DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół nr 1 w Iłowie-Osadzie ID grupy: 96_3_mp_g1 Opiekun: Ewa Jolanta Pawłowska Kompetencja: Matematyczno-przyrodnicza Temat projektowy: Ten co mieszka w 14 grupie i w 2 okresie Semestr/rok szkolny: I/2011/2012

Budowa atomu węgla

Położenie atomu węgla w układzie okresowym pierwiastków Węgiel jest pierwiastkiem chemicznym, który znajduje się w 14 grupie i 2 okresie.

Budowa atomu węgla Jądro atomu węgla jest zbudowane z 6 protonów i 6 neutronów, a na 2 powłokach znajduje się 6 elektronów, z czego na powłoce walencyjnej 4. Stąd wniosek, że maksymalna wartościowość węgla wynosi IV.

Odmiany alotropowe węgla

Odmianami alotropowymi węgla są: Diament Grafit Fulereny

DIAMENT

Właściwości diamentu W stanie czystym tworzy bezbarwne i przezroczyste kryształy, bardzo twarde, silnie łamiące światło, nie przewodzące prądu elektrycznego. W sieci przestrzennej diamentu każdy z atomów węgla jest otoczony przez cztery inne atomy, których środki ciężkości wyznaczają czworościan foremny. Wszystkie wiązania chemiczne w sieci przestrzennej diamentu są wiązaniami kowalencyjnymi. Długość tych wiązań jest jednakowa i wynosi 154pm. Taka sama jest długość wiązania między atomami węgla w cząsteczce etanu. Pod względem chemicznym diament jest bardzo mało aktywny nawet w dużych temperaturach. Ulega powolnemu spalaniu w powietrzu dopiero powyżej temperatury wynoszącej 1100K w czystym tlenie spalanie ma bardziej gwałtowny przebieg. Diamenty nie ulegają działaniu zasad i kwasów. Natomiast ulega reakcji ze stopioną saletrą i stopionym węglanem sodu.

Występowanie Diamenty zawierające obce domieszki są zabarwione na żółto, brunatno, fioletowo lub zielono, a w Brazylii znajdują się diamenty zabarwione nawet na czarno (karbonado). Diament krystalizuje w wysokich temperaturach i ciśnieniach panujących głęboko pod powierzchnią Ziemi. Spotykano go też w meteorytach, gdzie być może powstaje w wyniku metamorfizmu uderzeniowego. Diamenty występują na Borneo, w Indiach Wschodnich, Meksyku, Kalifornii i w Afryce.

Wykorzystywanie diamentów Ciężar diamentów mierzy się w jednostkach zwanych karatami, przy czym jeden karat waży 0,2g. Oszlifowane diamenty zwane brylantami, odznaczają się przepiękną grą świateł i są uważane za najpiękniejsze kamienie szlachetne. Diament niezwykle silnie załamuje światło, a także bardzo silnie je rozszczepia. Okazy diamentów, które nadają się do celów jubilerskich spotykane są stosunkowo rzadko. Przeważająca część wydobywanych diamentów używana jest do celów technicznych: szlifowania bardzo twardych ciał, cięcia szkła, wyrobu ostrzy do świdrów górniczych, a także łożysk do osi w precyzyjnych przyrządach.

GRAFIT

Właściwości grafitu Grafit to druga odmiana alotropowa węgla. Występuje także w postaci minerału. Jest czarno-szarym ciałem stałym, o słabym metalicznym połysku; tłusty w dotyku, miękki i bardzo dobrze przewodzący ciepło i elektryczność. Gęstość grafitu wynosi 2,1-2,3g/cm3. Sieć przestrzenna grafitu zbudowana jest z równoległych warstw, w obrębie których atomy węgla wykazują liczbę koordynacyjną 3. Wiązania między atomami węgla w sieci przestrzennej maja długość 142pm. Kąt między wiązaniami wynosi 120°. Odległość dwóch sąsiadujących ze sobą warstw wynosi 335pm. Grafit ze względu na słabe powiązanie warstw, charakteryzuje się dobrą łupliwością w kierunku do nich równoległym, a co za tym idzie wykazuje on bardzo małą twardość. Grafit nie koroduje i jest antystatyczny. Jest mało aktywny chemicznie, chociaż bardziej reaktywny niż diament. Grafit spala się w powietrzu po ogrzaniu do temperatury około 1000K.

