Tlenek węgla (II)

Węgiel może się łączyć z tlenem, czego efektem są dwa związki chemiczne: tlenek węgla (II) i tlenek węgla (IV). Tlenek węgla (II) jest inaczej nazywany czadem. Otrzymuje się go w wyniku spalania węgla przy niedostatecznym dostępie tlenu. W takiej sytuacji nie jest możliwe utlenienie węgla do +IV stopnia utlenienia.

Poniżej przedstawiono równanie reakcji chemicznej:

2 C + O2 → 2 CO↑ 

Tlenek węgla (II) powstaje także podczas reakcji dwutlenku węgla z rozgrzanym węglem, reakcja taka zachodzi m.in. w procesie wielkopiecowym:

CO2 + C → 2 CO

Otrzymywanie:

Na skalę laboratoryjną tlenek węgla (II) uzyskuje się z kwasu mrówkowego. W tym celu przeprowadza się jego odwadnianie w obecności stężonego kwasu siarkowego (VI).

HCOOH CO + H2O

Metoda ta jednak nie nadaje się do otrzymywania tlenku węgla (II) na skalę przemysłową. Do uzyskiwania większych ilości tego gazu przeprowadza się reakcję koksu, rozżarzonego w wysokiej temperaturze z parą wodną. W rezultacie powstaje mieszanina gazów: wodoru i tlenku węgla (II), którą nazywa się gazem syntezowym (inaczej: gazem wodnym).

C + H2O → CO↑ + H2

Gaz ten jest bezbarwny, nie posiada także zapachu. Należy do związków dość trudno rozpuszczalnych w wodzie. Jest palny, pali się charakterystycznym, niebieskim płomieniem. W wyniku jego spalania powstaje tlenek węgla (VI):

2 CO + O2 → 2 CO2

Posiada właściwości redukujące, z tego względu służy do redukcji niektórych rud metali, m.in. rud żelaza w procesie wielkopiecowym, w którym oprócz czystego węgla role reduktora spełnia także tlenek węgla (II).

Tlenek węgla (II) jako trucizna:

Tlenek węgla (II) zalicza się do jednych z najniebezpieczniejszych trucizn. Dla człowieka śmiercionośna może być nawet niewielka dawka tego gazu. Już przy stężeniu ok. 0,3 % objętościowych wykazuje swoje zabójcze działanie. Jego toksyczne działanie polega na trwałym łączeniu się z żelazem zawartym w hemoglobinie. W efekcie traci ona swoją biologiczną funkcję i nie jest w stanie transportować tlenu z płuc do tkanek. Człowiek umiera z niedotlenienia organizmu. Z tego względu powinno się szczególnie dbać o dobry stan techniczny urządzeń grzewczych w naszych domach. Niesprawne instalacje mogą być przyczyną tragedii. Paliwo, którym ogrzewa się wodę lub pomieszczenia, w wyniku nieprawidłowego spalania staje się źródłem śmiercionośnego gazu.

Przykładem toksycznego działania tlenku węgla (II) może być jedna z największych tragedii w dziejach, która wydarzyła się w zimie, w roku 1944 we Włoszech. Przepełniony pociąg przejeżdżał w okolicach Neapolu. Na jego drodze był przejazd przez tunel, który wznosił się pod górę. Obciążony pociąg miał trudności z wjechaniem pod górę po oblodzonych szynach. Aby zwiększyć moc lokomotywy, maszynista nakazał dorzucenie węgla do kotła. Było to wyjątkowo niefrasobliwe posunięcie. Parowóz nie zdołał wspiąć się i wyjechać z tunelu. Jednocześnie przy ograniczonej ilości powietrza, a tym samym i tlenu, dorzucony węgiel spalał się z utworzeniem czadu. Doprowadziło to do śmierci 521 osób.

Tlenek węgla (IV)

Tlenek węgla (IV) jest często nazywany dwutlenkiem węgla. To gaz, podobnie jak tlenek węgla (II) pozbawiony zapachu i bezbarwny. Jest cięższy od powietrza, dlatego często gromadzi się w dolnych częściach pomieszczeń itp. Jest niepalny. Nie jest w stanie podtrzymać palenia. Należy do tlenków kwasowych, stanowi bezwodnik słabego kwasu węglowego (IV). Równanie powstawania tego kwasu można przedstawić równaniem:

CO2 + H2O → H2CO3

Otrzymywanie:

Ze względu na swój charakter kwasowy może reagować z niektórymi metalami i tlenkami metali.

Na skalę laboratoryjną dwutlenek węgla otrzymuje się poprzez działanie mocnymi kwasami na sole kwasu węglowego - węglany.

Np. Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + CO2 + H2O

W celu uzyskania większych ilości tego gazu, potrzebnych na skalę przemysłową, przeprowadza się rozkład termiczny węglanów. Najczęściej wykorzystuje się węglan wapnia, ponieważ jest łatwo dostępny, buduje popularne skały kredowe i wapienie.

