Węglowce

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

diabelki.xlx.pl