Do węglowców (14 grupa układu okresowego pierwiastków) należy: węgiel, krzem, german, cyna i ołów.

  • Ogólna charakterystyka i występowanie węglowców w przyrodzie:

Wspólną cechą pierwiastków należących do tej grupy jest obecność czterech elektronów walencyjnych w konfiguracji s2p2. Uzyskanie trwałej konfiguracji elektronowej gazu szlachetnego na skutek oddania czterech elektronów jest ze względu na wysokie energie jonizacji bardzo mało prawdopodobne. Mała elektroujemność węglowców powoduje, że węglowce bardzo rzadko tworzą jony ujemne. Zwykle uzyskują one trwałą konfigurację elektronową przez utworzenie czterech wiązań kowalencyjnych przy udziale orbitali ulegających hybrydyzacji sp3.

Liczba znanych połączeń węgla jest ogromna i przewyższa kilka razy liczbę związków pozostałych pierwiastków (z wyjątkiem wodoru). Bogactwo związków węgla wynika z dwóch właściwości tego pierwiastka, które nie występują u pozostałych pierwiastków tej grupy. Węgiel może tworzyć proste, rozgałęzione lub zamknięte w pierścienie łańcuchy zbudowane wyłącznie z atomów węgla. Łańcuchy te wykazują dużą trwałość. Druga cecha to możliwość tworzenia wiązań podwójnych i potrójnych pomiędzy atomami węgla.

Węgiel występuje w przyrodzie przede wszystkim w postaci węglanów (dolomit, kalcyt, syderyt) oraz dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie i znajdującego się w atmosferze. Pomimo tego, że stężenie CO2 w powietrzu jest niewielkie, łączne jego ilości w przyrodzie są bardzo duże. W przyrodzie odbywa się ciągły obieg dwutlenku węgla. Węgiel w stanie wolnym występuje w niewielkich ilościach. Spotykany jest jako dwa minerały: grafit i diament, które stanowią jednocześnie dwie odmiany alotropowe tego pierwiastka. Alotropia jest zjawiskiem polegającym na występowaniu odmian tego samego pierwiastka, które różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi oraz posiadają różną budowę krystaliczną (grafit i diament) lub inną liczbę atomów w cząsteczce (tlen i ozon).

Diament to najtwardszy minerał występujący w przyrodzie. Czysty diament jest bezbarwny, natomiast obecność zanieczyszczeń powoduje, że może on być zabarwiony na żółto, fioletowo, niebiesko, czerwono, a nawet czarno. Diament nie przewodzi prądu elektrycznego. Jego sieci krystalicznej każdy atom węgla jest otoczony prze cztery inne atomy, których środki ciężkości tworzą czworościan foremny. Wszystkie wiązania w sieci diamentu są wiązaniami kowalencyjnymi o stałej długości. Jeśli ogrzewamy diament w wysokiej temperaturze, otrzymamy grafit. Oszlifowane diamenty to brylanty, uważane za jedne z najpiękniejszych kamienie szlachetnych i odznaczające się piękną grą świateł.

Grafit to druga odmiana alotropowa węgla. Jest on miękkim, łupliwym szarym ciałem stałym o słabym metalicznym połysku i tłustym w dotyku. Sieć przestrzenna grafitu złożona jest z warstw. Grafit cechuje dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne. Jest odporny na działanie wysokich temperatur. Pod względem chemicznym grafit jest mało aktywny, jednak aktywniejszy niż diament. można go otrzymać w wyniku ogrzewania substancji bogatych w węgiel. Mikrokrystaliczną postacią grafitu jest sadza. Ma ona zdolność do adsorpcji. Jest czarnym proszkiem, otrzymywanym przez niecałkowite spalanie substancji organicznych albo termiczny rozkład węglowodorów.

Krzem występuje w przyrodzie wyłącznie w postaci związanej, jako krzemiany, glinokrzemiany lub dwutlenku krzemu. German jest bardzo mało rozpowszechniony w przyrodzie, dlatego został on dosyć późno odkryty. Wchodzi w skład minerałów (germanitu, stottytu, argyrodytu). Niewielkie ilości germanu zawiera węgiel kamienny. Cyna również występuje jedynie w postaci związków, a głównym jej źródłem są stanin i kasyteryt. Ołów jest spotykany w postaci rodzimej, jednak głównym jego źródłem jest galena PbS.

