Węglowce

Pierwiastki grupy IV A w układzie okresowym: węgiel C, krzem Si, german Ge, cyna Sn, ołów Pb.

Występowanie w przyrodzie

Węgiel tworzy złoża węgli kopalnych (mieszaniny węgla i związków węgla): antracyt (do 95% węgla), węgiel kamienny ( do 90% węgla), węgiel brunatny (do 70%) i torf (do 65%). Ponadto węgiel wchodzi w skład milionów związków organicznych odgrywa niesłychanie ważną rolę w przyrodzie. Węgiel ma podstawowe znaczenie dla życia roślin i zwierząt na Ziemi. Każda żywa komórka jest zbudowana z cząsteczek zawierających atomy węgla i wodoru. Struktura każdej cząsteczki organicznej - od komórki ludzkiego mózgu do benzyny - jest oparta na atomach węgla.

Wśród minerałów nieorganicznych najbardziej rozpowszechnionym związkiem węgla jest wapień CaCO3.

Krzem nie występuje w stanie wolnym, lecz w postaci krzemionki SiO2 i glinokrzemianów.

German występuje, w nieznacznych ilościach, tylko w związkach i dlatego został odkryty stosunkowo późno. Występuje w minerałach : germanicie Cu2GeS3, stottycie FeGe(OH)6, argyrodycie Ag8GeS6.
Niewielkie ilości germanu zawarte są w węglu kamiennym.

Cyna nie występuje w stanie wolnym, a głównym jej źródłem jest kasyteryt SnO2 oraz stanin Cu2FeSnS4 .

Ołów w niewielkich ilościach występuje w postaci rodzimej, jednak otrzymywany jest głównie z galeny PbS, zwanej również galenitem.

Otrzymywanie

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. W przemyśle otrzymuje się węgiel w postaci tzw. koksu z węgli kopalnych, w postaci sadzy przez rozkład termiczny drewna, w postaci grafitu z sadzy lub węgla kopalnego (przez prażenie w wys. temp.)
i w postaci diamentu z grafitu.
Krzem na skalę laboratoryjną można otrzymać z krzemionki, redukując ją magnezem. Krzemionka stanowi także przemysłowe źródło krzemu, jednak redukcję przeprowadza się tańszymi od magnezu substancjami: węglem lub węglikiem wapnia.
Pozostałe węglowce uzyskuje się podobnie, z odpowiednich dwutlenków przez odtlenianie węglem. German jest otrzymywany przez redukcję dwutlenku germanu GeO2 za pomocą węgla lub wodoru. Bardzo czysty german wytwarzany jest metodą topienia strefowego
Ołów otrzymuje się z siarczku PbS elektrolitycznie.

Właściwości

Charakterystyczną cecha węglowców jest zmiana właściwości pierwiastków od niemetalicznych do metalicznych wraz ze wzrostem liczby atomowej. Wszystkie węglowce mają cztery elektrony w powłoce walencyjnej( s2p2).

Węgiel jest niemetalem, krzem i german mają właściwości półmetaliczne, natomiast cyna i ołów są niemetalami.

Wszystkie węglowce są ciałami stałymi.

Węgiel jest bezwonny, pozbawiony smaku, znany jest w dwóch krystalicznych odmianach alotropowych: diament i grafit, oraz fulereny i tzw. odmianie bezpostaciowej (sadza, koks, węgiel drzewny i in.). Temperatura topnienia powyżej 3550C. W związkach chemicznych na -4, +2 i +4 stopniu utlenienia.

DIAMENT

W diamencie każdy atom C jest otoczony tetraedycznie przez cztery inne atomy i są one połączone wiązaniami atomowymi. Duża energia wiązania C - C, warunkuje dużą energię sieciową, z czym wiąże się trwałość diamentu. Kryształ diamentu stanowi olbrzymią pojedynczą cząsteczkę. Wszystkie elektrony są zlokalizowane w wiązaniach, dlatego diament jest izolatorem. Czysty diament tworzy bezbarwne, przezroczyste załamujące światło, błyszczące kryształy o dużej gęstości i twardości. Oszlifowane diamenty noszą nazwę brylantów. Ogrzewany bez dostępu powietrza powyżej temp. 1500oC przechodzi w grafit.

GRAFIT

Sieć grafitu składa się z płaskich warstw, w których atomy węgla tworzą regularne sześciokąty. Ponieważ w cząsteczce tej występują zdelokalizowane elektrony, grafit charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektrycznym. Pomiędzy warstwami działają tylko słabe siły van der Waalsa, co warunkuje łatwą łupliwość w kierunku równoległym do warstw, właściwości smarowe i małą twardość. Grafit jest bardziej reaktywny niż diament, spala się w powietrzu lub tlenie już w temperaturze 700oC na dwutlenek węgla.

