Węgiel, krzem i german- wzory, właściwości
Węgiel, krzem i german to trzy pierwsze pierwiastki 14 (IVA) układu okresowego, określane mianem węglowców. Powłoki walencyjne tych pierwiastków mają konfigurację \(ns^2np^2\). Pierwszy w grupie węgiel jest niemetalem, natomiast zarówno krzem i german mają charakter półmetaliczny. Węgiel występuje w postaci kilku odmian alotropowych, z których najważniejsze to węgiel amorficzny, diament, grafit i fulereny. Krzem występuje w postaci dwóch alotropów: amorficznego i krystalicznego, german również ma dwie odmiany alotropowe – półmetaliczną i metaliczną. Wybrane własności węglowców zebrano w tabeli 1.
Tabela 1: wybrane właściwości węgla, krzemu i germanu
|
Nazwa pierwiastka |
Symbol |
Liczba atomowa/ masa atomowa [u] |
Konfiguracja elektronowa |
Trwałe Izotopy |
Temp. przemian fazowych [K] |
|
|
topnienia |
wrzenia |
|||||
|
Węgiel |
\(C\) |
\( \frac{6}{12,00}\) |
\([He]2s^22p^2\) |
\(^{12}C\) (98,9%), \(^{13}C\) (1,1%) |
3823(grafit) |
5100 |
|
Krzem |
\(Si\) |
\( \frac{14}{28,086}\) |
\([Ne]3s^23p^2\) |
\(^{28}Si\)(92,23%), \(^{29}Si\) (4,67%), \(^{30}Si\) (3,1%) |
1683 |
2628 |
|
German |
\(Ge\) |
\( \frac{32}{72,59}\) |
\([Ar]3d^{10}4s^24p^2\) |
\(^{70}Ge\) (21,23%), \(^{72}Ge \)(27,66%), \(^{73}Ge\) (7,73%), \(^{74}Ge\) (35,94%) |
1210 |
3103 |
Węglowce występują najczęściej na dwóch stopniach utlenienia: +II i +IV, związki na topniu +IV są na ogół najtrwalsze. Umiarkowana elektroujemność sprawia, że chemia węglowców zdominowana jest przez tworzenie wiązań kowalencyjnych i kowalencyjnych spolaryzowanych (choć znane są związki jonowe, np. węgliki zawierające anion \(C_2^-\)). W połączeniach z tlenem, węglowce tworzą tlenki \(EO\) (gdzie \(E\) to dowolny węglowiec) i \(EO_2\). Dwutlenek jest gazem, który dobrze rozpuszcza się w wodzie i reaguje z nią, tworząc słaby kwas – kwas węglowy (równanie 1). Sole kwasu węglowego, węglany są bardzo szeroko rozpowszechnione w przyrodzie ożywionej i nieożywionej. Dwutlenek krzemu \(SiO_2\) jest ciałem stałym o polimerycznej strukturze, nie rozpuszczającym się w wodzie. Występuje on często w przyrodzie w postaci minerału kwarcu, który jest głównym składnikiem piasku lub występuje w formach krystalicznych. Krzem tworzy szereg bardzo słabych kwasów tlenowych (kwasy krzemowe) o wzorze ogólnym \([SiO_x(OH)_{4-x}]_n\). Przykładem może być kwas ortokrzemowy, \(Si(OH)_4\), w którym do atomu krzemu przyłączone są tylko grupy hydroksylowe (we wzorze ogólnym, x=0 i n=1). Kwasy krzemowe mają tendencję do polimeryzacji w roztworach o wyższym stężeniu. Sole kwasów krzemowych, krzemiany są obecne w przyrodzie w postaci różnorodnych minerałów. Wśród kowalencyjnych związków węgla, bardzo ważne są jego połączenia z wodorem – węglowodory, które są między innymi składnikami ropy naftowej i gazu ziemnego. Badanie struktur i reaktywności węglowodorów i ich licznych pochodnych zajmuje się chemia organiczna.
Występowanie i otrzymywanie węglowców
Węgiel występuje najczęściej w postaci węgla kamiennego i minerałów węglanowych (np. węglan wapnia w postaci wapienia i dolomitu). Krzem występuje w postaci kwarcu (piasek, kwarc krystaliczny) i innych minerałów krzemianowych. German jest rzadki i nie występuje w postaci samodzielnych złóż minerałów germanowych, jest obecny jako zanieczyszczenie w siarczkowych minerałach cynku, ołowiu i miedzi (german głównie otrzymywany jest z rud sfalerytowych, \(ZnS\)).
Zastosowania węglowców
Węgiel i jego związki z wodorem (ropa naftowa i gaz ziemny) są powszechnie wykorzystywane jeko surowce energetyczne. Energia pochodzi ze spalania węgla w tlenie do dwutlenku węgla (reakcja 1) lub spalania związków węgla z wodorem takich jak metan (\(CH_4\)), główny składnik gazu ziemnego (reakcja 2).
\(C + O_2 \rightarrow CO_2\) (1)
\(CH_4 + 4O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O\) (2)
Minerały węglanowe w postaci skał wapiennych (wapień, dolomit) znajdują zastosowanie jako materiały budowlane, jako źródło wapnia oraz surowiec przemysłu chemicznego.
Pierwiastkowy krzem znajduje zastosowanie jako półprzewodnik w elektronice, natomiast jego związki znajdują szereg zastosowań technicznych i przemysłowych. Piasek (\(SiO_2\)) i minerały krzemianowe wykorzystywane są w produkcji szkła. Ze względu na wysoką twardość i łatwą dostępność, piasek (i inne krzemiany) mogą być surowcami do produkcji materiałów ściernych. Piasek jest też podstawowym materiałem budowlanym.
German znajduje zastosowanie głównie w elektronice i innych zastosowaniach specjalistycznych (np. w optyce).