PRACA SEMESTRALNA Z CHEMII

Temat: Naturalne źródła węglowodorów i ich przeróbka. Pierwiastkowe odmiany węgla w przyrodzie i porównanie ich właściwości.

Plan pracy:

1) Wstęp.

2) Związki organiczne.

3) Węglowodory.

4) Źródła węglowodorów:

a) ropa naftowa

b) gaz ziemny

c) węgle kopalne.

5) Ciekawostka.

6) Węgiel:

a) charakterystyka:

- odmiany alotropowe węgla (diament, grafit, fulereny)

- występowanie

- obieg węgla

b) znaczenie biologiczne węgla

c) zastosowanie węgla

7) Podsumowanie

8) Bibliografia

Wszystkie związki chemiczne można podzielić na dwie główne grupy ze względu na budowę ich cząsteczek i właściwości:

1) związki nieorganiczne, np.: tlenek węgla (IV), wodorotlenek sodu, azotan (V) potasu

2) związki organiczne:

a) węglowodory, np.: metan, eten, propyn

b) pochodne węglowodorów, np.: metanol, kwas etanowy, glukoza.

Związki organiczne

Związki organiczne są to związki chemiczne, które w swoich cząsteczkach zawierają atomy węgla. Jednak nie wszystkie związki węgla to związki organiczne, ponieważ węgiel tworzy też związki nieorganiczne: tlenki węga, kwas węglowy i jego sole oraz inne (np. cyjanowodór, cyjanki, węgliki).

Związki organiczne, z nielicznymi wyjątkami, np. CS2 (disiarczek węgla) czy CCl4 (tetra chlorek węgla), są zbudowane z węgla i wodoru. Niektóre mogą zawierać też inne pierwiastki chemiczne, np.: tlen, azot, siarkę, fosfor. Wiele związków organicznych jest składnikamy organizmów.

Węglowodory

Węglowodory – organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze wyłącznie atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego (powiązanych z sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru.

Węglowodory ze względu na występowanie wiązań wielokrotnych węgiel-węgiel dzieli się na:

1) nasycone, zwane inaczej alkanami w których nie występują podwójne i potrójne wiązania chemiczne między atomami węgla

2) węglowodory nienasycone, w których te wiązania występują, które dzielą się dalej na:

a) alkeny (olefiny) – zawierające wiązania podwójne (np. etylen), które ponownie dzielą się na:

- dieny – zawierające dwa wiązania podwójne, które po raz kolejny dzielą się na:

- alleny – w których występują skumulowane układy wiązań podwójnych (C=C=C) (np. 1,2-butadien)

- dieny sprzężone – w których występują dwa wiązania podwójne przedzielone jednym pojedynczym: (C=C-C=C) (np. 1,3-butadien)

- polieny – w których występuje więcej niż dwa wiązania podwójne.

b) alkiny – w których występują wiązania potrójne węgiel-węgiel (np. acetylen)

c) węglowodory aromatyczne – w których występują struktury ze specyficznie sprzężonymi układami wiązań podwójnych (np. benzen).

Inny podział węglowodorów wynika z topologii ich łańcuchów:

- liniowe – w których występują ściśle liniowe łańcuchy węglowe – np. n-oktan

- rozgałęzione – w których występują boczne odgałęzienia w łańcuchu – np. izooktan, izopren

- alicykliczne – w których występują pierścienie węglowe – np. cykloheksan

- policykliczne – w których występują dwa lub więcej pierścieni cyklicznych, w których część atomów węgla jest "współdzielona" np. naftalen

- bi- i więcej cykliczne – w których występują dwa lub więcej "przeplatających" się układów pierścieniowych, np. adamantan

- mieszane – w których występują różne kombinacje układów cyklicznych, liniowych i rozgałęzionych – np. karoten.

Źródła węglowodorów

Węglowodory są podstawowym składnikiem ropy naftowej, która stanowi ich podstawowe źródło w przemyśle. Dodatkowo występują w gazie ziemnym i węglach kopalnych. Innym źródłem węglowodorów są procesy tzw. suchej destylacji drewna i zgazowywania węgla. Oprócz tego węglowodory o złożonej budowie pełnią rozmaite role w organizmach żywych (np. karotenoidy).

