Węglowce – węgiel Ogólna charakterystyka węglowców Węgiel i jego odmiany alotropowe Ważniejsze związki węgla

Ogólna charakterystyka węglowców Węgiel jest niemetalem, krzem i german są półmetalami, natomiast cyna i ołów są metalami Promień atomowy węglowców wzrasta w grupie wraz ze wzrostem liczby atomowej Z, energia jonizacji maleje w grupie wraz ze wzrostem liczby atomowej Z Węgiel wykazuje tendencję do tworzenia wiązań kowalencyjnych, typowe stopnie utlenienia węgla +II, +IV oraz –IV W grupie, wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastki wykazują malejącą trwałość stopnia utlenienia +IV, trwałe stopnie utlenienia cyny i ołowiu wynosi +II

Węgiel - występowanie Węgiel w przyrodzie występuje w stanie wolnym i związanym: stan wolny – grafit i diament Stan związany – CO, CO2, sole kwasu węglowego(IV) – węglany , związki organiczne, paliwa kopalne, Węgiel w związkach przyjmuje typowe stopnie utlenienia +IV i –IV, nie tworzy jonu prostego C4+, może tworzyć jony C4- (np. metanki – Al4C3), C22- ( np. acetylenki – Na2C2, CaC2, BaC2), są to związki typu soli (węgliki jonowe)

Odmiany alotropowe węgla Diament Grafit Fulleren *bezbarwny, (zanieczyszczone - żółty, brunatny, czarny, rzadki zielony, nibieski lub czerwony) , *kryształy kruche, ale bardzo twardy, *at. C na hybrydyzacji sp3, atomy tkwią w narożach tetraedru powiązane pojedynczymi wiązaniami kowalencyjnymi z czteroma sąsiadującymi at. C *ciemnoszary, nieprzezroczysty z metalicznym połyskiem, *kryształy miękkie, łupliwe, tłusty w dotyku *at. C na hybrydyzacji sp2, płaskie warstwy zbudowane z 6-cioczłonowych pierścieni atomów węgla, zhybrydyzowane orbitale tworzą wiązania pomiędzy atomami C, elektrony niezhybrydyzowane p tworzą rozmytą chmurę elektronową, pomiędzy warstwami działają słabe siły van der Vaalsa *żółtobrązowy, *at. C na hybrydyzacji sp2, puste, zamknięte sieci zbudowane ze stykających się foremnych pięcio i sześcioczłonowych pierścieni atomów węgla,

Odmiany alotropowe węgla - cd Diament Grafit Fulleren * nie przewodzi prądu elektrycznego, przewodzi ciepło, * odporny na działanie powietrza, wody, kwasów nieutleniających i zasad, ogrzewany bez dostępu powietrza do temp ok. 2000oC przekształca się w grafit * dobrze przewodzi bardzo dobrze prąd elektryczny i ciepło, * odporny na działanie powietrza i wody, w podwyższonej temp. reaguje z fluorem i silnymi utleniaczami (HNO3, KMnO4,) oraz z litowcami, pod ciśnieniem 6-9GPa i w temp. 3000oC przekształca się w diament * półprzewodnik, * rozpuszcza się w węglowodorach alifatycznych i aromatycznych , w podwyższonej temp. reaguje z tlenem, wodorem, fluorem, chlorem, bromem, siarką i litowcami, w warunkach dużego ciśnienia i w wysokich temp. przekształca się w grafit lub diament

Odmiany alotropowe węgla - cd Diament Grafit Fulleren

Właściwości węgla Reakcje węgla z tlenem – grafit jest bardziej reaktywny niż diament, niezależnie od odmiany alotropowej spala się: 2C + O2  2CO C + O2  CO2 Węgiel w podwyższonej temp. reaguje z fluorem, chlorem, tworząc związki o ogólnym wzorze CX4, wodorem, siarką -CS2; azotem -(CN)2 i metalami głównie grupy 1, 2 i 13 tworząc metanki, acetylenki, allilki – węgliki jonowe, rozpuszcza się w ciekłym żelazie

