|
Nie obrażaj więc mojej inteligencji poprzez czynione na pokaz zaniżanie własnej.
W szeregu pierwiastków należących do węglowców zaznacza się wyraźnie przejście od pierwiastków o charakterze niemetalicznym (C i Si) do pierwiastków o charakterze metalicznym (Sn i Pb). german (Ge) znajdujący się pośrodku grupy ma wszelkie cechy pierwiastka o właściwościach pośrednich. Wspólną ich cechą jest występowanie czterech elektronów walencyjnych w konfiguracji s2p2. Elektroujemność tych pierwiastków rośnie w górę grupy (maleje ze wzrostem liczby atomowej). Zdolność do tworzenia prostych kationów jest tym większa im mniejsza jest elektroujemność, i tym większa im więcej powłok zawiera pierwiastek. Sn, Pb ® amfoteryczne SnO2 + 4HCl ® SnCl4 + 2H2O SnO2 + 2KOH ® K2SnO3 + H2O SnO2 + H2O ® X
23. Stopnie utlenienia i charakter wiązań w związkach oraz wzrost trwałości niższych stopni utlenienia węglowców ze wzrostem liczby atomowej. Zbyt niska elektroujemność powoduje, że węglowce nie tworzą jonów ujemnych X–4. W postaci C2- węgiel występuje tylko w węglikach typu soli stanowiących połączenia węgla z metalami o małej elektroujemności. Uzyskanie trwałej konfiguracji elektronowej przez węglowce polega natomiast na tworzeniu 4 wiązań kowalencyjnych przy udziale orbitali ulegających hybrydyzacji tertagonalnej sp3. W przypadku węgla takie wiązania z wodorem, azotem, tlenem i ciężkimi halogenami wykazują dominujący charakter kowalencyjny (także z fluorem). Na stopniu utlenienia +4 wszystkie węglowce tworzą dwutlenki wykazujące własności kwasowe. Stopień utlenienia +4 staje się coraz mniej trwały w miarę jak zwiększa się liczba atomowa pierwiastka, węgiel i krzem (C i Si) na tym stopniu utlenienia +2 występują tylko wyjątkowo (Co, SiO). Nieco luźniejsze są połączenia germany (GeO, GeS, GeI2). Cyna (Sn) może występować w postaci jonów Sn2+ wykazujących jednak wyraźne własności redukujące. Związki ołowiu na tym stopniu (+2) są również jonowe. Para elektronowa ns2 w miarę wzrostu liczby atomowej staje się coraz bardziej bierną parą, nie biorącą udziału w tworzeniu wiązań. Węgiel wykazuje zdolność do tworzenia prostych, rozgałęzionych lub zamkniętych w pierścienie łańcuchów złożonych z atomów węgla, łańcuchy te są trwałe dzięki wysokiej energii wiązania C-C, dwukrotnie większej niż Si-Si lub Ge-Ge (są one nietrwałe). Natomiast wiązanie Si-O-Si-O są trwalsze od C-O-C Katenacja – zdolność tworzenia łańcuchów wieloatomowych.
24. Występowanie węgla; Rodzaje i charakterystyka węgli kopalnych: ropa naftowa, gaz ziemny, najważniejsze minerały nieorganiczne. Węgiel bezpostaciowy powstaje w wyniku termicznego rozkładu licznych substancji, występuje jako węgiel drzewny i kostny, sadza, koks itp. Właściwości węgli bezpostaciowych zależą od natury produktu wyjściowego oraz temperatury, w której przeprowadzono jego rozkład. Badania rentgenowskie wykazały że, składają się z bardzo małych krystalitów wykazujących silnie zdefektowaną sieć przestrzenną grafitu. W przypadku rozkładu w stosunkowo niskiej temperaturze ok. 400oC węgiel wydziela się w postaci porowatej i gąbczastej masy zawierającej krystality o rozmiarach rzędu 20 (sadza, węgiel kostny i drzewny). Jeżeli rozkład przebiega w temperaturze 800oC krystality są większe i zrastają się w koks. W temperaturze ok. 1500oC uzyskuje się produkt o krystalitach 60 A zbliżony do grafitu (retortowy) zdolny do przewodzenia prądu. Sadza – jest produktem rozkładu termicznego licznych węglowodanów a także niezupełnego spalenia różnych substancji organicznych. Technicznie powstaje w wyniku działania silnie kopcącego płomienia na powierzchnię metalową chłodzoną od wewnątrz wodą. Stosuje się do wyrobu tuszu, farb drukarskich i malarskich i do wypełniania kauczuku. Węgiel drzewny – otrzymuje się ogrzewając drzewo bez dostępu powietrza (sucha destylacja). Dawniej znaczył jako dobry materiał opałowy i jeden ze składników prochu dymnego. Odznacza się dobrymi właściwościami adsorpcyjnymi. Węgiel otrzymany przez zwęglenie kości zwany kostny w niskiej temperaturze z dodatkiem ZnCl2 bywa używany jako środek odbarwiający, odwaniający, materiał do wypełniania pochłaniaczy w maskach gazowych. Koks – powstaje w procesie suchej destylacji węgla kamiennego w temperaturze 1000-1200oC. Ma zastosowanie jako opał. Szczególne zastosowanie ma przy wytopie żelaza surowego w wielkich piecach dzięki zwiększonej wytrzymałości mechanicznej.