Ropa naftowa

Ropa naftowa jest ciekłą mieszaniną jednorodną węglowodorów w stanie gazowym, ciekłym i stałym, wzajemnie w sobie rozpuszczonych. Aby wydzielić składniki ropy naftowej, Poddaje się ją procesowi destylacji. Metoda ta polega na oczyszczaniu i rozdzielaniu ciekłej mieszaniny na składniki, przy wykorzystaniu różnicy ich temperatór wrzenia. Produkty destylacji ropy naftowej, takie jak: benzyna, nafta, oleje napędowe, to również mieszaniny węglowodorów.

Gaz ziemny

Naturalny gaz ziemny, nagromadzony głęboko pod powierzchnią ziemi, powstawał w odległych okresach geologicznych, w wyniku stopniowego rozkładu szczątków organizmów. Wypełnia on drobne szczeliny materiałów porowatych, takich jak piaski, wapienie. Towarzyszy zwykle złożom ropy naftowej, ale może również występować jako złoże niezależne.

Gaz ziemny to gazowa mieszanina węglowodorów o niewielkiej liczbie atomów węgla w cząsteczce. Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan - należy on do gazów palnych, dlatego używa się go jako źródła energii, np. w piecach, kuchenkach gazowych, silnikach. Jest też ważnym surowcem w przemyśle chemicznym.

Węgle kopalne

Źródłem węglowodorów są też węgle kopalne (np. węgiel kamienny). Gaz świetlny, nazywany również gazem koksowniczym, to jeden z produktów termicznego rozkładu węgla kamiennego. Jest gazem palnym, składającym się z wodoru (60%), węglowodorów (30%), amoniaku, siarkowodoru, tlenku węgla (II), azotu. Używa się go do otrzymywania amoniaku oraz hutnictwie i w elektrociepłowniach jako opał.

Ciekawostka

Objętość ropy naftowej mierzy się w baryłkach. 1 baeyłka tego surowca to około 159 litrów. Wydobytą ropę naftową poddaje się w rafineriach procesowi destylacji frakcyjnej, zwanemu także destylacją frakcjonowaną. Otrzymane frakcje to wysokoenergetyczne produkty używane bezpośrednio lub przetwarzane dalej w przemyśle petrochemicznym.

Destylacja ropy naftowej:

a) frakcje gazowe (gaz rafineryjny)

b) benzyna

c) nafta

d) oleje napędowe

e) smary

f) mazut

g) asfalt.

Występujące w poszczególnych frakcjach ropy naftowej węglowodory różnią się liczbą atomów węgla w cząsteczce. Każdą z otrzymanych frakcji poddaje się kolejnym przemianom.

Gaz rafineryjny oprócz metanuskłada się też z innych węglowodorów, m. in. z propanu i butanu, które po skropleniu tworzą gaz płynny (LPG- ang. Liquified Petroleum Gas). Jest on używany jako paliwo.

Węgiel

Węgiel (łac. carboneum) – pierwiastek chemiczny o symbolu C o liczbie atomowej 6. Należy do grupy 14 układu okresowego, jest niemetalem. Posiada cztery elektrony walencyjne. Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla, 12C oraz 13C są stabilne, natomiast izotop 14C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności. Jako pierwszy polską nazwę – węgiel – zaproponował Filip Walter.

Znanych jest kilka odmian alotropowych węgla, z czego najbardziej znane to grafit oraz diament. Właściwości fizyczne węgla zależą od odmiany w jakiej występuje. Na przykład diament jest przezroczysty, natomiast grafit jest nieprzezroczysty i czarny. Diament jest jednym z najtwardszych materiałów na ziemi, podczas gdy grafitem można narysować kreskę na papierze. Diament ma bardzo niskie przewodnictwo właściwe, a grafit jest dobrym przewodnikiem elektrycznym. Diament posiada najwyższą przewodność cieplną z wszystkich znanych materiałów w warunkach normalnych. Wszystkie odmiany alotropowe węgla są w warunkach normalnych ciałami stałymi. Innymi odmianami alotropowymi węgla są: fuleren oraz formy poliynowe. Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są: nanocebulka, nanorurka, nanopianka, karbin, choć są to raczej nazwy struktur supramolekularnych, niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.

