Węgiel, krzem, german – wzory, właściwości, otrzymywanie, zastosowanie

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).

Polecamy również:

  • Obieg węgla w przyrodzie

    W przyrodzie, węgiel występuje w atmosferze, skorupie ziemskiej, wodzie morskiej i w organizmach żywych. Cały czas pomiędzy różnymi formami węgla i jego związkami zachodzi cykliczna przemiana, która może być opisana dwoma cyklami: biologicznym i geologicznym. Cykl biologiczny obejmuje przemiany węgla... Więcej »

Komentarze (0)
Wynik działania 1 + 2 =
Ostatnio komentowane
żoną Jaroslawa Iwaszkiewicza była pisarka i tłumaczka Anna Iwaszkiewiczowa z domu Lilp...
Iwona • 2021-07-19 18:40:47
"Oda do radości" to utwór Beethovena. Schiller napisał "Do Radości".
Germanista • 2021-07-10 02:59:47
Zgromadzenie Narodowe (Konwent) nie było "rządem rewolucyjnym", a parlamentem.
Andrzej • 2021-07-06 08:15:34
Czy naprawdę nie dało się tego bardziej spłycić? Gdzie jest drugi syn? Ten który p...
Andrzej Koraben • 2021-06-30 11:34:39
Ciekawe jak daleko czasowo sięgają Politycy. 2050 ? Czyli doprzodu do tyłu 2023. Grolsz...
Nick Radek • 2021-06-27 07:22:58