Np. CaCO3 CO2 + CaO

Zastosowanie:

Dwutlenek węgla znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle. Jest wykorzystywany do napełniania gaśnic.

Jest używany w technice chłodniczej w postaci suchego ludu. Suchy lód to dwutlenek węgla, który został zestalony i tworzy śnieżną masę. Posiada szczególną właściwość - ulega sublimacji. Po wrzuceniu go do wody, zaczyna się wydzielać gazowy dwutlenek węgla, który powoduje kondensacje pary wodnej. W efekcie uzyskuje się biały dym, chętnie wykorzystywany w czasie różnych koncertów i imprez rozrywkowych.

Ponadto stanowi substrat w procesie otrzymywania sody.

Dwutlenek węgla występuje również w popularnych napojach gazowanych. To właśnie jemu zawdzięczamy charakterystyczne bąbelki. Aby nasycić dany napój tym tlenkiem, należy go wtłoczyć pod wysokim ciśnieniem. Tylko w takich warunkach możliwe jest rozpuszczenie tego gazu w cieczy. Z życia codziennego można zaobserwować iż napój musujący dość szybko traci bąbelki. Dzieje się tak na skutek obniżenie ciśnienia cieczy, po otworzeniu butelki. Proces odgazowania jest dodatkowo przyspieszany przez działanie światła słonecznego oraz temperatury.

Funkcja biologiczna dwutlenku węgla:

Węgiel podlega w środowisku naturalnym ciągowi przemian. Wraz z nim, także dwutlenek węgla jest w tym cyklu. Niewątpliwie stanowi ważny składnik ekosystemu. Dzięki niemu rośliny pozyskują węgiel, niezbędny im do budowy wszystkich tkanek. Pobierają go z powietrza, zaś wodę i inne ważne pierwiastki chemiczne, takie jak potas, fosfor, azot, wapń, magnez, siarkę w postaci soli - z gleby. Poprzez skomplikowane procesy biochemiczne rośliny mogą wytwarzać z tych substancji związki organiczne, za pomocą których budują swoje tkanki. Podstawowym związkiem chemicznym wytwarzanym przez rośliny jest glukoza. Jest cukier prosty, którego jedna cząsteczka powstaje w procesie fotosyntezy z sześciu cząsteczek dwutlenku węgla i sześciu cząsteczek wody. Do zajścia tej reakcji niezbędna jest energia słoneczna oraz obecność enzymów roślinnych odpowiedzialnych za powstawanie substancji energetycznych, czyli właśnie glukozy. Podczas oddychania komórkowego roślin, w nocy, do atmosfery emitowany jest tlen cząsteczkowy. Dlatego rano, w pomieszczeniach, w których znajduje się dużo roślin można poczuć świeże i rześkie powietrze.

W atmosferze utrzymuje się stały, naturalny poziom zawartości dwutlenku węgla. Jest on związany z wykorzystaniem tego gazu do procesów życiowych roślin oraz oddychaniem organizmów zwierzęcych, które wydalają go.

Zwierzęta wydalają dwutlenek węgla na skutek przeprowadzanych procesów spalania glukozy, czyli podstawowego cukru, dostającego się do organizmu wraz ze spożywanymi węglowodanami, które następnie ulęgają rozkładowi na cukry proste. Glukoza jest magazynowana w wątrobie i wykorzystywana w razie zaistniałej potrzeby lub pochodzi z bieżących rezerw, zawartych we krwi. W trakcie spalania tego cukru uwalniana jest energia, która zapewnia nam siłę życiową do codziennych obowiązków i przeprowadzania niezbędnych procesów życiowych.

Dwutlenek węgla, a zanieczyszczenie środowiska:

Jak już wspomniano naturalne stężenie tlenku węgla (VI) w powietrzu wynosi ok. 0,03 %. Proporcje zostały jednak zaburzone na skutek działalności człowieka. Gwałtowny wyż demograficzny oraz szybki rozwój cywilizacyjny, spowodował, iż obecnie stężenie dwutlenku węgla w wielkich aglomeracjach miejskich dochodzi do 0,05 %, a nawet 0,07 %. Naruszenie naturalnej równowagi biologicznej, skutkuje, tym, iż gaz ten przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego.

Efektem cieplarnianym nazywa się zjawisko ocieplania klimatu ziemi, na skutek zatrzymywania pewnej ilości ciepła emitowanego do atmosfery głównie przez elektrociepłownie oraz inne kłady przemysłowe. Efekt ten jest spowodowany wzrostem zawartości w atmosferze gazów cieplarnianych, nazywanych inaczej szklarniowymi. Zaliczamy do nich właśnie dwutlenek węgla, będący główną przyczyna tego zjawiska, a także freony, podtlenek azotu, metan. Gazy te, z jednej strony przepuszczają widoczne dla ludzkiego oka pasmo fal słonecznych, z drugiej absorbują promieniowanie podczerwone (cieplne), zapobiegające w ten sposób ucieczce ciepła atmosferycznego w kosmos.