Wszystkie formy występowania węgla są wysoce stabilne, wymagają wysokiej temperatury żeby przereagować nawet z tlenem. Największe ilości nieorganicznego węgla występują w postaci skał wapiennych, dolomitów oraz dwutlenku węgla, natomiast znaczne ilości węgla organicznego znajdują się w paliwach kopalnych. Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie inne pierwiastki chemiczne. Liczba organicznych związków węgla zarejestrowanych w bazie Beilstein w roku 2008 wynosiła 10 853 341, co jest małą częścią teoretycznych związków jakie można z niego otrzymać.

Węgiel znajduje się na czwartym miejscu najczęściej występujących pierwiastków we Wszechświecie, po wodorze, helu i tlenie. Jest obecny we wszystkich organizmach żywych. W ludzkim ciele jest po tlenie najliczniejszym pierwiastkiem ze względu na masę (ok. 18,5%). Ta ilość w połączeniu z różnorodnością związków organicznych stawia węgiel jako chemiczną podstawę życia.

Charakterystyka

Różne odmiany alotropowe węgla wykazują bardzo różne właściwości, np. diament jest najtwardszą naturalnie występującą substancją, grafit jest jedną z substancji o najmniejszej twardości. Ponadto węgiel ma powinowactwo do tworzenia wiązań chemicznych z innymi małymi atomami, włączając w to inne atomy węgla oraz tworzenia wielu wiązań kowalencyjnych z tymi atomami w wyniku czego związki zawierające węgiel w swojej strukturze stanowią znaczną cześć wszystkich znanych związków, liczba ich dochodzi do dziesięciu milionów. Węgiel posiada także najwyższe temperatury topnienia oraz sublimacji z wszystkich pierwiastków. Przy ciśnieniu atmosferycznym nie występuje w ogóle topnienie węgla, a jego punkt potrójny występuje przy 10 MPa (100 bar) więc sublimuje on powyżej 4000K. Węgiel sublimuje do łuku węglowego w temperaturze ok. 5800K. więc niezależnie od odmian alotropowych węgiel pozostaje ciałem stałym w wyższych temperaturach niż metale o najwyższych temperaturach topnienia (wolfram i ren). Jednakże termodynamicznie węgiel bardzo łatwo się utlenia, znacznie lepiej niż żelazo czy miedź które są słabymi reduktorami w temperaturze pokojowej.

Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi a cykl węglowo-azotowo-tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Pomimo różnorodności związków węgla większość tych form jest stosunkowo słabo reaktywna w warunkach normalnych. Nie reaguje z kwasem siarkowym (VI), kwasem solnym, chlorem ani zasadami. W podwyższonej temperaturze węgiel reaguje z tlenem tworząc tlenki węgla, oraz redukuje wiele tlenków metali, takich jak tlenek żelaza, do metalu. Ta egzotermiczna reakcja jest używana w przemyśle żelazowym i stalowym do kontroli zawartości węgla w stali:

Fe3O4+ 4C(s) → 3Fe(s) + 4CO(g)

Z siarką tworzy dwusiarczek węgla, a z parą wodną tlenek węgla i wodór:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Węgiel reaguje z niektórymi metalami tworząc węgliki, takie jak węglik żelaza (cementyt), węglik wolframu który dzięki swojej twardości jest używany w różnego rodzaju narzędziach tnących.

Odmiany alotropowe węgla

Alotropia polega na występowaniu jednego pierwiastka w dwóch lub więcej odmianach, różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe mogą mieć różną budowę krystaliczną (diament i grafit) lub różne ilości atomów w cząsteczce (np. tlen jako O2 i O3- ozon).

