Węglowce

Węglowce – pierwiastki 14 (daw. IVA lub IV głównej) grupy układu okresowego. Są to węgiel (C), krzem (Si), german (Ge), cyna (Sn), ołów (Pb) i flerow (Fl).

Odkrycie

Węgiel – grafit

Węgiel – diament

Węgiel – fulleren C 60

Krzem

German

Cyna (β i α)

Ołów

Trzy z sześciu węglowców znano już w starożytności. Były to węgiel, cyna i ołów. Krzem i german zostały odkryte w epoce nowożytnej (krzem przez Antoine Lavoisiera, zaś german przez Clemensa Alexandera Winklera). Flerow został otrzymany sztucznie w 1999 roku przez naukowców z Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej.

Występowanie w przyrodzie

Węgiel wchodzi w skład licznych związków organicznych. Ponadto występuje w przyrodzie w postaci węgli kopalnych. Najważniejszym minerałem zawierającym węgiel jest węglan wapnia. Dużo rzadziej spotyka się go w postaci diamentów. W środowisku naturalnym wyjątkowo daje się odnaleźć w formie fulerenów (np. w strzałkach piorunowych).

Krzem zajmuje drugie miejsce pod względem zawartości na Ziemi (zaraz po tlenie). Nie występuje jednak w stanie wolnym, ale w postaci krzemionki, krzemianów i glinokrzemianów.

German występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach, tylko w postaci związków, np. minerałów takich jak germanit (Cu₂GeS₃) i argyrodyt (Ag₈GeS₆). Niewielkie ilości germanu są zawarte w węglu kamiennym.

Głównym źródłem cyny są minerały: kasyteryt (SnO₂), stannin (Cu₂FeSnS₄).

Ołów występuje w niewielkich ilościach w postaci rodzimej, jednak jego głównym źródłem jest galena (PbS).

Flerow jest syntetycznym pierwiastkiem promieniotwórczym i nie występuje na Ziemi.

Właściwości

Ze wzrostem liczby atomowej w tej grupie maleje wpływ biernej pary elektronowej. Wynikiem tego jest malejąca trwałość pierwiastków na IV stopniu utlenienia i rosnąca na II. Wszystkie z nich oprócz ołowiu tworzą struktury diamentu, przy czym w przypadku węgla odmiana ta jest izolatorem, a dalsze pierwiastki są, z powodu malejącej szerokości pasma wzbronionego, półprzewodnikami i przewodnikami.

Węgiel jest ciałem stałym, nierozpuszczalnym w wodzie. Grafit jest czarnoszary, odpowiednio wypolerowany ma metaliczny połysk. Diament jest bezbarwny, bezwonny, nie ma smaku. Jest pierwiastkiem mało reaktywnym; w wysokiej temperaturze reaguje z fluorem, tlenem, siarką i metalami 1, 2 i 13 grupy. Rozżarzony koks reaguje z wodą, dając mieszaninę tlenku węgla i wodoru (tzw. gaz syntezowy): C + H₂O → CO + H₂.

Tworzy trzy odmiany alotropowe:

• Diament – bezbarwny, krystaliczny, ma dużą gęstość i twardość; podczas ogrzewania do temperatury powyżej 1500 °C przechodzi w grafit.
• Grafit – mała twardość, łupliwość; jest bardziej reaktywny niż diament.
• Fulereny – czarne ciała stałe o metalicznym połysku, odpowiednio domieszkowane mają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe.

W związkach chemicznych występuje na -IV, II i IV stopniu utlenienia.

Krzem to szare, błyszczące, kruche ciało stałe. Jest półprzewodnikiem. W związkach jest czterowartościowy. Występuje, podobnie jak węgiel, w strukturze diamentu.

German jest kruchym, srebrzystobiałym półmetalem o właściwościach półprzewodnikowych. Nie reaguje z wodą i kwasami (oprócz kwasu azotowego).

Cyna jest ciałem stałym. Występuje w trzech odmianach krystalicznych:

• Cyna α – ma strukturę diamentu, która ma właściwości półprzewodnikowe; występuje jako proszek barwy szarej; przemiana w cynę β zachodzi powoli w temperaturze 13,2 °C i wyższej;
• Cyna β – srebrzystobiała z niebieskawym odcieniem;
• Cyna γ.

W związkach chemicznych cyna występuje na -IV, II i IV stopniu utlenienia.

Ołów to szarosrebrzysty, miękki, kowalny metal. Na powietrzu pokrywa się warstwą tlenku. Jego sole są zazwyczaj słabo rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w wodzie (z wyjątkiem azotanu ołowiu(II) i octanu ołowiu(II)).

Właściwości węglowców w związkach z wodorem

Związki wodoru z:

• węglem to węglowodory;
• krzemem silany;
• germanem germanany;
• cyną stannany;
• ołowiem plumbany.