Występowanie, wykorzystywanie grafitu Grafit występuje w większej ilości przede wszystkim na wyspie Cejlon, Madagaskarze, Syberii, Korei, w Stanach Zjednoczonych i Kalifornii. Grafit znalazł bardzo wiele zastosowań. Odporność grafitu z niewielką domieszką gliny na wysokie temperatury spowodowała, że jest on wykorzystywany do produkowania tygli chemicznych. Używa się go również do wyrobu elektrod dla przemysłu elektrochemicznego oraz elektrometalurgicznego, co jest związane z jego dobrym przewodnictwem elektrycznym. Znalazł również zastosowanie do wyrobu ołówków; w formie zawiesiny w oleju maszynowym jest stosowany jako smar do mechanizmów pracujących w wyższych temperaturach. Dawniej za odmianę alotropową węgla uważano także sadzę. Jest ona czarnym, miękkim ciałem stałym. Sadza składa się z drobnych cząsteczek grafitu. W skali przemysłowej otrzymuje się ją przez rozkład termiczny węglowodorów lub w procesie ich niecałkowitego spalania. Znajduje ona zastosowanie do wyrobu tuszu, farb drukarskich i malarskich, a także do wypełniania kauczuku.

FULERENY

Właściwości fulerenów Składają się z parzystej ilości atomów węgla. To kolejna odmiana alotropowa węgla, która została odkryta stosunkowo niedawno. Ich kształt często przypomina kulę lub sferoidę. Fulereny to miękkie żółte lub brązowe kryształki, które łatwo sublimują i są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast rozpuszczone w benzynie przybierają czerwoną barwę. Gęstość fulerenów wynosi 1,65 g/cm3. Fulereny mają też właściwości półprzewodnikowe oraz nadprzewodnikowe. Najtrwalsze i najczęściej spotykane fulereny to: C60 i C70. Ten pierwszy jest nazywany futbolanem ze względu na kształt, który dla piłki futbolowej jest taki sam. Mówiąc bardziej naukowo, C60 to dwudziestościan o ściętych wierzchołkach, w ten sposób, że cząsteczkę tworzy 12 pierścieni pentagonalnych i 20 heksagonalnych. Jest półprzezroczysty. Nazwa fulereny została nadana na cześć budowniczego Buckminstera Fullera, który skonstruował kopuły do złudzenia przypominające odkryte związki.

Występowanie fulerenów Fulereny naturalnie można spotkać w szungicie (minerał – występuje głównie w Rosji) i strzałkach piorunowych - tworach powstałych w miejscu uderzenia pioruna w ziemię.

Gatunki węgla Wyróżnia się kilka gatunków węgli kopalnych, w zależności od zawartości pierwiastka węgla: torf (<60%) węgiel brunatny (62-75%) węgiel kamienny (75-97%) antracyt (92-95%) szungit (do 99%)

Torf Torf – skała osadowa powstała w wyniku zachodzących w szczególnych warunkach przemian obumarłych szczątków roślinnych, najmłodszy węgiel kopalny. Zawiera mniej niż 60% węgla. Torf jest utworem będącym efektem niepełnego rozkładu szczątków roślinnych, zachodzącego w warunkach długotrwałego lub stałego zabagnienia wierzchniej warstwy gleby. Torf składa się z nierozłożonych szczątków roślin, oraz bezstrukturalnej (amorficznej) masy humusu. Torf jest w różnym stopniu nasycony substancjami mineralnymi. Najczęściej jest to piasek, czasami wytrącone związki żelaza, rzadko związkami fosforu.

