Właściwości fizyczne i chemiczne węglowców

• Występowanie węglowców:

Węgiel jest pierwiastkiem dobrze rozpowszechnionym w przyrodzie. W przyrodzie występuje zarówno w stanie wolnym, w postaci dwóch minerałów: grafitu i diamentu, oraz w formie związanej: jako składnik węgli kopalnych, które są mieszaniną tego pierwiastka i jego związków, oraz jako węglany lub dwutlenek węgla. Do węgli kopalnych zaliczamy: węgiel kamienny (zawiera do 90% pierwiastkowego węgla), węgiel brunatny (w skład którego wchodzi węgla), antracyt (który ma nawet do 96% węgla) oraz zawierający najmniejszą ilość węgla pierwiastka torf (do 60%). Poza tym węgiel jest składnikiem ogromnej liczby związków organicznych i stanowi podstawę życia na Ziemi. Najbardziej rozpowszechnionym minerałem nieorganicznym węgla jest węglan wapnia o wzorze CaCO₃. Krzem jest drugim pierwiastkiem po tlenie jeśli chodzi o rozpowszechnienie. Występuje on w przyrodzie jedynie w postaci związków chemicznych, przede wszystkim jako krzemionka SiO₂, krzemiany i glinokrzemiany. German spotykany jest w bardzo małych ilościach i do tego występuje jedynie w postaci związków i dlatego odkryto go bardzo późno. Głównym źródłem cyny jest kasyteryt o wzorze SnO₂ i nie występuje ona w stanie wolnym. Ołów w stanie wolnym występuje w bardzo małych ilościach i jest on otrzymywany przede wszystkim z galeny PbS.

• Właściwości fizyczne:

Wszystkie pierwiastki należące do grupy węglowców są ciałami stałymi. Podobnie jak w przypadku azotowców im większa liczba atomowa, właściwości węglowców ulegają zmianie z niemetalicznych na metaliczne. Zatem węgiel należy do niemetali, german i krzem to półmetale, natomiast ołów i cyna zaliczane są do metali.

Węgiel występuje w trzech odmianach alotropowych, które posiadają odmienne właściwości fizyczne, chemiczne i różnią się budową krystaliczną. Węgiel niezależnie od odmiany w jakiej występuje nie rozpuszcza się w kwasach, zasadach oraz wodzie. Jest rozpuszczalny jedynie w niektórych stopionych metalach, np. ciekłym żelazie. Odmianami alotropowymi węgla są grafit, diament oraz fullereny. Sadza, która dawniej niesłusznie była uważana za odmianę alotropową węgla to drobnokrystaliczny grafit.

Diament posiada trójwymiarową strukturę, w której każdy z atomów węgla jest połączony z czterema sąsiednimi atomami za pomocą wiązań kowalencyjnych. Na skutek ogrzewania diamentu bez dostępu powietrza w temperaturze przewyższającej 1500°C przechodzi on w grafit. Odwrotna przemiana jest o wiele trudniejsza i zachodzi dopiero w 4000°C i pod ciśnieniem 20Gpa (co stanowi 20 000). Diament jest najtwardszym ze znanych minerałów. Czyste diamenty są bezbarwne. Jeśli zawierają zanieczyszczenia mogą przybierać zabarwienie żółte, zielone, fioletowe, brunatne, a nawet czarne. diamenty są wykorzystywane w wiertnictwie, do cięcia i obróbki szkła, skał i ceramiki, a także w jubilerstwie( oszlifowane diamenty zwane brylantami to najcenniejsze kamienie szlachetne).

Grafit to druga odmiana alotropowa węgla. Jest to czarno-szare, łupliwe, miękkie ciało stałe, które dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Jest on tłustawy w dotyku i odporny na działanie wysokich temperatur. W krysztale grafitu atomy węgla są ułożone w warstwy, w obrębie których atomy są połączone za pomocą wiązań kowalencyjnych. Pomiędzy warstwami działają jedynie słabe siły, podobne do tych, które występują w kryształach molekularnych. Grafit wykorzystywany jest do wyrobu retort, elektrod, ołówków, jako suchy smar, w reaktorach jądrowych.

Fullereny to kolejna odmiana alotropowa węgla, która została otrzymana z grafitu poprzez odparowanie w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni. Zbudowane są one z bardzo dużej ilości atomów węgla (największa zaobserwowana cząsteczka ma 960 atomów węgla w cząsteczce). Najczęściej spotykane są fullereny, które posiadają 70 i 60 atomów węgla. Fullereny nie występują w przyrodzie. Przypuszcza się, że mogą być składnikami pyłów kosmicznych.