  • Otrzymywanie węglowców:

Węgiel w laboratorium otrzymywany jest z sacharozy. Cukier ogrzewa się w żelaznym naczyniu posiadającym otwór, przez który wydostaje się para wodna, a który nie dopuszcza tlenu z atmosfery. Na skalę przemysłową węgiel otrzymywany jest z węgli kopalnych jako koks, przez termiczny rozkład drewna jako sadza. Ogrzewając diament w wysokiej temperaturze otrzymuje się węgiel w postaci grafitu, a na skutek prażenia sadzy albo węgli kopalnych uzyskuje się grafit.

Krzem do celów laboratoryjnych otrzymywany jest przez redukcję krzemionki magnezem. w przemyśle otrzymywany jest także przez redukcję krzemionki, jednak stosowane są do tego celu tańsze od magnezu substancje (węglik wapnia lub węgiel).

Redukując dwutlenek germanu przy pomocy wodoru lub węgla otrzymuje się german. Bardzo czysty german uzyskiwany jest przy pomocy metody topienia strefowego.

Ołów otrzymuje się na drodze elektrolizy z PbS.

  • Właściwości fizyczne i chemiczne:

W grupie węglowców można zaobserwować wzrost właściwości metalicznych ze wzrostem liczby atomowej. Węgiel należy do niemetali, krzem i german są półmetalami, natomiast ołów i cyna należą do metali. Wszystkie pierwiastki z grupy węglowców to ciała stałe.

Węgiel jest ciałem stałym bez smaku i zapachu. Występuje w trzech odmianach alotropowych (diament, grafit, fullereny). Nie rozpuszcza się w kwasach, zasadach oraz wodzie. Rozpuszcza się natomiast w wielu stopionych metalach. Węgiel w swoich związkach chemicznych występuje na +IV, -IV i +II stopniu utlenienia. W temperaturze pokojowej nie jest aktywny pod względem chemicznym.

German oraz krzem występują w jednej odmianie krystalograficznej, której odpowiada siec przestrzenna typu sieci przestrzennej grafitu. Znany jest także krzem bezpostaciowy, który różni się od krzemu wykrystalizowanego ze stopionego glinu jedynie stopniem rozdrobnienia. Krzem jest to szare, kruche, twarde ciało stałe. Jest on półmetalem i podobnie jak german wykazuje właściwości półprzewodnikowe. Krzem topi się w temperaturze 1680K. Krzem w temperaturze pokojowej jest mało aktywny chemicznie, do czego przyczynia się fakt, że powierzchnia krzemu jest pokryta cieniutką warstwą SiO2. Rozdrobniony krzem łatwiej reaguje niż grubokrystaliczny. Łączy się on w temperaturze pokojowej z fluorem, natomiast w wyższej temperaturze reaguje z pozostałymi fluorowcami. Krzem nie reaguje z kwasami (jedynie z mieszaniną kwasu fluorowodorowego i azotowego), natomiast łączy się z wodorotlenkami litowców. W związkach chemicznych krzem zwykle jest czterowartościowy.

German jest szarobiałą substancją krystaliczną. Jest on kruchy, twardy i nie jest odporny na działanie kwasów utleniających. Nie rozpuszcza się natomiast w innych kwasach. German jest pierwiastkiem o bardzo małym rozpowszechnieniu w skorupie ziemskiej. w związkach chemicznych german występuje na +II i +IV stopniu utlenienia. Temperatura topnienia tego pierwiastka to 937°C, natomiast jego gęstość to 5,32 g/cm3.

Cyna występuje w trzech odmianach alotropowych. Cyna a (cyna szara) ma strukturę krystaliczna typu diamentu, jest ona szarym proszkiem o gęstości 5,75 g/cm3 i ma właściwości półprzewodnikowe. Cyna b (cyna biała) to srebrzystobiały metal, plastyczny, który wykazuje trwałość powyżej 13,2°C. Cyna g jest bardzo kruchym metalem, który jest trwały powyżej 161°C. Cyna nie ulega działaniu słabych zasad i kwasów. Reaguje jednak energicznie z mocnymi zasadami i kwasami. W związkach chemicznych występuje na -IV, +IV i +II stopniu utlenienia.

Ołów tworzy jedną odmianę, której odpowiada sieć przestrzenna regularna płasko centrowana. Ołów jest szarym metalem. Jest ciągliwy i miękki. Jego gęstość to 11,4g/cm3. Ołów nie reaguje z kwasami, których sole są trudno rozpuszczalne w wodzie i tworzą na powierzchni ołowiu ochronną warstwę.

  • Zastosowanie węglowców:

Diament ze względu na swoja twardość stosowany jest w wiertnictwie oraz obróbki i cięcia ceramiki, skał, szkła. Oszlifowane diamenty - brylanty są stosowane w złotnictwie i jubilerstwie. Grafit jest odporny na działanie wysokich temperatur stąd wykorzystanie grafitu w produkcji tygli laboratoryjnych. Ze względu na jego duże przewodnictwo elektryczne wykorzystywany jest do otrzymywania elektrod. Znalazł także zastosowanie w produkcji ołówków, smarów, szczotek do silników i jako moderator w reaktorach jądrowych.