Węgiel brunatny Węgiel brunatny – skała osadowa pochodzenia organicznego roślinnego powstała w neogenie, w erze kenozoicznej ze szczątków roślin obumarłych bez dostępu powietrza. Zawartość węgla 62-75%. Często stosowany jako paliwo. Jego wartość opałowa waha się od 7,5 do 21 MJ/kg. Węgiel brunatny jest nieodnawialnym źródłem energii.

Węgiel kamienny Węgiel kamienny – skała osadowa pochodzenia roślinnego, zawierająca 75-97% pierwiastka węgla, powstała głównie w karbonie (era paleozoiczna) ze szczątków roślinnych, które bez dostępu tlenu uległy uwęgleniu. Ma czarną barwę, matowy połysk, czarną rysę. Węgiel kamienny stosowany jest powszechnie jako paliwo. Jego wartość opałowa waha się od 16,7 do 29,3 MJ/kg i silnie zależy od jego składu (zawartości popiołu, siarki, wilgotności). Wartość opałowa czystego pierwiastka węgla wynosi ok. 33,2 MJ/kg. Węgiel kamienny jest nieodnawialnym źródłem energii.

Antracyt Antracyt – odmiana węgla kopalnego, zawierająca 92- 95% węgla pierwiastkowego oraz małą ilość substancji lotnych. Antracyt ma czarną (lub czarno-szarą) barwę, a także silny, metaliczny połysk. Charakteryzuje się wysokim ciepłem spalania oraz (w przeciwieństwie do węgla kamiennego) przewodnictwem prądu. W Polsce jego niewielkie ilości występują w Dolnośląskim Zagłębiu Węglowym.

Szungit Szungit – rodzaj bezpostaciowego węgla kopalnego o najwyższej zawartości pierwiastka węgla (do 99% masy). Pośredni między antracytem a grafitem. Posiada czarne zabarwienie, intensywnie błyszczy. Występuje w proterozoicznych osadach w okolicy miejscowości Szunga w północno-zachodniej Rosji (stąd nazwa), znany jest także z obszarów: Szwecji, Kanady i Indii. Stosowany w przemyśle chemicznym.

ZWIĄZKI WĘGLA NIEORGANICZNE ORGANICZNE

ZWIĄZKI NIEORGANICZNE : Tlenek węgla (II) CO, Tlenek węgla (IV) CO2, Kwas węglowy H2CO3, Węglany: sole kwasu węglowego.

ZWIĄZKI ORGANICZNE WĘGLOWODORY POCHODNE WĘGLOWODORÓW NASYCONE ( alkany) NIENASYCONE alkeny alkiny

POCHODNE WEGLOWODORÓW: ALKOHOLE, KWASY KARBOKSYLOWE, ESTRY, AMINY, AMINOKWASY, BIAŁKA, CUKRY( GLUKOZA, SKROBIA, CELULOZA), TŁUSZCZE.

Ignacy Łukasiewicz Ignacy Łukasiewicz (wg metryki: Jan Józef Ignacy), znany powszechnie jako wynalazca lampy naftowej. Nie jest to jednak ani jedyny, ani nawet najważniejszy jego tytuł do sławy. Był bowiem Łukasiewicz przede wszystkim twórcą polskiego górnictwa i przemysłu naftowego. Jego osiągnięcia w tej dziedzinie były pionierskie w skali światowej.

Osiągnięcia Ignacego Łukasiewicza Wymyślenie nowej techniki oświetlenia za pomocą ropy naftowej- lampa naftowa Założenie pierwszej na świecie kopalni ropy naftowej Założył Towarzystwo Naftowe w Gorlicach Uruchomił rafinerię (po pożarze) destylarnię

Lampa naftowa Lampa naftowa była kilkakrotnie bardziej wydajna od zwykłych świec, a tańsza w eksploatacji od olejów i oświetlenia gazowego. Do powszechnego użytku weszła w latach 1860-1865. Największa w Europie kolekcja lamp naftowych znajduje się w Muzeum Podkarpackim w Krośnie.