Węgiel, bez względu na odmianę alotropową, nie rozpuszcza się w żadnym pospolitym rozpuszczalniku. Jedynym rozpuszczalnikiem węgla jest ciekłe żelazo( temp. topnienia1536oC). Jest on głównym składnikiem żywych organizmów – jako makroelement. W języku polskim nazwa węgiel oznacza pierwiastek, oraz surowiec mineralny wydobywany w kopalniach.

Krzem i german występują tylko w jednej odmianie krystalicznej, której odpowiada sieć przestrzenna typu diamentu. Znane są także odmiany bezpostaciowe – ciemne proszki. Krzem jest szarym, twardym i kruchym ciałem stałym, półmetalem o własnościach półprzewodnikowych, o temperaturze topnienia 1417C i gęstości 2,33 g/cm3. W związkach z reguły jest czterowartościowy.
German ma szarobiałą barwę, jest twardy, kruchy, odporny na działanie zasad i kwasów utleniających. Posiada własności półprzewodnikowe. Należy do pierwiastków rzadko występujących w skorupie ziemskiej. Gęstość 5,32 g/cm3, temperatura topnienia 936C. W związkach chemicznych german występuje na +2 i +4 stopniu utlenienia. German wykazuje odporność na działanie czynników atmosferycznych, ulega natomiast działaniu kwasów utleniających.

Cyna występuje w trzech odmianach krystalicznych: cyna  (szara,struktura diamentu, ma postać proszku i własności półprzewodnikowe), cyna  (srebrzystobiała z odcieniem niebieskawym, metaliczna) i cyna γ (o innych sieciach przestrzennych, występuje powyżej temp. 161C). W temperaturze 13.2C. Cyna biała przechodzi w cynę szarą, co jest przyczyną wykruszania się wyrobów cynowych. W związkach chemicznych cyna występuje na -4, +2 i +4 stopniu utlenienia. Wykazuje odporność na działanie czynników atmosferycznych. Gęstość 5,85, 7,30, 6,54 g/cm3 (zależy od odmiany alotropowej), temperatura topnienia 231,9C.
Ołów tworzy sieć typową dla metali.

Zastosowanie

Diament jest wyjątkowo twardy, stąd znalazł zastosowanie przy wyrobie narzędzi przeznaczonych do obróbki stali i szkła, szlifowaniu kamieni jubilerskich i przy wyrobie świdrów wiertniczych.
Grafit jest miękki i przewodzi prąd elektryczny, stąd jego zastosowanie do wyrobu elektrod. Jest też używany do wyrobu grafitów do ołówków, smarów, szczotek do silników oraz tygli laboratoryjnych.
Koks stosuje się na wielką skalę w przemyśle hutniczym do odtleniania rud metali. Część węgla przerabia się na tlenek węgla CO – podstawowy substrat w wielu syntezach, część wykorzystuje się do ogrzewania. Sadza znalazła zastosowanie m.in. w produkcji farb drukarskich, tuszu i pasty do butów oraz jako materiał adsorpcyjny.

Węgiel i jego związki mają olbrzymie znaczenie gł. jako surowce energetyczne i chemiczne. W postaci włókien węglowych i grafitowych jest używany na endoprotezy, do wyrobu tworzyw kompozytowych (stosowanych jako materiały konstrukcyjne). Promieniotwórczy izotop węgla 14C jest stosowany jako wskaźnik izotopowy. 1/12 masy atomu izotopu 12C stanowi atomową jednostkę masy.

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 poprawia on bowiem własności kwasoodporne stali. Zastosowania krzemu i jego związków są bardzo rozległe: podstawowe surowce w przemyśle szklarskim, ceramicznym, materiałów budowlanych, produkcja półprzewodników (tranzystory i układy scalone, procesory), smary silikonowe, to tylko niektóre z zastosowań.

Opracowane technologie pozwalają na otrzymywanie czystego germanu o właściwościach przydatnych w elektronice (do produkcji przyrządów półprzewodnikowych). German jest jednym z najważniejszych materiałów półprzewodnikowych stosowanych w elektronice (diody półprzewodnikowe, tranzystory, termistory, detektory półprzewodnikowe). Ponadto jest używany do produkcji luminoforów, filtrów optycznych, stopów specjalnych.