Odmiany alotropowe węgla:

a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit d) fuleren C60 e) fuleren C540 f) fuleren C70

g) węgiel amorficzny, h) nanorurka

Węgiel posiada następujące odmiany alotropowe:

- diament,

- fuleren,

- grafit,

- grafen,

- lonsdaleit.

Niektórzy uważają też, że jego odmianami alotropowymi są formy poliynowe:

- karbin,

- nanocebulka,

- nanopianka,

- nanorurka

choć są to raczej nazwy struktur supramolekularnych niż odmiany alotropowe w pełnym tego słowa znaczeniu.

Diament

Czysty diament tworzy przezroczyste bezbarwne kryształy. Jest najtwardszym z minerałów, który nie przewodzi prądu elektrycznego i silnie łamie światło. Diament zawierający zanieczyszczenia może być zabarwiony na czerwono, żółto, fioletowo, niebiesko lub brunatno. Spotykane są także czarne diamenty. Oszlifowane diamenty to tzw. brylanty, które są uważane za najładniejsze kamienie szlachetne. Diamenty, które mogłyby być stosowane w jubilerstwie spotykane są raczej rzadko, a znaczna część wydobywanego minerału używana jest do innych celów: do obróbki ceramiki, skał i szkła, szlifowania, jako materiał ścierny oraz w wiertnictwie.

Ogrzewanie diamentu bez dostępu powietrza prowadzi do otrzymania grafitu. Przemiana odwrotna napotyka natomiast wiele trudności i udało się ją zrealizować dopiero w 1955 roku przez amerykańskich uczonych.

Diament jest mało aktywny nawet w wysokiej temperaturze. W powietrzu ulega powolnemu spalaniu w temperaturze powyżej 1100K. Nie reaguje z kwasami i zasadami.

Grafit

Druga odmianą alotropową węgla, która również występuje w postaci minerału, jest grafit. Jest to miękkie, łupliwe, czarno-szare, tłuste w dotyku ciało stałe. Grafit dobrze przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Ponieważ wykazuje on wysoka odporność na temperaturę, stosowany jest do produkcji tygli do topienia metali. Używany jest do wyrobu elektrod, ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne. Znalazł również zastosowanie jako grafit w ołówkach, smar oraz moderator w reakcjach jądrowych.

Fulereny

Inną odmianą alotropową węgla, która nie jest spotykana w przyrodzie, są fulereny. Są one najnowszą poznaną odmianą alotropową węgla, odkrytą w 1985r przez Roberta Curla i Richarda Smalleya (w 1990 po raz pierwszy uzyskano syntetyczne fulereny). Są one zbudowane z parzystej ilości atomów węgla (najczęściej cząsteczki zawierają 60 i 70 atomów C), najmniejsza cząsteczka zawiera 28 atomów węgla a największa dotychczas otrzymana to 1500 atomów. Mają one właściwości półprzewodnikowe i nadprzewodnikowe.

Występowanie

Naturalne złoża węgla kamiennego i węgla brunatnego to mieszanina węgla w postaci grafitu, sadzy i różnego rodzaju zanieczyszczeń. Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,018%, co daje mu 14 miejsce pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej.

Występuje w postaci pierwiastka chemicznego (postać czysta):

- grafit

- diament

- fulereny

Występują jako związki chemiczne:

- nieorganiczne: węglany, węgliki, tlenki Węgiel związany chemicznie wchodzi za równo w skład minerałów , głównie w postaci kwasu węglowego i jego soli kwasu węglowego (węglany np.: skały wapienne to węglan wapnia), szeroko rozpowszechnionych gazów : tlenki węgla (II) i(IV), węglików

- organiczne (tworzy ich szkielet): białka, tłuszcze i cukry, węglowodory, alkohole, estry itp.