Ropa naftowa Ropa naftowa dawniej była nazywana olejem skalnym, ze względu na miejsce jej występowania. Stanowi gęstą, oleistą ciecz o charakterystycznym zapachu. Nie rozpuszcza się w wodzie. Jest substancją palną.

Ropa naftowa cd. Pod względem chemicznym ropa naftowa to mieszanina węglowodorów w stanie stałym, ciekłym i gazowym, które wzajemnie się rozpuszczają. Jej głównymi składnikami są: alkany, cykloalkany, węglowodory aromatyczne oraz w niewielkim stopniu alkeny. Wśród nich można wymienić kilka najważniejszych: - butan (C4H10) - pentan (C5H12) - heksan (C6H14) - heptan (C7H16) - oktan (C8H18) - dodekan (C12H26) - pentadekan (C15H32) - oktadekan (C18H38) - pentakozan (C25H52) - tetrakontan (C40H82)

Destylacja (Rektyfikacja) ropy naftowej Rektyfikacja – jest procesem , w którym mieszanina ciekła jest rozdzielana na frakcje o różnej (zwykle zbliżonej) lotności.

Jak przebiega destylacja ? Wstępnie oczyszczona: odgazowana i odwodniona ropa surowa, jest następnie poddawana tzw., destylacji frakcyjnej. Proces ten prowadzony jest w wielkiej wieży, metodą rurowo - wieżową. Pierwszy etap destylacji stanowi podgrzanie ropy surowej do temperatury ok. 350 ºC. W tej temperaturze większość składników ropy naftowej przechodzi w stan gazowy. Unoszące się do góry pary ulegają ochłodzeniu. Obowiązuje zasada, że im wyżej w wieży destylacyjnej, tym niższa panuje temperatura. Składniki ropy w zależności od temperatury skraplania przechodzą w ciecz i osadzają się na tzw. półkach destylacyjnych. Dzięki destylacji frakcyjnej można otrzymać kilka różnych frakcji, czyli grup składników o podobnych temperaturach wrzenia.

Etapy przetwarzania ropy naftowej GAZY RAFINERYJNE (do tej grupy składników ropy naftowej zalicza się węglowodory lekkie, o krótkich łańcuchach węglowych, charakteryzują się niskimi temperaturami wrzenia) : Eter naftowy - stanowi mieszaninę lekkich węglowodorów, których cząsteczki nie przekraczają sześciu atomów węgla. W procesie destylacji zbiera się go do temperatury ok. 70 º C. Gęstość eteru wynosi maksymalnie ok. 0,7 g/cm3. Znajduje zastosowanie jako rozpuszczalnik używany do ekstrakcji, a także jako benzyna apteczna.

Benzyna lekka - stanowi frakcję zbieraną w temperaturze ok Benzyna lekka - stanowi frakcję zbieraną w temperaturze ok. 60 do 100 ºC. Gęstość tej mieszaniny cieczy wynosi ok. 0,7 - 0,75 g/cm3. Jest stosowana przede wszystkim w lotnictwie, jako benzyna lotnicza. Benzyna ciężka - charakteryzuje się temperaturami wrzenia wahającymi się w granicach 100 - 150 ºC. Jej gęstość wynosi ok. 0,75 g/cm3. Benzyna ciężka jest powszechnie wykorzystywana jako benzyna samochodowa.

Nafta Stanowi frakcję ropy naftowej o temperaturze wrzenia ok. 215 - 280 ºC. Jest mieszaniną węglowodorów, których łańcuchy węglowe zawierają 9 - 16 atomów węgla. W temperaturze pokojowej jest cieczą o żółtawym zabarwieniu i charakterystycznym zapachu. Dzisiaj jest wykorzystywana jako dodatek do paliw używanych w silnikach odrzutowych.