Sadza jest produktem niecałkowitego spalenia substancji organicznych. Jej charakterystyczną cechą jest bardzo duże rozdrobnienie, które powoduje, że ma ona dużą powierzchnię w stosunku do masy danej próbki. Powierzchnia ziaren zawartych próbce sadzy o masie jednego grama, wynosi około dwóch hektarów. Sadza ma silne właściwości adsorpcyjne.

German oraz krzem występują w jednej odmianie krystalicznej, która ma sieć przestrzenną taka jak diament. Spotykane są także odmiany bezpostaciowe tych pierwiastków. Ołów wykazuje sieć przestrzenną, która jest typowa dla metali. Cyna występuje w trzech odmianach alotropowych. W warunkach normalnych cyna wykazuje typowe właściwości metaliczne i występuje jako cyna beta. Zginanie drutu lub pręta wykonanego z tej odmiany cyny, daje charakterystyczny chrzęst, zwany "krzykiem cyny", który jest spowodowany przez tarcie o siebie kryształków cyny. Gdy temperatura jest niższa niż 13°C cyna występuje jako odmiana alfa, która rozsypuje się powoli. Zjawisko to nazywa się :trądem cynowym. Jeśli kawałkiem cyny, która się rozpada dotkniemy cyny nie ulegającej rozpadowi to ona także zacznie się rozpadać, co powoduje autokataliza przemiany fazowej.

• Otrzymywanie węglowców:

W laboratorium węgiel jest otrzymywany przez prażenie sacharozy. Cukier ogrzewany jest w żelaznym naczyniu, które ma malutki otwór przez który zachodzi odpływ pary wodnej i który zapobiega dostaniu się tlenu z atmosfery. Proces ten można przedstawić za pomocą równania:

C₁₂H₂₂O₁₁ = 12C + 11H₂O

Na skalę przemysłową węgiel jest otrzymywany z węgli kopalnych (otrzymujemy węgiel w postaci koksu), na skutek termicznego rozkładu drewna (jako sadza), z węgli kopalnych albo z sadzy otrzymuje się węgiel w postaci grafitu i jako diament z grafitu (ciśnienie 20 GPa, temperatura 4000°C).

Metoda otrzymywania krzemu w laboratorium to redukcja krzemionki magnezem:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

Krzem na skale przemysłową także otrzymuje się z krzemionki jednak do redukcji używane są tańsze od magnezu substancje, np. węglik wapnia lub węgiel.

Inne pierwiastki z grupy węglowców są otrzymywane w podobny sposób (na skutek odtleniania węglem odpowiednich dwutlenków). Ołów jest otrzymywany z siarczku ołowiu PbS na drodze elektrolizy.

• Zastosowanie węglowców:

Koks jest stosowany na bardzo dużą skalę w hutnictwie oraz do odtleniania ud metali. Pewna ilość węgla jest przerabiana na tlenek węgla CO, który jest podstawowym substratem w wielu syntezach. Węgiel jest również wykorzystywany do ogrzewania. Sadzę stosuje się do produkcji tuszu, farb drukarskich i pasty do butów. Jest ona także materiałem adsorpcyjnym. Grafit ze względu na swoje duże przewodnictwo elektryczne znalazł zastosowanie w przemyśle elektrochemicznym (do produkcji elektrod) oraz przemyśle elektrotechnicznym. Wyrabia się z niego także tygle chemiczne i ołówki. Diament wykorzystywany jest do produkcji świdrów stosowanych w górnictwie, jako materiał ścierny, w wiertnictwie i do szlifowania.

German i krzem używane są do wyrobu półprzewodników. Krzem stanowi także składnik wielu stopów, a także służy do odtleniania niektórych gatunków stali.

Ołów służy do produkcji rurociągów do kwasu siarkowego(IV), kwasu siarkowego(VI) i kwasu fosforowego(V). Stosowany jest także do wykładani wież i komór , które wykorzystywane są do produkcji wapna bielącego, celulozy i kwasu siarkowego. Ekrany wykonane z ołowiu chronią przed działaniem promieniowania rentgenowskiego o promieniowania gamma w laboratoriach naukowych i placówkach leczniczych. Z ołowiu wyrabia się także szkło ołowiowe, płyty akumulatorowe, rdzenie pocisków karabinowych i stop używany w drukarstwie. Ołów jest także surowcem do otrzymywania różnych związków chemicznych w skład których wchodzi.

