„Związki nieorganiczne węgla i ich właściwości”.
Węgiel, symbol C, jest to pierwiastek chemiczny należący do grupy IV A w układzie okresowym, liczba atomowa 6, masa atomowa 12,0. Znanych jest 12 izotopów węgla, w tym 2 trwałe. W przyrodzie występuje w stanie wolnym, ponadto w licznych związkach chemicznych w organizmach roślinnych i zwierzęcych, węglach kopalnych, ropie naftowej, gazie ziemnym, minerałach, atmosferze (atmosfera ziemska).
Tworzy odmiany alotropowe: diament, grafit, fullereny, węgiel bezpostaciowy (sadza, węgiel aktywny). Jest typowym niemetalem.
Temperatura topnienia powyżej 3550C. W związkach chemicznych na -4, +2 i +4 stopniu utlenienia. W temperaturze pokojowej łączy się z fluorem (CF4). Silnie ogrzany reaguje z tlenem (CO2), siarką (CS2), wodorem, parą wodną, metalami.
Jest odporny na działanie kwasu solnego i fluorowodoru, z azotem reaguje podczas wyładowań elektrycznych ((CN)2).
Do najważniejszych związków węgla należą: czterochlorek węgla, freony, fosgen, dwusiarczek węgla, dwutlenek węgla, tlenek węgla, woda sodowa, sekwikarbonat, wodorotlenek sodu, węglan sodu, cyjanki, izocyjaniany, węglowodory, związki międzywęzłowe.
Jest źródłem energii w przemyśle, środkiem redukującym stosowanym przy otrzymywaniu niektórych metali. Izotop 14C jest wskaźnikiem promieniotwórczym. Liczne zastosowania mają organiczne związki węgla, np. polimery.
Związkami nieorganicznymi węgla są:
Węglany czyli sole i estry kwasu węglowego. Zawierają anion CO3 lub HCO3 (w wodorowęglanach). Wykazują trwałość znacznie większą niż kwas węglowy. W wodzie rozpuszczalne są tylko węglany litowców oraz wodorowęglany litowców i berylowców. Sole te ulegają hydrolizie. Ogrzewanie węglanów powoduje ich rozkład na tlenek metalu i dwutlenek węgla (tylko węglany litowców można stopić bez uprzedniego rozkładu) - również w reakcji z kwasami rozkładają się z uwolnieniem tego gazu. Do ważniejszych należą:
Węglan magnezu (MgCO3) jest to biały, lekki proszek, trudno rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach i roztworach soli amonowych. Powstaje w reakcji siarczanu magnezu z węglanem sodu. Stosowany w przemyśle gumowym, szklarskim, w lecznictwie i kosmetyce, do wyrobu atramentów, a także innych związków magnezu.
Węglan potasu (K2CO3) inaczej zwany węglanem dwupotasu lub potaż jest to biała substancja krystaliczna, dobrze rozpuszczalna w wodzie, o temperaturze topnienia 891oC. Tworzy hydraty, posiada własności higroskopijne, w roztworach wodnych hydrolizuje. Pod wpływem kwasów ulega rozkładowi wydzielając dwutlenek węgla. Otrzymywany jest przez wprowadzanie dwutlenku węgla do wodnego roztworu wodorotlenku potasu. Stosowany w przemyśle szklarskim, ceramicznym, do produkcji środków piorących, do otrzymywania innych związków potasu.
Węglan sodu (Na2CO3) zwany też węglanem dwusodu, sodą, sodą amoniakalną lub też sodą kalcynowaną jest to biała substancja krystaliczna, rozpuszczalna w wodzie, o temperaturze topnienia 853oC. Tworzy hydraty, posiada własności higroskopijne, w roztworach wodnych hydrolizuje. Pod wpływem kwasów ulega rozkładowi wydzielając dwutlenek węgla. Na skalę przemysłową węglan sodu otrzymuje się metodą amoniakalną Solvaya, której zasadniczymi etapami są: wprowadzanie dwutlenku węgla do roztworu chlorku sodu nasyconego amoniakiem, w wyniku czego powstaje wodorowęglan sodu oraz termiczny rozkład (kalcynacja) odsączonego wodorowęglanu z utworzeniem węglanu sodu. Stosowany w przemyśle szklarskim, do produkcji środków piorących i papieru, do zmiękczania wody, jako odczynnik laboratoryjny i topnik.
Węglan wapnia (CaCO3) to biała substancja krystaliczna, trudno rozpuszczalna w wodzie - rozpuszcza się w wodzie nasyconej dwutlenkiem węgla (przechodząc w wodorowęglan wapnia) lub w roztworze chlorku amonu (przechodząc w chlorek wapnia). W wysokich temperaturach, a także pod wpływem kwasów ulega rozkładowi z wydzieleniem dwutlenku węgla. W przyrodzie występuje w postaci minerałów: aragonitu i kalcytu. Stosowany do wyrobu papieru, kitu, past do zębów, farb, gumy, wapna palonego, cementu, kredy do pisania.