Węgiel jest źródłem energii w przemyśle, środkiem redukującym stosowanym w otrzymywaniu niektórych metali. Izotop 14C jest wskaźnikiem promieniotwórczym. Liczne zastosowania mają organiczne związki węgla, np. polimery ® zagadnienia 39. Złoża węgla powstały w odległych okresach geologicznych. Nieustanne powolne, obniżające ruchy skorupy ziemskiej, spowodowały, że w powstających zagłębieniach gromadziły się ogromne ilości szczątków roślin: olbrzymich skrzypów, widłaków, paproci. Rośliny zostały przykryte warstwami skał osadzonych później i odcięte od dostępu tlenu. Pod wpływem działania temperatury i ciśnienia, w wyniku skomplikowanych reakcji chemicznych zachodzących przez tysiące lat, martwe organizmy roślinne zostały przekształcone w pokłady węgla. Często na lśniących bryłach węgla można znaleźć odciśniętą wizytówkę roślin pochodzących z karbonu, tj. okresu w którym tworzyły się właśnie bogate złoża węgla. Węgiel tworzy złoża węgli kopalnych (mieszaniny węgla i związków węgla) antracyt 95%, węgiel kamienny do 90%, węgiel brunatny do 65% i torf do 65%. Ponadto węgiel wchodzi w skład milionów związków organicznych i odgrywa ważną rolę w przyrodzie. Przykładem może być wapień i krzem w postaci krzemionki. Złoża węgla w świecie są liczne. W Polsce jest głównym surowcem energetycznym. Oprócz węgla ważnymi surowcami energetycznymi są ropa naftowa i gaz ziemny. Ropa naftowa – jest oleistą cieczą o charakterystycznym zapachu, palna. Na dziś mimo rosnącej roli nośników energii jest surowcem strategicznym jaki wynika z dużej kaloryczności 10000-11500 kcal/kg. Jest mieszaniną węglowodorów, kwasów karboksylowych, fenoli, żywic, związków metaloorganicznych. Skład ropy jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia. Jest przerabiana metodami destylacji, rafinacji, ekstrakcji selektywnymi rozpuszczalnikami, krystalizacji. Z ropy otrzymujemy eter naftowy, benzynę, naftę, oleje mineralne, mazut oraz surowce dla przemysłu chemicznego np. benzen, ksyleny. Największe złoża znajdują się w Arabii Saudyjskiej, Iranie, Iraku, Kuwejcie, USA, Emiratach Arabskich. Inne ważne obszary to Rosja, Alaska. Gaz ziemny – jest mieszaniną lotnych węglowodorów, głównie metanu, etanu, propanu i butanu oraz niewielkich ilości powietrza, siarkowodoru i innych. Towarzyszy często złożom ropy naftowej. Jest paliwem znacznie droższym od węgla, ale o wiele czystszym ekologicznie. Oparcie polskiej energetyki na gazie wymagałoby kilkakrotnego zwiększenia jego importu. Największe złoża tego surowca występują w Rosji, Zatoce Perskiej, północnej Afryce, Zatoce Meksykańskiej o Morzu Karaibskim.
