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 . 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 |
Trwałe Izotopy |
Temp. przemian fazowych [K] |
|||
|
topnienia |
wrzenia |
|||||
|
Węgiel |
|
|
|
|
3823(grafit) |
5100 |
|
Krzem |
|
|
|
|
1683 |
2628 |
|
German |
|
|
|
|
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 ). W połączeniach z tlenem, węglowce tworzą tlenki
(gdzie
to dowolny węglowiec) i
. 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
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
. Przykładem może być kwas ortokrzemowy,
, 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, ).
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 (), główny składnik gazu ziemnego (reakcja 2).
(1)
(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 () 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).