Węgiel – zastosowanie Diament – utwardzanie wierteł, materiał szlifierski i tnący, jubilerstwo, Grafit – produkcja elektrod do ogniw i elektrolizerów, smary odporne na wysokie temperatury, cegły i tygle ogniotrwałe, produkcja farb drukarskich i tuszu, konstrukcja bomb grafitowych do niszczenia napowietrznych instalacji elektrycznych, moderator w reaktorach jądrowych Fulleren – materiały półprzewodnikowe i nadprzewodzące, polimery fotoprzewodzące

Węgiel – ważniejsze związki Tlenek węgla(II) – CO: bezbarwny, bezwonny gaz, o gęstości mniejszej od gęstości powietrza, bardzo trudno rozpuszczalny w wodzie, silnie trujący Gaz palny, pali się niebieskim płomieniem, ma właściwości redukujące FeO + CO  Fe + CO2 Wobec wody jest obojętny, w temp. ok. 280oC ulega konwersji : CO + H2O(g)  CO2 + H2 Na gorąco reaguje z roztworami mocnych zasad: CO + NaOH(aq)  HCOONa

Węgiel – ważniejsze związki - cd Tlenek węgla(IV) – CO2: gaz bezbarwny, bezwonny i bez smaku, o gęstości większej od gęstości powietrza, łatwo ulega skropleniu i zestaleniu pod zwiększonym ciśnieniem – suchy lód, w warunkach normalnego ciśnienia sublimuje w temp. -78oC CO2 trudno rozpuszcza się w wodzie, część rozpuszczonego tworzy kwas węglowy(IV) CO2.H2O(aq) lub H2CO3(aq) CO2 jest biernym chemicznie gazem, o słabych właściwościach utleniających, można go zredukować tylko silnymi reduktorami CO2 + Mg  MgO + CO; CO2 + C  2CO

Węgiel – ważniejsze związki - cd Otrzymywanie tlenków węgla: CO 1. Spalenie węgla przy ograniczonym dostępie tlenu: 2C + O2  2CO 2. Redukcja tlenku węgla(IV) CO2 + C  2CO 3. Działaniem pary wodnej na koks C + H2O  CO + H2 4. Dehydratacja (odwodnienie) kwasu metanowego stężonym H2SO4 HCOOH  CO + H2O

Węgiel – ważniejsze związki - cd Otrzymywanie tlenków węgla: CO2 1. Spalanie węgla przy pełnym dostępie tlenu C + O2  CO2 2. Spalanie CO 2CO + O2  2CO2 3. Wypieranie z soli węglanowych(IV) MgCO3 + 2HCl  MaCl2 + CO2 + H2O 4. Termiczny rozkład soli węglanowych(IV) CaCO3  CaO + CO2 5. Produkt uboczny fermentacji alkoholowej, spalania związków organicznych

Węgiel – ważniejsze związki - cd Budowa cząsteczki CO: cząsteczka zwiera wiązanie potrójne (przy założeniu, że atomy występują na hybrydyzacji sp obu atomów), dwa wiązania kowalencyjne spolaryzowane utworzone przez uwspólnienie elektronów atomu C i O oraz trzecie koordynacyjne utworzone przez parę elektronową pochodzącą od atomu tlenu IC = OI

Węgiel – ważniejsze związki - cd Zastosowanie CO: składnik gazu generatorowego (CO + N2), gazu wodnego (CO + H2). Tlenek w mieszaninie z wodorem jest wykorzystywany do syntez chemicznych, między innymi do produkcji metanolu: (katalizator Cr2O3, CuO): CO + 2H2  CH3-OH Zastosowanie CO2: wypełnianie gaśnic śniegowych (skroplony pod wysokim ciśnieniem), pianowych (dwa zbiorniki wypełnione: I roztwór Na2CO3 + środek pianotwórczy; II rozcieńczony H2SO4, po uruchomieniu gaśnicy Na2CO3 + H2SO4  Na2SO4 + CO2 + H2O) w chłodnictwie w postaci suchego lodu, produkcja gazowanych napojów, mocznika