Koks, który powstaje w wyniku suchej destylacji węgla jest wykorzystywany w górnictwie i celów opałowych.

Sadza używana jest do wyrobu tuszu, farb drukarskich, pasty do butów i jako materiał adsorpcyjny.

Promieniotwórczy izotop węgla 14C jest używany do określania wieku przedmiotów (datowanie radiowęglowe).

Krzem stosowany jest w elektronice, do odtleniania stali oraz wyrobu kwasoodpornych stopów z żelazem. Stosuje się go jako dodatek do stopów niklu, ołowiu, i glinu. Jest materiałem koniecznym do produkcji oporów silitowych. Krzem oraz jego związki znalazły także zastosowanie w przemyśle szklarskim, ceramicznym, w produkcji półprzewodników i smarów silikonowych.

German stosowany jest przede wszystkim w elektronice (termistory, tranzystory, diody i detektory półprzewodnikowe). stosowany jest również w produkcji filtrów optycznych, luminoforów oraz stopów specjalnych.

Cyna ze względu na swoja odporność na działanie czynników atmosferycznych, oraz rozcieńczonych zasad i kwasów jest stosowana do pokrycia innych metali, aby chronić je przed korozją (np. produkowanie puszek do konserw). Jest ona także składnikiem wielu stopów. Z ołowiem i antymonem tworzy stopy łożyskowe i stopy, które są wykorzystywane do odlewania czcionek drukarskich.

Ołów znalazł zastosowanie do produkcji odpływowych rur kanalizacyjnych, pokrycia dachów, wytwarzania osłon na przewody elektryczne i płyt do ołowianych akumulatorów. Jest składnikiem stopów. Służy do wytwarzania ekranów chroniących przed promieniami rentgena w laboratoriach naukowych i w placówkach leczniczych. Wszystkie związki ołowiu są toksyczne i brak zachowania ostrożności przy pracy z ołowiem i jego związkami może być przyczyną chronicznego zatrucia zwanego ołowicą.

  • Najważniejsze związki węglowców:

Liczba związków węgla jest ogromna, co jest związane z tym że w odróżnieniu od innych węglowców może on tworzyć łańcuchy (proste i rozgałęzione)i pierścienie oraz wiązania potrójne i podwójne między atomami węgla. W temperaturze pokojowej węgiel jest nieaktywny pod względem chemicznym jednak na skutek ogrzewania łączy się z tlenem tworząc dwa tlenki: tlenek węgla(II) CO i tlenek węgla(IV) CO2 (tzw. dwutlenek węgla). W podwyższonej temperaturze węgiel reaguje z siarką tworząc węglik siarki.

Tlenek węgla(IV) CO2 - występuje w przyrodzie zarówno w stanie wolnym jak i związanym. CO2 jest bezbarwnym gazem, bez zapachu o kwaskowatym smaku. Nie jest palny i nie podtrzymuje palenia. Jest on cięższy od powietrza. Dwutlenek węgla jest dosyć dobrze rozpuszczalny w wodzie. Cząsteczka CO2 ma budowę liniową. Atom węgla znajduje się między dwoma atomami tlenu. Dwutlenek węgla jest bezwodnikiem kwasu węglowego. Jest on obecny w niewielkim stężeniu w roztworach tego kwasu i nadaje im słabo kwaśny odczyn. CO2 jest mało aktywny chemicznie. W laboratorium tlenek ten otrzymuje się rozkładając węglany za pomocą kwasów. Dwutlenek węgla stanowi produkt przemiany materii. Jest on wydychany przez zwierzęta, natomiast rośliny go asymilują. W przyrodzie zachodzi stały obieg dwutlenku węgla. Jest on pobierany przez rośliny z atmosfery w toku procesów asymilacji. Równocześnie jest tam oddawany jako produkt oddychania, gnicia i spalania substancji organicznych.

Niedobór tego gazu we krwi (tzw. hipokarbnia, hipokapnia), który jest spowodowany wydalaniem tego gazu przez płuca na drodze hiperwentylacji, powoduje zawroty głowy, szum w uszach, obniżenie ciśnienia tętniczego krwi. Niedostateczne wydalanie tego gazu z płuc w stosunku do danej przemiany materii jest przyczyną hiperkarbii (hiperkapnii). Powoduje ona przyspieszenie oddychania, porażenie ośrodka oddechowego, a nawet bezdech i utratę przytomności.

