tzw. gaz syntezowy): C + H2O → CO + H2.
Tworzy trzy odmiany alotropowe:
- Diament – bezbarwny, krystaliczny, posiada dużą gęstość i twardość; podczas ogrzewania do temperatury powyżej 1500°C przechodzi w grafit
- Grafit – mała twardość, łupliwość; jest bardziej reaktywny niż diament.
- Fulereny – czarne ciała stałe o metalicznym połysku, posiadają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe.
W związkach chemicznych występuje na -4, +2 i +4 stopniu utlenienia.
Krzem to szare, bezbarwne, kruche ciało stałe. Jest półprzewodnikiem. W związkach jest czterowartościowy. Występuje, podobnie jak węgiel, w strukturze diamentu.
German jest kruchym, srebrzystobiałym półmetalem o właściwościach półprzewodnikowych. Nie reaguje z wodą oraz z kwasami (oprócz kwasu azotowego).
Cyna jest ciałem stałym. Występuje w trzech odmianach krystalicznych:
- Cyna α – posiada strukturę diamentu, która ma właściwości półprzewodnikowe; występuje jako proszek barwy szarej; przemiana w cynę β zachodzi powoli w temperaturze 286,4 K i wyższej;
- Cyna β – srebrzystobiała z niebieskawym odcieniem;
- Cyna γ.
W związkach chemicznych cyna występuje na -4, +2 i +4 stopniu utlenienia.
Ołów to szarosrebrzysty, miękki, kowalny metal. Na powietrzu pokrywa się warstwą tlenku. Jego sole są zazwyczaj słabo rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w wodzie (z wyjątkiem azotanu ołowiu(II) oraz octan ołowiu(II).
[edytuj] Właściwości węglowców w związkach z wodorem
Związki wodoru z:
- węglem to węglowodory;
- krzemem silany;
- germanem germanany;
- cyną stannany;
- ołowiem plumbany.
W szeregu od węgla do ołowiu maleje trwałość tych związków.
Węgiel tworzy najwięcej związków z wodorem (węglowodory) dzięki trwałym wiązaniom węgiel-węgiel (katenacja). Są one trwałe i jako jedyne z tej grupy nie hydrolizują w wodzie. Pierwszy krzemowodór (SiH4) jest nietrwały w środowisku wodnym i na powietrzu.
[edytuj] Najważniejsze związki chemiczne węglowców
Węgiel:
- Dwutlenek węgla (CO2)
- Tlenek węgla (CO)
- Kwas węglowy (H2CO3)
- Węglik wapnia (CaC2)
- Cyjanowodór (HCN)
- Związki organiczne
Krzem:
- Dwutlenek krzemu (SiO2)
- Kwas krzemowy (H2SiO3)
- Kwas ortokrzemowy (H4SiO4)
- Krzemiany
- Krzemowodory
- Krzemki
- Węglik krzemu (karborund) (SiC)
German:
- Germanowodory
- Siarczek germanu(II) (GeS)
- Siarczek germanu(IV) (GeS4)
- Tlenek germanu(II) (GeO)
- Tlenek germanu(IV) (GeO2)
Cyna:
- Tlenek cyny(II) (SnO)
- Tlenek cyny(IV) (SnO2)
- Kwas cynowy ((SnO2)x•(H2O)y)
- Wodorotlenek cyny(II) (Sn(OH)2)
- Cynowodór (SnH4)
- Siarczek cyny(II) (SnS)
- Siarczek cyny(IV) (SnS2)
- Chlorek cyny(II) (SnCl2)
- Chlorek cyny(IV) (SnCl4)
Ołów:
- Węglan ołowiu(II) (PbCO3)
- Chlorek ołowiu(II) (PbCl2)
- Chlorek ołowiu(IV) (PbCl4)
- Chromian ołowiu(II) (PbCrO4)
- Azydek ołowiu(II) (Pb(N3)2)
- Azotan ołowiu(II) (Pb(NO3)2)
- Tlenek ołowiu(II) (PbO)
- Tlenek ołowiu(IV) (PbO2)
- Tlenek diołowiu(II), ołowiu(IV) (Pb3O4)
- Wodorotlenek ołowiu(II) (Pb(OH)2)
- Siarczek ołowiu(II) (PbS)
- Siarczan ołowiu(II) (PbSO4)
[edytuj] Otrzymywanie
Węgiel do celów laboratoryjnych otrzymuje się przez prażenie sacharozy bez dostępu tlenu z powietrza. Na skalę przemysłową otrzymuje się go z węgli kopalnych, przez rozkład termiczny drewna oraz jako diament.
Krzem można otrzymać w laboratorium przez redukcję krzemionki magnezem: SiO2 + 2 Mg → 2 MgO + Si. Na skalę przemysłową redukuje się krzemionkę węglem (SiO2 + C → CO2 + Si) lub węglikiem wapnia.
Pozostałe trwałe węglowce są otrzymywane przez redukcję ich tlenków. Ołów można otrzymać elektrolitycznie z jego siarczku. Flerovium można uzyskać wyłącznie w reakcjach jądrowych.
[edytuj] Zastosowanie
Węgiel jest podstawowym składnikiem związków organicznych. Diament służy do wyrobu biżuterii. Ze względu na jego twardość używa się go także do wyrobu narzędzi do obróbki stali i szkła. Grafit jest używany do wyrobu elektrod, grafitów do ołówków oraz tygli laboratoryjnych. Węgle kopalne są wykorzystywane jako surowce energetyczne. Izotop węgla 14C jest stosowany jako wskaźnik izotopowy, zaś 1/12 masy izotopu 12C stanowi wzorzec jednostki masy atomowej.
Krzem o dużym stopniu czystości jest stosowany do wyrobu półprzewodników. Krzem jest też stosowany do odtleniania specjalnych gatunków stali oraz jako składnika wielu stopów. Krzem i jego związki są surowcami w przemyśle szklarskim, ceramicznymi materiałów budowlanych.
German stosuje się do produkcji półprzewodników, luminoforów, filtrów optycznych oraz stopów specjalnych.
Cyna jest używana do pokrywania metali mniej odpornych na korozję. Jest też składnikiem stopów. W średniowieczu wykonywano wiele przedmiotów z cyny, ze względu na jej dostępność i niską cenę.
Ołów służy do wyrobu rur kanalizacyjnych oraz ekranów chroniących przed promieniowaniem. Wykłada się nim także komory do produkcji kwasu siarkowego, celulozy i wapna bielącego. Ołowiu używa się też do wyrobu płyt akumulatorowych, szkła ołowiowego oraz do otrzymywania innych związków ołowiu.
[edytuj] Bibliografia
- Mirosław Grębosz, Szczepan Zapotoczny: Słownik szkolny. Chemia. Kraków: wydawnictwo Zielona Sowa, 2006.
- Michał Rączy: węglowce.
|
|||||||||||