W szeregu od węgla do ołowiu maleje trwałość tych związków.

Węgiel tworzy najwięcej związków z wodorem (węglowodory) dzięki trwałym wiązaniom węgiel-węgiel (katenacja). Są one trwałe i jako jedyne z tej grupy nie hydrolizują w wodzie. Pierwszy krzemowodór (SiH₄) jest nietrwały w środowisku wodnym i na powietrzu.

Najważniejsze związki chemiczne węglowców

Węgiel:

• Dwutlenek węgla (CO₂)
• Tlenek węgla (CO)
• Kwas węglowy (H₂CO₃)
• Węglik wapnia (CaC₂)
• Cyjanowodór (HCN)
• Związki organiczne

Krzem:

• Dwutlenek krzemu (SiO₂)
• Kwas krzemowy (H₂SiO₃)
• Kwas ortokrzemowy (H₄SiO₄)
• Krzemiany
• Krzemowodory
• Krzemki
• Węglik krzemu (karborund) (SiC)

German:

• Germanowodory
• Siarczek germanu(II) (GeS)
• Siarczek germanu(IV) (GeS₄)
• Tlenek germanu(II) (GeO)
• Tlenek germanu(IV) (GeO₂)

Cyna:

• Tlenek cyny(II) (SnO)
• Tlenek cyny(IV) (SnO₂)
• Kwas cynowy ((SnO₂)_x•(H₂O)_y)
• Wodorotlenek cyny(II) (Sn(OH)₂)
• Cynowodór (SnH₄)
• Siarczek cyny(II) (SnS)
• Siarczek cyny(IV) (SnS₂)
• Chlorek cyny(II) (SnCl₂)
• Chlorek cyny(IV) (SnCl₄)

Ołów:

• Węglan ołowiu(II) (PbCO₃)
• Chlorek ołowiu(II) (PbCl₂)
• Chlorek ołowiu(IV) (PbCl₄)
• Chromian ołowiu(II) (PbCrO₄)
• Azydek ołowiu(II) (Pb(N₃)₂)
• Azotan ołowiu(II) (Pb(NO₃)₂)
• Tlenek ołowiu(II) (PbO)
• Tlenek ołowiu(IV) (PbO₂)
• Tlenek diołowiu(II), ołowiu(IV) (Pb₃O₄)
• Wodorotlenek ołowiu(II) (Pb(OH)₂)
• Siarczek ołowiu(II) (PbS)
• Siarczan ołowiu(II) (PbSO₄)

Otrzymywanie

Węgiel do celów laboratoryjnych otrzymuje się przez prażenie sacharozy bez dostępu tlenu z powietrza. Na skalę przemysłową otrzymuje się go z węgli kopalnych, przez rozkład termiczny drewna oraz jako diament.

Krzem można otrzymać w laboratorium przez redukcję krzemionki magnezem: SiO₂ + 2 Mg → 2 MgO + Si. Na skalę przemysłową redukuje się krzemionkę węglem (SiO₂ + C → CO₂ + Si) lub węglikiem wapnia.

Pozostałe trwałe węglowce są otrzymywane przez redukcję ich tlenków. Ołów można otrzymać elektrolitycznie z jego siarczku. Flerow można uzyskać wyłącznie w reakcjach jądrowych.

Zastosowanie

Węgiel jest podstawowym składnikiem związków organicznych. Diament służy do wyrobu biżuterii. Ze względu na jego twardość używa się go także do wyrobu narzędzi do obróbki stali i szkła. Grafit jest używany do wyrobu elektrod, grafitów do ołówków i tygli laboratoryjnych. Węgle kopalne są wykorzystywane jako surowce energetyczne. Izotop węgla ¹⁴C jest stosowany jako wskaźnik izotopowy, zaś 1/12 masy izotopu ¹²C stanowi wzorzec jednostki masy atomowej.

Krzem o dużym stopniu czystości jest stosowany do wyrobu półprzewodników. Jest też stosowany do odtleniania specjalnych gatunków stali i jako składnik wielu stopów. Krzem i jego związki są surowcami w przemyśle szklarskim, ceramicznymi materiałów budowlanych.

German stosuje się do produkcji półprzewodników, luminoforów, filtrów optycznych i stopów specjalnych.

Cyna jest używana do pokrywania metali mniej odpornych na korozję. Jest też składnikiem stopów. W średniowieczu wykonywano wiele przedmiotów z cyny, ze względu na jej dostępność i niską cenę.

Ołów służy do wyrobu rur kanalizacyjnych i ekranów chroniących przed promieniowaniem. Wykłada się nim także komory do produkcji kwasu siarkowego, celulozy i wapna bielącego. Ołowiu używa się też do wyrobu płyt akumulatorowych, szkła ołowiowego i do otrzymywania innych związków ołowiu.