Węgiel – ważniejsze związki - cd Kwas węglowy(IV) H2CO3 (hydrat CO2) – otrzymuje się przez rozpuszczenie w wodzie CO2, tylko 0,1% gazu wchodzi w reakcję z wodą, powstaje bardzo słaby kwas dwuprotonowy (dwuwodorowy) H2CO3, jest to kwas nietrwały, ulega rozkładowi z wydzieleniem CO2, stężenie w roztworze dochodzi do 0,002% CO2(g) + H2O ↔ CO2(aq) + H2O(c) ↔ HCO3- + H+ ↔ CO32- + 2H+ Kwas ten ulega dwustopniowej dysocjacji, więc może utworzyć dwa rodzaje soli: wodorowęglany i węglany, np. NaHCO3 i Na2CO3

Węgiel – ważniejsze związki - cd Wodorowęglany i wodorowęglany: węglany i wodorowęglany litowców (oprócz litu) oraz amonu są rozpuszczalne w wodzie, ulegają hydrolizie anionowej, wodne roztwory tych soli mają odczyn zasadowy: HCO3- + H2O  H2CO3 + OH- CO32- + H2O  HCO3- + 2OH- Termiczny rozkład soli kwasu węglowego: CaCO3(s)  CO2(g) + CaO(s) 2NaHCO3(s)  Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g) (NH4)2CO3(s)  2NH3(g) + CO2(g) + H2O(g) Wodorowęglan sodu i węglan amonu stosowane są jako środki spulchniające w piekarnictwie

Węgiel – ważniejsze związki - cd Cyjanowodór (kwas pruski) – HCN: bezbarwna lotna ciecz, o zapachu gorzkich migdałów, w wodzie rozpuszcza się w dowolnych stosunkach, wodny roztwór ma odczyn kwasowy, jest słabszy od kwasu węglowego HCN + H2O  H3O+ + CN- HCN występuje w dwóch odmianach izomerycznych, w stanie równowagi, w temp. pokojowej 99% cyjanowodór i 1% izocyjanowodór: H – C ≡ N: ↔ :C ≡ N – H cyjanowodór izocyjanowodór Cyjanowodór i cyjanki są bardzo silnymi truciznami

Węgiel – ważniejsze związki - cd Otrzymywanie HCN: 2KCN + H2SO4  2HCN + K2SO4 Hg(CN)2 + H2S  2HCN + HgS (przepuszczanie siarkowodoru na cyjankiem rtęci w temp. wyższej od temp. pokojowej) Sole kwasu cyjanowodorowego: cyjanki litowców i berylowców oraz rtęci są dobrze rozpuszczalne w wodzie, wodne roztwory cyjanków metali grupy 1 i 2 mają odczyn zasadowy, ulegają hydrolizie anionowej CN- + H2O  HCN + OH- Jony cyjankowe bardzo łatwo łączą się z jonów metali bloku d, tworząc związki kompleksowe, cyjanki stosuje się w chemii analitycznej, do otrzymywanie złota i srebra (rozpuszczalne związki kompleksowe) , w procesach pozłacania i posrebrzania metali

Węgiel – ważniejsze związki - cd Węgliki – związki węgla z pierwiastkami wykazującymi niższą elektroujemność od węgla, związki węgla z metalami, krzemem oraz bromem, najważniejszą grupę stanowią węgliki jonowe, czyli węgliki typu soli (węgliki metali grupy 1, 2 oraz 13), otrzymuje się je przez ogrzewanie metalu lub jego tlenku z węglem lub węglowodorem Ze względu na produkt hydrolizy, węgliki dzieli się na: metanki, acetylenki i allilki

Węgiel – ważniejsze związki - cd Metanki (jon C4-): Al4C3, w wodzie lub kwasie chlorowodorowym ulegają hydrolizie, produktem jest metan Al4C3 + 12H2O  3CH4 + 4Al(OH)3 Al4C3 + 12HCl  3CH4 + 4AlCl3 Acetylenki (jon C22-): Na2C2, BaC2, CaC2, Al2C6, w wodzie ulegają hydrolizie, produktem jest acetylen (etyn) CaC2 + 2H2O  CH ≡ CH + Ca(OH)2 Allilek (jon C34-): Mg2C3, w wodzie ulega hydrolizie, produktem jest propyn Mg2C3 + 2H2O  2MgO + CH ≡ C – CH3