Tlenek węgla(II) CO (czad) - powstaje w wyniku spalania węgla przy niedostatecznym dostępie tlenu. Jest bezwonnym, bezbarwnym i silnie trującym gazem. Działanie trujące tego gazu wynika z tego, że łączy się on z hemoglobiną krwi i uniemożliwia jej przez to przenoszenie tlenu. Czad tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową. Ma on nieco mniejszą gęstość niż powietrze. Słabo rozpuszcza się w wodzie. Na skalę laboratoryjna otrzymuje się go przez wkraplanie kwasu mrówkowego do stężonego i gorącego kwasu siarkowego, który jest czynnikiem odwadniającym. Ze względu na duże powinowactwo do tlenu CO, zwłaszcza w wyższej temperaturze, wykorzystywany jest jako środek redukujący i ze względu na tą właściwość jest wykorzystywany w metalurgii.

Kwas węglowy H2CO3 - jest to słaby dwuprotonowy kwas, który powstaje w wyniku reakcji dwutlenku węgla (bezwodnik kwasu węglowego) z wodą. Sole kwasu węglowego, węglany, są znacznie bardziej trwalsze niż sam kwas, który łatwo ulega rozkładowi. Kwas ten jest wykorzystywany do wyrobu napojów gazowanych (np. wody sodowej). W roztworach wodnych tego kwasu obecne są niewielkie ilości dwutlenku węgla, stąd ich kwaśny odczyn.

Do najważniejszych związków chemicznych krzemu zaliczane są krzemiany, glinokrzemiany, dwutlenek krzemu (SiO2, krzemionka), a także połączenia z wodorem, metalami i tlenem.

Dwutlenek krzemu SiO2 - jest to związek bardzo szeroko rozpowszechniony w przyrodzie i jest on głównym składnikiem skorupy ziemskiej. Najczęściej spotykany jest w postaci kwarcu, natomiast nieco rzadziej mamy do czynienia z krystobalitem i trydymitem. W postaci bezpostaciowej dwutlenek krzemu spotykany jest jako opal. Kwarc jest składnikiem wielu skał. SiO2 jest wykorzystywany w przemyśle szklarskim, budowlanym oraz do produkcji materiałów ogniotrwałych.

German, ołów i cyna tworzą z fluorowcami dwa rodzaje połączeń: MX4 i MX2, łączą się one także z tlenem tworząc tlenki MO i dwutlenki MO2. Trwałość czterohalogenków maleje w szeregu od germanu do ołowiu oraz od fluoru do jodu. Dwuhalogenki cyny, ołowiu i germanu są ciałami stałymi, które wykazują wyższe temperatury topnienia niż odpowiednie czterohalogenki, co jest związane z tym, że posiadają bardziej skomplikowana sieć przestrzenną i większy udział charakteru jonowego obecnych w nich wiązań. Jeśli chodzi o połączenia z tlenem, to dodatkowo ołów może utworzyć Pb3O4 oraz związki o składzie podobnym do Pb2O3. Czarny tlenek germanu oraz niebiesko-czarny tlenek cyny są otrzymywane przez rozkład odpowiednich wodorotlenków. Tlenek ołowiu spotykany jest w dwóch odmianach: żółty o budowie rombowej i czerwony o budowie tetragonalnej. Żaden z wymienionych tlenków nie rozpuszcza się w wodzie i nie tworzy z nią także wodorotlenków. Wodorotlenki tworzy się okrężną drogą. German, cyna i ołów tworzą także jednosiarczki, a german i cyna dodatkowo dwusiarczki. Siarczek germanu jest czarno-szarym krystalicznym ciałem stałym, które powstaje w wyniku redukcji GeS2. PbS, siarczek ołowiu(II), tworzy regularne kryształy i nie ulega on rozpuszczeniu w wielosiarczkach i siarczkach litowców. Ulega on utlenieniu do PbSO4 pod wpływem działania kwasu azotowego. Dwusiarczek cyny SnS2 ma żółtą barwę i otrzymuje się go z roztworów zawierających cynę na +IV stopniu utlenienia. Ten związek chemiczny znalazł zastosowanie jako złota farba malarska.

Cyna i ołów na +II stopniu utlenienia tworzą sole z nieorganicznymi kwasami tlenowymi oraz kwasami organicznymi. Większość soli ołowiu jest trudno rozpuszczalna w wodzie. Dobrze rozpuszczają się octan i azotan ołowiu. Siarczan ołowiu(II) natomiast powstaje jako biały osad po dodaniu do roztworu rozpuszczalnej soli ołowiu kwasu siarkowego. Występuje on w przyrodzie jako minerał o nazwie anglezyt.