Cyny używa się do pokrywania metali mniej odpornych na korozję i jako składnika stopów. Przedmioty cynowe były niegdyś bardzo popularne ze względu na swą dostępność i niską cenę. Naczynia, lampy, świeczniki itp. wykonywano od wczesnego średniowiecza, największy rozkwit przedmiotów z cyny nastąpił pomiędzy XIV i XVI w.

Z ołowiu wyrabia się rurociągi do kwasów oraz rury kanalizacyjne. Ołowiem wykłada się komory i wieże do produkcji kwasu siarkowego, celulozy i wapna bielącego. Ekrany ołowiowe zabezpieczające przed promieniowaniem γ i rentgenowskim są stosowane w lecznictwie i laboratoriach naukowych. Ołowiu używa się też do wyrobu płyt akumulatorowych, pokrywania kabli elektrycznych, wytwarzania stopu używanego w drukarstwie, do wyrobu rdzeni pocisków karabinowych, szkła ołowianego i różnych związków ołowiu.

Charakterystyczne związki chemiczne węglowców

Węgiel - Pierwiastek ten wchodzi w skład wielu związków chemicznych. W temperaturze pokojowej jest chemicznie nieaktywny, lecz ogrzewany z tlenem tworzy tlenek CO i dwutlenek CO2 (tlenki węgla). Z wieloma pierwiastkami, gł. metalicznymi, daje w odpowiednich warunkach węgliki. Z siarką łączy się w wyższej temp. na siarczek węgla. Dzięki zdolności do tworzenia wiązań między atomami własnymi tworzą połączenia, których cząsteczki mają budowę łańcuchową i pierścieniową (ogromna grupa związków chemicznych). Ulega działaniu gazowego fluoru tworząc fluorek CF4. Grafit ulega utleniającemu działaniu kwasu azotowego. Węgiel jest często stosowanym czynnikiem redukującym tlenki metali do wolnych metali.

Dwutlenek węgla

Wzór :CO2
Dwutlenek węgla jest bezbarwnym gazem o kwaskowatym smaku, pozbawionym zapachu niepalnym i nie podtrzymującym palenia, półtorakrotnie cięższym od powietrza.

W przyrodzie występuje w stanie wolnym lub związanym.

Można go łatwo skroplić, również łatwo krzepnie w wyniku oziębiania w układzie zamkniętym dając suchy lód (stały dwutlenek węgla), który pod normalnym ciśnieniem nie topi się, lecz sublimuje w temp. - 78oC [6].

W laboratorium otrzymuje się dwutlenek węgla (jako bezwodnik nie istniejącego kwasu węglowego) przez rozkład jego węglanów pod działaniem kwasów.

W przemyśle dwutlenek węgla stanowi produkt uboczny w procesie prażenia wapienia.

Ponieważ w obu przypadkach CO2 jest silnie zanieczyszczony azotem, konieczne jest oczyszczenie go przez absorpcję w roztworze węglanu potasu.

Jest dobrze rozpuszczalny w wodzie. Roztwór wykazuje słaby odczyn kwaśny.

Jest czynnikiem wywołującym zmianę pH krwi, reguluje czynność ośrodka oddechowego. Zawartość 5 - 6% w powietrzu wdychanym wzmaga pięciokrotnie wymianę gazową przez płuca, powoduje głębsze i szybsze oddychanie. Dwutlenek węgla jest wykorzystywany do produkcji sody amoniakalnej, wody sodowej, suchego lodu. Stężenie w powietrzu atmosferycznym - ok. 0,03%, w powietrzu wydechowym - ok. 4-5%, w powietrzu pęcherzykowym - 5-6%.

Niedobór dwutlenku węgla we krwi (hipokapnia, hipokarbia) powoduje spłycenie oddychania, a nawet chwilowy bezdech.

Nadmiar tego gazu (hiperkapnia, hiperkarbia) wywołuje pogłębienie i przyspieszenie oddychania, a następnie porażenie ośrodka oddechowego, utratę przytomności i bezdech.

Cyrkulacja CO2 w atmosferze ziemskiej
CO2 z atmosfery rozpuszcza się w kroplach wody w chmurach i spada na ziemię jako słaby kwas węglowy, który reaguje ze skałami, powodując wydzielanie jonów wapnia, które trafiają do rzek, z nimi do oceanów. Tam organizmy żywe używają ich do budowy swoich skorupek, które gromadzą się na dnie w formie wapiennych skał osadowych. Ruchy tektoniczne przenoszą skały osadowe do stref subdukcji, stamtąd do wnętrza Ziemi, gdzie reagują one z kwarcem, wydzielając CO2.
Wybuchy wulkanów zwracają CO2 z powrotem do atmosfery -- ten etap jest wąskim gardłem całego cyklu, dlatego jedynie część całej masy ziemskiego CO2 jest w atmosferze.