Innym źródłem węgla są minerały: ®CaCO3 – kalcyt, podstawowy składnik skał wapiennych, tj. wapieni, marmuru i kredy. ®MgCO3 –magnezyt ®CaCO3 ∙ MgCO3 – dolomit ®FeCO3 – syderyt
25. Odmiany alotropowe węgla, węgiel bezpostaciowy, fullereny. Odmiany alotropowe węgla to: diament, grafit i fullereny. Diament – w stanie czystym tworzy bezbarwne przezroczyste kryształy, bardzo twarde, silnie łamiące światło, nie przewodzące prądu elektrycznego. Ich ciężar właściwy wynosi 3,5 g/cm. W zależności od rodzaju i ilości zanieczyszczeń kryształy diamentu bywają zabarwione żółto, czerwono, brunatno, niebiesko lub fioletowo. Znane są również czarne diamenty zwane karbonado. Oszlifowane diamenty, zwane brylantami, odznaczają się piękną grą świateł i uważane są za najpiękniejsze kamienie szlachetne. Okazy nadające się do celów jubilerskich spotyka się bardzo rzadko. Przeważającą ich część zużywa się do celów technicznych: szlifowania bardzo twardych ciał, cięcia szkła, wyrobu ostrzy do świdrów górniczych, a także łożysk do osi w precyzyjnych przyrządach. Diament ogrzewany bez dostępu powietrza przechodzi powyżej temperatury 500oC w grafit. Przechodzenie w odwrotnym kierunku jest trudne i udało się dopiero pokonać w ostatnich latach. Pod względem chemicznym stanowi substancję bardzo mało aktywną nawet w wysokich temperaturach.
Grafit – druga odmiana alotropowa węgla występująca również w postaci minerału, przedstawia się jako ciało czarno szare, o słabym połysku metalicznym, tłustawe w dotknięciu bardzo miękkie, dobrze przewodzące elektryczność i ciepło. Ciężar właściwy wynosi 2,1-2,3. Grafit znajduje liczne zastosowanie np. ze względu na odporność na wysokie temperatury z drobnymi domieszkami gliny jako środek wiążący do wyrobu tygli do topienia metali. Dzięki dobremu przewodnictwu elektrycznemu stosuje się do wyrobu elektrod dla przemysłu elektrochemicznego i elektrometalurgicznego. Służy do wyrobu ołówków a w formie zawiesiny jako smar dla mechanizmów pracujących w podwyższonych temperaturach. Ważne jest jego zastosowanie jako moderatora w stosach atomowych. Pod względem chemicznym jest substancją mało aktywną łatwiej wstępuje w reakcje niż diament. W powietrzu spala się po ogrzaniu do 700oC. Tworzy szereg połączeń określanych jako związki grafitu, w których zostaje zachowana warstwowa struktura sieci przestrzennej, a obce atomy wiązane za pośrednictwem elektronów π grafitu rozmieszczone są między warstwami.
Grafit Diament Fulleren Fullereny – odmiana otrzymana sztucznie; odnajdywane w przyrodzie są najprawdopodobniej pochodzenia pozaziemskiego, ponieważ gazy szlachetne uwięzione w ich wnętrzu mają nietypowy stosunek izotopów. Istnieje teza wystąpienia ich w kosmosie. Mimo braku potwierdzenia ich obecności fullery znaleziono w próbkach z dwóch wielkich kraterów, które powstały niegdyś 1,85 mld lat temu w wyniku zderzeń Ziemi z kometami lub planetoidami. Również w górach stanu Colorado występuje tzw. fulguryt zawierający fullereny. Prawdopodobnie utworzył się podczas uderzeń piorunów. Fullereny, cząsteczki węgla zawierające od kilkudziesięciu do kilkuset atomów wchodzących w skład kryształów molekularnych tworzących odmianę alotropową węgla. Cząsteczki te składają się z pierścieni pięcio- i sześcioatomowych, tworzących zamkniętą strukturę kopuł geodezyjnych skonstruowanych przez R. Buckminstera Fullera (stąd nazwa). Fullereny łatwo sublimują, są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Najbardziej trwałe fillery to: C32, C44, C50, C58, C70, C240, C540, C960. Łatwo sublimują cząsteczki C60 (zwane futoblanami – ze względu na kształt przypominający piłkę nożną) najbardziej stabilne mają kształt piłki nożnej o średnicy 1 mm, można je otrzymać przez laserowe odparowanie grafitu w atmosferze helu lub wytworzenia łuku elektrycznego między elektrodami grafitowymi. Wewnątrz cząsteczki fullerenu można umieścić atomy metali (tzw. metalofullereny). Przewiduje się, iż fullereny i ich metaliczne związki znajdują zastosowanie jako przewodniki, półprzewodniki, nadprzewodniki, smary, włókna sztuczne, farmaceutyki.