• Właściwości chemiczne:

Węglowce to pierwiastki bardzo mało reaktywne pod względem chemicznym. Pomimo tego, że węgiel tworzy ogromną liczbę związków chemicznych, w stanie wolnym jest on mało reaktywny. W temperaturze pokojowej węgiel nie reaguje z żadnym innym pierwiastkiem. W podwyższonej temperaturze ulega reakcji z fluorem, siarką, tlenem oraz z metalami z grupy litowców, berylowców i borowców. Żarzący się koks łączy się z parą wodną tworząc mieszaninę wodoru i tlenku węgla, zwaną gazem syntezowym.

C + H₂O = CO + H₂

Z powodu małej elektroujemności oraz czterech elektronów na powłoce walencyjnej, pierwiastki z grupy węglowców wykazują małą tendencję do tworzenia czteroujemnych i czterododatnich jonów. Cyna i ołów, które są pierwiastkami metalicznymi występują w kryształach soli oraz roztworach jako kationy dwudodatnie. Związki zawierające węglowce na czwartym stopniu utlenienia posiadają wiązania kowalencyjne. Charakterystycznym stopniem utlenienia pierwiastków czternastej grupy układu okresowego jest +IV. Węgiel może występować także na -IV stopniu utlenienia (np. w metanie, węglikach), oraz na +II (w tlenku węgla CO). +II stopień utlenienia w przypadku węgla jest wyjątkowy, jednak dla ołowiu i cyny, które są metalami ten stopień utlenienia jest charakterystyczny.

Niemetale należące do węglowców łączą się z metalami i tworzą węgliki, krzemiki, które posiadają różne właściwości i struktury. Do węglików zaliczane są np. węglik wapnia CaC₂ (zwany potocznie karbidem) i węglik glinu Al₄C₃. Związki te otrzymywane są na skutek ogrzewania odpowiedniego metalu albo tlenku tego metalu z węglowodorami lub z węglem:

CaO + 3C = CaC₂ + CO

W wyniku reakcji z wodą węgliki dają węglowodory:

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂

W wyniku spalania węgla w tlenie albo w powietrzu powstaje tlenek węgla CO, gdy spalanie zachodzi przy niedostatecznej ilości tlenu, albo dwutlenek węgla CO₂. Tlenek węgla to palny gaz, który w temperaturze 700°C spala się do dwutlenku węgla. Tlenek węgla pali się niebieskim płomieniem. Dwutlenek węgla jest to tlenek kwasowy, natomiast tlenek węgla zalicza się do obojętnych, chociaż tlenek węgla w wyższej temperaturze ulega reakcji z wodorotlenkiem sodu.

Tlenki wszystkich pozostałych węglowców mają podobny skład do dwutlenku węgla i tlenku węgla. Tlenek krzemu SiO, który jest nietrwały jest tlenkiem obojętnym. Dwutlenek krzemu SiO₂ nie ulega reakcji z wodą, ale jest on bezwodnikiem wielu kwasów, między innymi kwasu metakrzemowego H₂SiO₃, który potocznie nazywany jest kwasem krzemowym. Kwas metakrzemowy powstaje jako biała, trudno rozpuszczalna zawiesina w reakcji kwasów i rozpuszczalnych krzemianów (np. ze szkłem wodnym):

Na₂SiO₃ + 4HCl = 2NaCl + H₂SiO₃

Reakcja z dwutlenkiem węgla przebiega bardzo podobnie:

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = Na₂CO₃ + H₂SiO₃

Powyższa reakcja potwierdza, że kwas krzemowy to słabszy elektrolit niż kwas węglowy.

Kwas krzemowy to nietrwały związek, a ogrzewanie naczynia, w którym znajduje się zawiesina tego kwasu powoduje powstanie galaretowatego, białego osadu dwutlenku krzemu:

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O

Jeżeli do świeżo wytraconego kwasu dodamy mocnej zasady, to z powrotem otrzymamy krzemian sodu:

H₂SiO₃ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + 2H₂O

Dwutlenek krzemu reaguje jedynie z kwasem fluorowodorowym i wykazuje odporność na działanie czynników chemicznych. Reakcję taką wykorzystuje się w trawieniu napisów w szkle. W wyniku stopienia w 2000°C dwutlenku krzemu z węglem otrzymamy wyjątkowo trwały węglik krzemu, zwany karborundem. Znalazł on zastosowanie jako materiał szlifierski. Stapianie krzemionki z węglanem albo wodorotlenkiem litowca prowadzi do powstania rozpuszczalnych krzemianów:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂

Trudno rozpuszczalne w wodzie i barwne krzemiany metali ciężkich mogą być strącone z roztworu krzemianu sodu w wyniku dodania azotanu.