Tlenek węgla

Wzór :CO

Tlenek węgla - czad, jest powszechnie znany jako trujący gaz powstający w wyniku niecałkowitego spalania węgla lub paliw węglowodorowych, np. gazu ziemnego i benzyny. Jest bezbarwny, bezwonny i lżejszy od powietrza, trudno rozpuszcza się w wodzie, jest rozpuszczalny w alkoholu.

W przemyśle tlenek węgla otrzymuje się łącznie z wodorem w postaci tzw. gazu syntezowego różnorodnych procesach przerobu metanu lub węgla. Tlenek węgla można otrzymać w laboratorium w wyniku reakcji między kwasem mrówkowym a stężonym kwasem siarkowym. Jej produkty to tlenek węgla i rozcieńczony kwas siarkowy. Utlenia się do dwutlenku węgla. Aktywny chemicznie, reaguje z chlorem (fosgen), siarką (tlenosiarczek węgla), metalami (karbonylki), zasadami (mrówczany), wodorem (gaz do syntezy).

Wykorzystywany jest jako reduktor do wydzielania metali z ich tlenków.

Kwas węglowy

Wzór: H2CO3

Kwas węglowy jest słabym kwasem powstającym w wyniku reakcji dwutlenku węgla z wodą. Dwutlenek węgla w środowisku wietrzeniowym pochodzi częściowo z atmosfery, a częściowo z reakcji biologicznego oddychania i rozkładu materii organicznej. Roztwór kwasu węglowego działa na minerały silniej niż czysta woda. Kwas ten jest bardzo nietrwały i łatwo ulega rozkładowi.

Krzem - Najważniejsze związki krzemu to: dwutlenek krzemu SiO2 (krzemionka), kwasy krzemowe i ich sole - krzemiany i glinokrzemiany, połączenia z wodorem (krzemowodory czyli silany SinH2n+2) oraz z wodorem i tlenem (siloksany), związki z metalami (krzemki), związki fluorokrzemowe oraz karborund SiC.

Dwutlenek krzemu

Wzór: SiO2
Krzemionka występuje w dużych ilościach przyrodzie, nie zachodzi więc konieczność jej otrzymywania. Stanowi jeden z głównych składników skorupy ziemskiej. Jest bezbarwnym ciałem stałym o charakterze bezwodnika kwasowego. Występuje w postaci krystalicznych odmian polimorficznych głównie jako: kwarc, trydymid, krystobalit, oraz w postaci koloidalnej jako opal. Służy ona m.in. do produkcji szkła, materiałów ogniotrwałych oraz materiałów budowlanych.

Cyna - Ulega działaniu mocnych kwasów (w zależności od warunków powstają: sole cynawe Sn+2, związki kompleksowe np. [SnCl4]2- lub kwas cynowy (SnO2)x(H2O)y) i stężonych, gorących wodorotlenków alkalicznych (powstają hydroksocyniany [Sn(OH)6]2-).

Z tlenem cyna tworzy czarnogranatowy tlenek SnO (krystalizuje w układzie regularnym) i biały dwutlenek SnO2 (krystalizuje w układzie tetragonalnym). Wodorotlenek Sn(OH)2 ma własności amfoteryczne.

Cyna tworzy związki z wodorem - gazowy cynowodór SnH4, siarką - SnS (rozpuszczalny w wielosiarczkach), SnS2 (rozpuszczalny w siarczkach alkalicznych fluorowcami alkaliach), fluorowcami - np. SnCl2 (o silnych własnościach redukujących), SnCl4 (dobrze rozpuszczający siarkę, fosfor, jod).

Przy nadmiarze HCl czterochlorek cyny przechodzi w kompleksowy kwas sześciochlorocynowy H2SnCl6, który można wykrystalizować. Znane są również sole tego kwasu. Cyna jest składnikiem brązów, stopów łożyskowych i czcionkowych oraz stopów do lutowania.

German - German tworzy związki z wodorem - nietrwałe w wyższych temperaturach, kowalentne - germanowodory (np. GeH4, Ge2H6, (GeH2)∞), z siarką - GeS i GeS2 (rozpuszczalne w alkaliach i siarczkach alkalicznych), z fluorowcami - dwu- i czterohalogenki (na ogół ciała stałe lub ciecze, łatwo hydrolizujące). Z tlenem german tworzy szaroczarny tlenek GeO i biały dwutlenek GeO2. German i jego dwutlenek rozpuszczają się w roztworach mocnych zasad z wytworzeniem germanianów GeO32- lub GeO44.