26. Redukcyjne własności węgla, reakcje z: tlenem, z CO2 (równowaga CO2 + C ↔ 2CO), z fluorem, siarką, azotem, tlenkami metali i z parą wodną (gaz syntezowy). 1) Z tlenem (CO, CO2, C3O2, C5O2, C12O9) HCOOH CO + H2O CO spala się w powietrzu niebieskim płomieniem, wydzielając duże ilości ciepła CO + O2 ® CO2 + 567 kJ/mol *C +H2O ® CO + H2 ¬ gaz syntezowy CO + 3H2 ® CH4 + H2O CO – gaz wodny otrzymywany przez wdmuchiwanie pary wodnej na warstwę rozżarzonego koksu. *C + O2 ® CO2 – gaz generatorowy otrzymywany przy przepuszczaniu powietrza poprzez warstwy rozżarzonego koksu. CO2 reaguje z koksem *CO2 + C ↔ 2CO (równanie Boudouarda) ΔH>0 Aby przesunąć równowagę w lewo należy zmniejszyć ciśnienie i podwyższyć temperaturę.
2) Z tlenkami metali Co jest reduktorem tlenków metali Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 CuO + CO Cu + CO2 CO – gaz bezbarwny, bezwonny, silnie trujący, słabo rozpuszczalny w wodzie CO2 – gaz bezbarwny, bezwonny, nie pali się, nie podtrzymuje palenia, rozpuszczalny w H2O, tworząc kwas węglowy CO2 + H2O ® H2CO3
3) Z siarką *C + S2 ® CS2 CS2 – dwusiarczek węgla, otrzymywany przez działanie par siarki na węgiel drzewny, bezbarwna, ruchliwa ciecz CO + S ® COS – tlenosiarczek Działając CS2 na siarczki litowców otrzymuje się tiowęglany K2S + CS2 ® K2CS3
4) Z azotem *2C + N2 ® C2N2 = (CN)2 Dicyjan – bezbarwny, gaz o zapachu gorzkich migdałów, dobrze rozpuszczalny w wodzie i alkoholach. Pali się niebieskim płomieniem z czerwoną otoczką, wprowadzony do roztworu wodorotlenków daje mieszaninę cyjanków i cyjanianów: (CN)2 +OH- ↔ CN (jon cyjankowy) + NCO- (jon cyjanianowy) + H2O (CN)2 + 2KOH ↔ KCN + KCNO + H2O CN – posiada wolną parę elektronową, tworzy wiązania koordynacyjne HCN – cyjanowodór, otrzymywany: NaCN + HCl ® HCN + NaCl (kwas pruski, posiada wiązania wodorowe) HCN występuje w dwóch postaciach izomerycznych H-C≡N ↔ C≡N-H cyjanowodór izocyjanowodór HCN ulega w wodzie słabej dysocjacji HCN + H2O ↔ H3O+ + CN- Jony cyjankowe tworzą kompleksy z metalami grup przejściowych np. Fe3+ - heksacyjanożelaziany
5) Z fluorem C + 2F2 ® CF4
Węgiel tworzy z fluorowcami połączenia typu CX4 – halogenki metali. CF4 – czterofluorek węgla, produkt działania fluoru na węgiel w wysokiej temperaturze. Bezbarwny gaz, bardzo oporny na działanie podwyższonej temperatury. Fluoranem ??? posiadającym podwójne wiązanie jest C2F4. Pod zwiększonym ciśnieniem ulega polimeryzacji z utworzeniem bezbarwnej stałej masy zawierającej długie łańcuchy. nC2F4 -CF2 CF2 CF2 CF2- Tak otrzymany poli(tetrafluoroetylen) jest oporny na działanie czynników chemicznych i jest cennym tworzywem syntetycznym pod nazwą TEFLON. CCl4 – otrzymywany przez wprowadzenie chloru do dwusiarczku węgla w obecności jodu lub chlorku magnezu II 2S2 + 3Cl2 ® CCl4 + 6S W obecności FeS dwusiarczek siarki reaguje dalej z nadmiarem CS2, powstają dalsze porcje CCl4: 2S2Cl2 + CS2 ® CCl4 + 6S CCl4 jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym odurzającym zapachu, trudno rozpuszczalna w wodzie. W temperaturze pokojowej nie reaguje z kwasami i zasadami, nie ulega hydrolizie. Stosowany jako rozpuszczalnik tłuszczów i żywic CJ4, CBr4 – ciała stałe
Halogenki mieszane: CCl2F2; CF3Cl Dichlorofluorometan (freon) – fluoroorganiczny związek stosowany w chłodnictwiei przemyśle kosmetycznym (jako gaz nośny w rozpylaczach aerozolowych).
28. Otrzymywanie i własności disiarczku oraz tetrachlorku węgla Disiarczek węgla CS2: C (drzewny) + S2 (g) CS2 CH4 + 2S2... |
Menu
|