Wzrost zawartości dwutlenku węgla oraz innych gazów cieplarnianych może podwyższyć temperaturę ziemi do niebezpiecznego poziomu, przy którym zaczną następować zmiany klimatu. Skutkiem tego mogą być zmiany w globalnej strukturze i intensywności opadów na świecie. Szacuje się, że wzrost średniej rocznej temperatury o ok. 3 [ºC] doprowadzi do topnienia lodowców na biegunach, a w konsekwencji spowoduje podwyższenie się poziomu mórz i oceanów, które zaczną zatapiać wiele nizinnych obszarów lądu.

Tlenek krzemu (IV)

Krzem należy do jednych z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na ziemi. Zajmuje on drugie miejsce, zaraz po tlenie. Większość krzemu występuje w postaci krzemionki oraz krzemianów i glinokrzemianów. Stanowi on aż 20 % całkowitej masy litosfery. Z tego względu odgrywa ogromną rolę w życiu naszej planety.

Czysty krzem jest ważnym substratem dla wielu gałęzi przemysłu, głównie elektroniki i elektrotechniki.

Otrzymywanie krzemu:

Najłatwiej uzyskuje się go przez redukcje tlenku krzemu koksem. Reakcja zachodzi według równania reakcji:

SiO2 + C → Si + CO2

W celach laboratoryjnych stosuje się także redukcje krzemionki metalicznym magnezem:

SiO2 + 2 Mg → Si + 2 MgO

Krzem:

Czysty krzem to metaliczne, krystaliczne ciało stałe. Charakteryzuje się charakterystycznym połyskiem. Posiada srebrnoszarą barwę. Zalicza się go tzw. metaloidów, czyli półmetali. Wykazuje on właściwości pośrednie między metali i niemetalami. Cechami metaloidów, wyróżniających ich od innych pierwiastków są: możliwość występowania w związkach chemicznych zarówno na dodatnich, jak i na ujemnych stopniach utlenienia, przy czym tworzą proste aniony, jak niemetale, jak i proste kationy, tak jak metale.

Jest dość twardy, ale jednocześnie kruchy. Znajduje szerokie zastosowane ze względu na swoje właściwości półprzewodnikowe. Wykorzystuje go m.in. mikroelektronika do konstrukcji procesorów i innych elementów elektronicznych.

Charakterystyka tlenku krzemu (IV):

Niewątpliwie najczęściej spotykanym związkiem krzemu jest jego tlenek, czyli substancja powszechnie nazywana krzemionką. Prawidłowa nazwa chemiczna tego związku brzmi tlenek krzemu (IV).

Buduje większość skał i minerałów; rozdrobniony tworzy znany każdemu z życia codziennego piasek. Naturalnie można go spotkać w trzech odmianach polimorficznych. Do odmian tych zaliczamy: kwarc, trydymit i krystobalit. Najbardziej rozpowszechnioną odmianą jest jednak kwarc. Stanowi on składnik wielu popularnych skał, takich jak: granity, gnejsy, kwarcyty, piaskowce i piaski. Krzemionka stanowi składnik jednych z najtwardszych skał - krzemieni, które wykazują wysoką odporność na działanie odczynników chemicznych. W skład krzemieni wchodzą krzemiany, czyli sole kwasu krzemowego, których cząsteczki tworzą bardzo skomplikowane struktury przestrzenne.

Kwarc oprócz skał buduje także piękne minerały o różnych barwach, które są chętnie stosowane w jubilerstwie. Wśród nich można kilka wymienić: fioletowy ametyst, żółty cytryn i bezbarwny kryształ górski oraz opal, chalcedonagat.

Tlenek krzemu jest substancją wyjątkowo odporną na działanie wysokiej temperatury, topi się dopiero w temperaturze 1710 ºC, przechodząc proces zeszklenia. Tak wysoka temperatura topnienia nasuwa wniosek, że struktura wewnętrzna tlenku krzemu jest o wiele bardziej skomplikowana, niż się pozornie wydaje. Kryształy kwarcu złożone są z cząsteczek SiO2, które ułożone w sieci przestrzennej wzajemnie ze sobą oddziałują. Efektem tego jest powstawanie wiązań Si - O - Si. Dzięki temu, kwarc jest tak naprawdę jedną, wielką cząsteczką, co sprawia, że jest wyjątkowo trwały. Zeszklony kwarc staje się bezpostaciowym ciałem, które nie wykazuje uporządkowania dalekiego zasięgu, nawet po ostygnięciu. Taką amorficzną masę nazywa się szkłem kwarcowym, zaś sam proces stanowi podstawę do produkcji przemysłowej szkła.