Oleje naftowe - charakteryzują się temperaturami wrzenia, pod ciśnieniem atmosferycznym, powyżej 280 ºC. Stanowią mieszaniny węglowodorów, o łańcuchach węglowych o długości ok. 14 - 16 atomów węgla. Olej naftowy jest używany jako paliwo w silnikach Diesla. Olej ten często poddaje się destylacji próżniowej, w wyniku której otrzymywane są różne oleje, które znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle. Wśród nich można wymienić: oleje smarowe - są używane jako smary maszynowe, przekładniowe, silnikowe, hydrauliczne, czy turbinowe, olej parafinowy - służy do otrzymywania parafiny, wykorzystywanej do wyrobu świec.

Parafina stanowi mieszaninę alkanów o długich i prostych łańcuchach węglowych dochodzących do 35 atomów węgla przypadających na jedna cząsteczkę. Jest to ciało stałe, krystaliczne o białej barwie, pozbawione smaku i zapachu. Otrzymuje się ją w procesie wymrażania i krystalizacji olejów parafinowych. Oprócz produkcji świec znajduje zastosowanie w przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym, spożywczym oraz do impregnowania papieru i zapałek. Wazelina - mieszanina ciekłych i stałych węglowodorów o łańcuchach węglowych zawierających 22-23 atomów węgla. Powstaje w wyniku destylacji próżniowej niektórych gatunków rodzajów ropy naftowej. Jest stosowana jako smar, a także wykorzystywana w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym.

Występowanie węgla u zwierząt Aminokwasy – organiczne związki chemiczne zawierające zasadową grupę aminową -NH2 oraz kwasową grupę karboksylową –COOH.

Białka Wielkocząsteczkowe biopolimery zbudowane z reszt aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi -CONH-. Występują we wszystkich żywych organizmach oraz wirusach. Synteza białek odbywa się przy udziale specjalnych organelli komórkowych zwanych rybosomami.

Tłuszcze Tłuszcze – zwyczajowa nazwa grupy lipidów, estrów glicerolu i kwasów tłuszczowych. Reszty kwasowe występujące w cząsteczkach tłuszczów zawierają zwykle od 12 do 18 atomów węgla. Większość tłuszczów nie ma zapachu, jest nierozpuszczalna w wodzie i rozpuszczalnikach polarnych oraz dobrze rozpuszczalna w rozpuszczalnikach niepolarnych. Wszystkie tłuszcze są lżejsze od wody, pH tłuszczów jest obojętne. Ich stan skupienia zależy od tego, jakie reszty kwasowe tworzą cząsteczkę. Tłuszcze stałe zawierają nasycone reszty kwasowe o długich łańcuchach węglowych, natomiast tłuszcze ciekłe zawierają nienasycone reszty kwasowe (reszty, w których występują wiązania podwójne) lub reszty kwasowe o krótkich łańcuchach węglowych. Kwasy nienasycone występujące w naturalnych tłuszczach . Większość tłuszczów to estry mieszane, czyli takie, które w cząsteczce zawierają różne reszty kwasowe.

Węgiel w roślinach

Glukoza (cukier prosty) Cukry powstają w przyrodzie w zielonych częściach roślin z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy. Wytwarzane w ten sposób związki stanowią główny materiał budulcowy i zapasowy organizmów roślinnych, stanowią ok 80% suchej masy roślin. Zawartość cukrów w organizmach zwierzęcych jest znacznie mniejsza i wynosi ok. 2% ich suchej masy. Z tego względu syntezowane przez rośliny cukry są ważnymi substancjami pokarmowymi dla organizmów zwierzęcych.

Skrobia Skrobia – węglowodan, polisacharyd roślinny, składający się wyłącznie z merów glukozy, pełniący w roślinach rolę magazynu energii. Skrobia ma budowę ziarnistą. Skrobia jest głównym węglowodanem w diecie człowieka.

Celuloza (błonnik) W czystej postaci celuloza jest białą, pozbawioną smaku i zapachu, nierozpuszczalną w wodzie substancją. Jej trawienie umożliwia grupa enzymów zwanych celulazami.

Część modelu cząsteczki celulozy 7,,,,