Węglowce

Grupa→	14 IVA
↓Okres
2	6 C
3	14 Si
4	32 Ge
5	50 Sn
6	82 Pb
7	114 Fl

Węglowce

Węglowce–pierwiastki14 (daw. IVA lub IV głównej)grupy układu okresowego.Są towęgiel(C),krzem(Si),german(Ge),cyna(Sn),ołów(Pb) iflerow(Fl).

Odkrycie

Węgiel – grafit

Węgiel – diament

Węgiel – fulleren C 60

Krzem

German

Cyna (β i α)

Ołów

Trzy z sześciu węglowców znano już wstarożytności.Były to węgiel, cyna i ołów. Krzem i german zostały odkryte wepoce nowożytnej(krzem przezAntoine Lavoisiera,zaś german przezClemensa Alexandera Winklera). Flerow został otrzymany sztucznie w1999roku przez naukowców zInstytutu Badań JądrowychwDubnej.

Występowanie w przyrodzie

Węgiel wchodzi w skład licznychzwiązków organicznych.Ponadto występuje w przyrodzie w postaciwęgli kopalnych.Najważniejszymminerałemzawierającym węgiel jestwęglan wapnia.Dużo rzadziej spotyka się go w postacidiamentów.W środowisku naturalnym wyjątkowo daje się odnaleźć w formiefulerenów(np. wstrzałkach piorunowych).

Krzem zajmuje drugie miejsce pod względem zawartości naZiemi(zaraz potlenie). Nie występuje jednak w stanie wolnym, ale w postacikrzemionki,krzemianówi glinokrzemianów.

German występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach, tylko w postaci związków, np. minerałów takich jakgermanit(Cu₂GeS₃) iargyrodyt(Ag₈GeS₆). Niewielkie ilości germanu są zawarte wwęglu kamiennym.

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

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

Flerow jest syntetycznym pierwiastkiem promieniotwórczym i nie występuje na Ziemi.

Właściwości

Ze wzrostemliczby atomowejw tej grupie maleje wpływbiernej 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 szerokościpasma wzbronionego,półprzewodnikami i przewodnikami.

Węgiel jestciałem stałym,nierozpuszczalnymwwodzie.Grafit jest czarnoszary, odpowiednio wypolerowany ma metaliczny połysk. Diament jest bezbarwny, bezwonny, nie ma smaku. Jest pierwiastkiem mało reaktywnym; w wysokiej temperaturze reaguje zfluorem,tlenem,siarkąi metalami1,2i13grupy. Rozżarzonykoksreaguje z wodą, dając mieszaninętlenku węglaiwodoru(tzw.gaz syntezowy): C + H₂O → CO + H₂.

Tworzy trzyodmiany alotropowe:

• Diament– bezbarwny, krystaliczny, ma dużągęstośći twardość; podczas ogrzewania do temperatury powyżej 1500°Cprzechodzi w grafit.
• Grafit– mała twardość,łupliwość;jest bardziej reaktywny niż diament.
• Fulereny– czarne ciała stałe o metalicznym połysku, odpowiednio domieszkowane mają własnościnadprzewodząceipółprzewodnikowe.

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

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

German jest kruchym, srebrzystobiałympółmetalemo właściwościachpółprzewodnikowych.Nie reaguje zwodąikwasami(opróczkwasu 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 wcynę βzachodzi 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 warstwątlenku.Jego sole są zazwyczaj słabo rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w wodzie (z wyjątkiemazotanu ołowiu(II)ioctanu ołowiu(II)).

Właściwości węglowców w związkach z wodorem

Związki wodoru z:

• węglem towęglowodory;
• krzememsilany;
• germanemgermanany;
• cynąstannany;
• ołowiemplumbany.

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. Pierwszykrzemowodór(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 prażeniesacharozybez dostęputlenuzpowietrza.Na skalę przemysłową otrzymuje się go z węgli kopalnych, przez rozkład termicznydrewnaoraz jakodiament.

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

Pozostałe trwałe węglowce są otrzymywane przez redukcję ichtlenków.Ołów można otrzymaćelektrolityczniez 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 obróbkistaliiszkła.Grafit jest używany do wyrobuelektrod,grafitów doołówkówitygli laboratoryjnych.Węgle kopalne są wykorzystywane jakosurowce energetyczne.Izotop węgla¹⁴Cjest stosowany jakowskaźnik izotopowy,zaś 1/12 masy izotopu¹²C stanowi wzorzecjednostki masy atomowej.

Krzem o dużym stopniu czystości jest stosowany do wyrobupółprzewodników.Jest też stosowany do odtleniania specjalnych gatunkówstalii jako składnik wielustopów.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 pokrywaniametalimniej odpornych nakorozję.Jest też składnikiem stopów. Wśredniowieczuwykonywano 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 produkcjikwasu siarkowego,celulozyi wapna bielącego. Ołowiu używa się też do wyrobupłyt akumulatorowych,szkła ołowiowegoi do otrzymywania innych związków ołowiu.