Krzemionka jest substancja wyjątkowo odporną na działanie kwasów, zasad oraz wody. Jedyna substancją roztwarzającą krzemionkę jest kwas fluorowodorowy.

Tlenek krzemu (IV) jest tlenkiem półmetalicznym, w związku z tym podobnie jak krzem jest półprzewodnikiem. Te właściwości krzemionki sprawiają, że jest ona chętnie i często stosowana do tworzenia i projektowanie różnych materiałów i tworzyw. Piasek jest jednym z podstawowych substratów przemysłu ceramicznego, a więc jest niezbędny przy wyrobie cementu, zaprawy murarskiej, emalii i innych. Znajduje zastosowanie przy wyrobie wszelkich produktów ze szkła.

Kwarc wykazuje niezwykła cechą, która została odkryta przez W. Roentgena pod koniec XIX wieku. Cecha ta została nazwana piezoelektrycznością. Odkrył on, iż pod wpływem odkształcania kryształów kwarcu, na jego powierzchni wytwarzają się ładunki elektryczne. Zjawisko to pozwoliło na wykorzystanie kwarcu do wielu celów. Stosuje się go m.in. do wytwarzania ultradźwięków, które współcześnie znajdują zastosowania w wielu dziedzinach nauki i techniki. Używa się je w diagnostyce medycznej, przemyśle spożywczym, elektronice, zaawansowanej aparaturze pomiarowej itp. Ponadto służy technice radiacyjnej oraz stosuje się go do wyrobu lamp kwarcowych.

Kolejna charakterystyczna cechą kwarcu jest zdolność do przepuszczania promieniowania ultrafioletowego. Sprawia to, że został on wykorzystany do produkcji tzw. kwarcówek, czyli lamp o specjalnych właściwościach, stosowanych w kosmetyce ora dermatologii.

Kwasy krzemowe oraz krzemiany:

Tlenek krzemu jest substancja nie rozpuszczalną w wodzie. Łatwo się o tym przekonać mieszając piasek z wodą. Mimo to można z niego uzyskać kwasy krzemowe. W tym celu należy stopić krzemionkę z wodorotlenkiem litowca. W ten sposób uzyskuje się sole kwasu ortokrzemowego. Poddanie ich hydrolizie prowadzi do otrzymania czystego kwasu. Trzeba jednak pamiętać, iż kwas ten łatwo ulega kondensacji prowadzącej do uzyskania kwasów polikrzemowych. Wśród nich można wyróżnić kilka: kwas metakrzemowy - H2SiO3 oraz kwas metadwukrzemowy - H2Si2O5.

Krzemianami nazywa się sole wyżej wymienionych kwasów krzemowych. Zazwyczaj tworzą one skomplikowane struktury przestrzenne, w których obecne są różne tzw. grupy krzemotlenowe. Do najbardziej charakterystycznych można zaliczyć: [SiO4]4-, [Si2O7]6-, [Si3O9]6-, [Si6O18]12-. Większość z nich jest nierozpuszczalna w wodzie, jak i w kwasach. Wyjątek stanowią jedynie krzemiany litowców. Naturalnie można je spotkać w postaci licznych minerałów.

Zastosowanie tlenku krzemu do produkcji szkła:

Tlenek krzemu stanowi podstawowy substrat do otrzymywania szkła. W przemysłowej metodzie jego wyrobu stosuje się następujące składniki: piasek kwarcowy, który stanowi niemal 70 % masy całego zestawu surowcowego, soda kalcynowa, która wprowadza do mieszanki surowcowej węglan wapna (Na2CO3), mączka wapienna, stanowiąca rozdrobnione kredy i wapienie - jest źródłem węglanu wapnia (CaCO3). Ponadto dodaje się stłuczkę szklaną oraz dolomity, czyli skały, których głównym składnikiem są sole węglanowe wapnia i magnezu (MgCO3∙ CaCO3). W hutach szkła stapia się przygotowana mieszankę surowcową. Proces topienia zachodzi w bardzo wysokich temperaturach dochodzących nawet do 1500 - 1600 ºC. W tym czasie zachodzi wiele skomplikowanych przemian fizyko - chemicznych, doprowadzających do roztworzenia ziaren kwarcu, wydzielenia się gazów odpadowych (głównie dwutlenku węgla) i w efekcie utworzenia jednorodnej stopionej masy. Najważniejsze procesy można zapisać równaniem reakcji:

Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2

CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2

Masę taką dalej klaruje się - pozbywa się z niej pęcherzyków gazu oraz powoli studzi się do temperatury ok. 1100 ºC. Kolejnym etapem jest formowanie pożądanych kształtów wyrobów szklarskich.