Węgliki, ich wzór ogólny to MxCy, są to związki węgla z pierwiastkami mniej elektroujemnymi. W zależności od typu wiązania, rozróżnia się węgliki:
jonowe, tworzone głównie przez metale grup I A, II A, III A. Są to substancje krystaliczne, pod wpływem wody ulegają rozkładowi z wydzieleniem odpowiedniego węglowodoru. Przykłady: Na2C2, BaC2, Al4C3.
międzywęzłowe (metaliczne), tworzone przez metale grup IV B, V B, VI B. Odznaczają się twardością i kruchością, topią się w wysokich temperaturach, odporne chemicznie, mają metaliczny połysk, przewodzą prąd elektryczny. Atomy węgla zajmują pozycje międzywęzłowe w sieci krystalicznej utworzonej przez atomy metali. Przykłady: TiC, MoC, V2C, W2C.
kowalencyjne będące związkami węgla z pierwiastkami o porównywalnej elektroujemności, które tworzą z nim wiązanie kowalencyjne. Bardzo twarde substancje krystaliczne, bierne chemicznie. Przykłady: SiC, B4C.
Węgliki otrzymuje się przez bezpośrednią reakcję pierwiastka lub jego tlenku z węglem lub węglowodorami. Znajdują szerokie zastosowanie jako materiały ścierne i ogniotrwałe, reduktory (w metalurgii), katalizatory, a także w produkcji narzędzi skrawających i elementów oporowych.
Cyjanki są to sole kwasu cyjanowodorowego. Dobrze rozpuszczalne w wodzie są cyjanki litowców i berylowców. Cyjanki łatwo hydrolizują. Ogrzewane z siarką, przechodzą w tiocyjaniany. Tworzą związki kompleksowe z metalami przejściowymi. Do najważniejszych należą cyjanki sodu i cyjanki potasu. Cyjanek sodu jest otrzymywany z amidku sodu ogrzewanego z węglem albo z cyjanoamidku wapnia ogrzewanego z węglem i sodą. Cyjanki znajdują zastosowanie w galwanotechnice oraz metalurgii złota i srebra. Cyjanki organiczne noszą nazwę nitryli.
Tlenek węgla, czyli inaczej czad (CO), bezbarwny, bezwonny gaz, lżejszy od powietrza, trudno rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w alkoholu, temperatura wrzenia -191,5oC. Utlenia się do dwutlenku węgla. Aktywny chemicznie, reaguje z chlorem (fosgen), siarką (tlenosiarczek węgla), metalami (karbonylki), zasadami (mrówczany), wodorem (gaz do syntezy). Tlenek węgla otrzymuje się przez niecałkowite utlenianie węgla lub reakcję węgla z parą wodną. Jest składnikiem technicznie ważnych gazów: miejskiego, generatorowego, do syntezy, wodnego. Wykorzystywany jako reduktor do wydzielania metali z ich tlenków.
Dwutlenek węgla (CO2) jest bezbarwnym gazem, pozbawiony zapachu, niepalny, cięższy od powietrza, dobrze rozpuszczalny w wodzie. Łatwo ulega skropleniu. W temperaturze -78,5oC sublimuje. W przyrodzie występuje w stanie wolnym lub związanym. W laboratorium otrzymywany w reakcji kwasu solnego z marmurem. W przemyśle, źródłami CO2 są: wypalanie wapieni, spalanie koksu w powietrzu, procesy fermentacyjne. Dwutlenek węgla jest wykorzystywany do produkcji sody amoniakalnej, wody sodowej, suchego lodu. Stężenie w powietrzu atmosferycznym - ok. 0,03%, w powietrzu wydechowym - ok. 4-5%, w powietrzu pęcherzykowym - 5-6%. Dwutlenek węgla jest czynnikiem regulującym oddychanie przez działanie pobudzające ośrodek oddechowy. Niedobór dwutlenku węgla we krwi (hipokapnia, hipokarbia) powoduje spłycenie oddychania, a nawet chwilowy bezdech. Nadmiar tego gazu (hiperkapnia, hiperkarbia) wywołuje pogłębienie i przyspieszenie oddychania, a następnie porażenie ośrodka oddechowego, utratę przytomności i bezdech. Stłumienie czynności ośrodka oddechowego, np. przez narkotyki, środki nasenne, wywołuje spłycenie i zwolnienie oddychania, doprowadza do zalegania (retencja) dwutlenku węgla w ustroju (hiperkapnia, hiperkarbia) i kwasicy oddechowej. Typowymi cechami klinicznymi tego stanu są: przyspieszenie tętna, wzrost ciśnienia tętniczego krwi, zaczerwienienie skóry i pocenie się. Prawidłowa prężność dwutlenku węgla we krwi tętniczej wynosi 5,3 kPa (40 mm Hg). Wzrost prężności powyżej 60 mm Hg wymaga, w celu usunięcia nadmiaru dwutlenku węgla, sztucznego zwiększenia wentylacji płuc przez zastosowanie oddechu wspomaganego lub kontrolowanego (hiperkapnia, hipokapnia, depresja oddechowa).
Kwas węglowy jest to roztwór dwutlenku węgla CO2 w wodzie, o odczynie słabo kwaśnym. W temperaturze pokojowej w 1 objętości wody rozpuszcza się około 0,9 objętości CO2 z tego 0,1% uwadania się tworząc słaby kwas węglowy H2CO3, dusocjujący w około 0,2%: H2CO3 → H+ + HCO3-. Sole kwasu węglowego są to węglany. Zastosowanie kwasu węglowego. Jako napoje orzeźwiające, woda sodowa. Nazwa kwasu węglowego oznacza niekiedy (nieprawidłowo) bezwodnik kwasu węglowego, tzn. dwutlenek węgla.
1