W mieszaninach jakimi są paliwa kopalne (zawartość pierwiastkowego węgla w tych substancjach waha się w szerokich granicach; węgiel występuje w formie związanej):

- gaz ziemny

- ropa naftowa

- torf i antracyt

- węgiel kamienny

- węgiel brunatny

Węgiel jest pierwiastjiem niezbędnym do istnienia życia. Wszystkie organizmy żywe, zarówno rośliny jak i zwierzęta zbudowane są ze związków organicznych. Związki organiczne stanowią również nasze pożywienie i źródło energii dla naszych organizmów. Rośliny w procesie fotosyntezy „przetwarzają” nieorganiczny związek węgla jakim jest dwutlenek węgla w związek organiczny – glukozę. Wiele związków organicznych nie jest budulcem organizmów żywych, jednak pełni wiele ważnych, a często wręcz niezbędnych funkcji dla istnienia życia. Związki organiczne są również nieocenionymi surowcami dla wielu gałęzi przemysłu np.: farmacji, medycyny, przemysłu spożywczego, kosmetycznego itd.

Obieg węgla

Diagram przedstawiający obieg węgla w przyrodzie.

W ziemskich warunkach, zmiana jednego związku w drugi jest rzadka. jednak ilość węgla na ziemi jest stała. Dlatego musi istnieć proces powodujący utrzymanie równej ilości węgla w różnych częściach ziemi. Ścieżki jakimi "wędruje" węgiel tworzą obieg węgla w przyrodzie. Np. rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza i używają go do produkcji biomasy w procesie fotosyntezy lub cyklu Calvina. Część biomasy produkowanej przez rośliny zostaje zjedzona przez zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana w postaci dwutlenku węgla.

Znaczenie biologiczne węgla

Węgiel stanowi podstawę życia na Ziemi, ponieważ tworzy wszystkie związki organiczne.

Zastosowanie węgla

Węgiel jest jednym z paliw kopalnych i ważnym źródłem nieodnawialnej energii. Uważa się, że spalanie węgla, a także innych kopalnych paliw przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego.

Naturalna zawartość izotopu 14C wykorzystywana jest do tzw. datowania radiowęglowego. W czasie życia w organizmie żywym przyswajane są związki z węglem 14C i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję węgla 14C do całkowitej ilości węgla.

Grafit jest stosowany w poligrafii do produkcji ołówków oraz jako jedna z elektrod w spawalnictwie. Diament jest kamieniem szlachetnym stosowanym w jubilerstwie oraz ze względu na swoją wysoką twardość w urządzeniach pomiarowych, narzędziach do skrawania, zwłaszcza szlifowania i wiercenia. Węgiel bezpostaciowy jest używany w medycynie oraz jako węgiel aktywny do procesów filtracji i oczyszczania

Węgiel jest jedynym z tych pierwiastków chemicznych, które występują w odmianach różniących się właściwościami. Dwie najbardziej znane odmiany węgla to diament i grafit. Diament - najcenniejszy kamień szlachetny, zwykle bezbarwny i przezroczysty - jest najtwardszą substancją występującą w przyrodzie. Natomiast grafit to czarnoszara, miękka substancja stała, używana jako rysik w ołówkach.

Węglowodory są związkami składającymi się z węgla i wodoru. Podstawowym ich źródłem są surowce naturalne tzn. gaz ziemny, ropa naftowa, węgiel kamienny. Powstały w wyniku przemian organizmów żywych w warunkach beztlenowych. Gaz i ropa powstały z martwych komórek bakterii natomiast węgiel powstał z paprotników zatopionych w bagnach.

Bibliografia:

1) Chemia Nowej Ery podręcznik dla gimnazjum część 3 J. Kulawik, T. Kulawik, M. Litwin

2) http://pl.wikipedia.org/wiki/W%C4%99glowodory

3) http://pl.wikipedia.org/wiki/W%C4%99giel_%28pierwiastek%29

4) http://obluze.pl/klasa3/lekcje/45-lekcje/132--wgiel-pierwiastkowy.html

5) http://www.bryk.pl/teksty/liceum/chemia/chemia_organiczna/12992-w%C5%82a%C5%9Bciwo%C5%9Bci_fizyczne_i_chemiczne_w%C4%99gla.html