W przyrodzie spotykanych jest bardzo dużo krzemianów, które zawierają inne aniony niż SiO₃^2-. Wyodrębnienie kwasów, które odpowiadają tym anionom nie było jednak możliwe, ponieważ rozkładają się one na wodę oraz dwutlenek krzemu. Najczęściej spotykane są sole następujących kwasów:

H₄SiO₄ kwas ortokrzemowy

H₆Si₂O₇ kwas ortodwukrzemowy

H₂SiO₃ kwas metakrzemowy

H₂Si₂O₅ kwas metadwukrzemowy

Kwasy polikrzemowe mają ogólny wzór nSiO₂ × mH₂O, gdzie n to liczba moli SiO₂, które są hydratowane przez m moli H₂O.

Kwasowość tlenków węglowców maleje w szeregu GeO, SnO, PbO. Tlenki PbO i SnO należą do tlenków amfoterycznych i tworzą one odpowiednio sole ołowiu (ołowiany) i cyny (cyniany).Tlenki, w których węglowce występują na +II stopniu są mniej kwasowe od swoich analogów, zawierających węglowce na +IV stopniu utlenienia. Właściwości kwasowe maleją również w następującym szeregu: GeO2>SnO2>PbO2. Dwutlenek cyny i dwutlenek ołowiu są amfoteryczne.

Pierwiastki należące do grupy węglowców tworzą wodorki EH₄, w których występują wiązania kowalencyjne. Poza tym węgiel wchodzi w skład ogromnej liczby węglowodorów, które mają zarówno budowę łańcuchową jak i pierścieniową. Węglowodorami zajmuje się chemia organiczna. Poza tym spotykane są krzemowodory, zwane silanami i germanowodory, będące analogami odpowiednich węglowodorów łańcuchowych. Jeżeli chodzi o cynę i ołów to znane są tylko jedne wodorki, w skład których wchodzą te pierwiastki (cynowodór i ołowiowodór). Właściwości metanu CH₄ są bardzo odmienne od właściwości wodorków typu EH₄ pozostałych węglowców. Jest to spowodowane różnicami elektroujemności węglowców i wodoru.

Najważniejszymi związkami węgla są: tlenki węgla, metan, węglan sodu, węglan wapnia. Natomiast ważnymi połączeniami krzemu są minerały, w skład których wchodzi krzem oraz krzemionka.

Dwutlenek węgla jest bezbarwnym gazem. Nie jest on toksyczny, nie posiada smaku i nie pali się. W wodzie rozpuszcza się w sposób umiarkowany. Dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie daje kwas węglowy. Jednak tylko mała część rozpuszczonego CO₂ w wodzie daje kwas węglowy. Kwas węglowy H₂CO₃ jest słaby i nietrwały. Tworzy dwa rodzaje soli: wodorowęglany i węglany. CO₂ występuje w atmosferze oraz w hydrosferze. Gaz ten w wysokiej temperaturze reaguje z metalami. W przyrodzie zachodzi nieustanny obieg dwutlenku węgla. Bierze on udział w fotosyntezie. Dwutlenek węgla znalazł zastosowanie w chłodnictwie i sporządzaniu napojów gazowanych. Do celów laboratoryjnych możne być otrzymywany poprzez działanie na dowolny węglan kwasem solnym lub kwasem siarkowym. Do celów przemysłowych dwutlenek węgla jest otrzymywany w wyniku termicznego rozkładu węglanu wapnia:

CaCO₃ = CaO + CO₂

Tlenek węgla CO to bezwonny, bezbarwny gaz. Jest on trochę lżejszy od powietrza i trujący. Słabo rozpuszcza się w wodzie i jest palny. Tlenek węgla zwany potocznie czadem, powstaje w wyniku niecałkowitego spalania paliw organicznych. Na skalę laboratoryjną otrzymywany jest poprzez rozkład kwasu mrówkowego, który zachodzi pod wpływem ogrzewania wraz ze stężonym kwasem siarkowym.

HCOOH = CO + H₂O