Jerzy Masełko

WĘGIEL, TLENEK WĘGLA, DWUTLENEK WĘGLA

Węgiel

Węgiel w przyrodzie występuje najczęściej w postaci skomplikowanych związków organicznych. W tej postaci występuje węgiel w węglach kopalnych i ropie naftowej. Związki węgla są też głównym składnikiem gazu ziemnego. W postaci niezwiązanej węgiel występuje w przyrodzie w wielu odmianach alotropowych w tym jako diament, grafit, fuleren.

Diament odznacza się dużą twardością i ta jego cecha znalazła zastosowanie techniczne. Druga odmiana alotropowa węgla - grafit jest miękka i łupliwa. W kryształach grafitu atomy węgla w jednej płaszczyźnie są powiązane ze sobą silnymi wiązaniami o charakterze atomowym, natomiast w płaszczyźnie do niej prostopadłej wiązania są znacznie słabsze, typu van der Waalsa. Dlatego grafit występuje w postaci łupków. Węgiel bezpostaciowy jest bardzo rozdrobnionym grafitem, ma dużą powierzchnię i silne własności adsorpcyjne. Fulereny są odmianą węgla mającą postać mniej lub bardziej regularnych sfer zawierających kilkadziesiąt atomów węgla. Najtrwalszy i najbardziej symetryczny jest fuleren C₆₀ budową przypominający piłkę futbolową.

Adsorpcja jest zjawiskiem powierzchniowym i polega na zagęszczeniu jonów i cząsteczek na powierzchni ciała stałego. W przypadku grafitu cząsteczki utrzymywane są na powierzchni węgla dzięki siłom van der Waalsa. Najlepsze właściwości adsorpcyjne ma węgiel aktywny, który stosuje się do odbarwiania syropu cukrowego, otrzymywania wysokiej próżni, osuszania gazów oraz w maskach przeciwgazowych.

Jedną z metod otrzymywania węgla aktywnego jest sucha destylacja drewna. Polega ona na prażeniu drewna bez dostępu powietrza. Produktami suchej destylacji drewna są:

• węgiel drzewny (aktywny)

• gaz drzewny, w którego skład wchodzi metan, tlenek węgla, dwutlenek węgla i acetylen

• ocet drzewny będący mieszaniną kwasu octowego, alkoholu metylowego i acetonu

• smoła drzewna - mieszanina cięższych substancji organicznych

Węgiel drzewny używany jest tam, gdzie istnieje potrzeba stosowania bardzo czystego węgla aktywnego, np. do celów leczniczych.

Węgiel dzięki dużemu powinowactwu do tlenu ma silne własności redukcyjne, które znalazły zastosowanie w przemyśle. Węglem redukuje się tlenki metali i otrzymuje tlenki węgla, które ulatniają się, oraz stopiony metal, np.:

ZnO + C = Zn + CO

ZnO + CO = Zn + CO₂

Podobnie otrzymuje się ołów z tlenku ołowiu.

Tlenek węgla powstaje przy niecałkowitym spalaniu węgla lub przez redukcję dwutlenku węgla CO₂ według reakcji: Zn + CO₂ = ZnO + CO. Duże ilości tlenku węgla otrzymuje się z gazu wodnego, który powstaje w następujących reakcjach:

C + H₂O = CO + H₂ ;

CO + H₂O = CO₂ + H₂

Gaz wodny służy też do otrzymywania wodoru na skalę techniczną. Tlenek węgla jest gazem bezbarwnym i bez zapachu. Mimo występowania w nim węgla na +2 stopniu utlenienia jest związkiem trwałym. Tlenek węgla jest silną trucizną a w mieszaninie z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową. Pali się charakterystycznym płomieniem. Jest materiałem wyjściowym do wielu syntez organicznych.

Dwutlenek węgla otrzymuje się przez całkowite spalenie węgla i jego związków lub przez rozkład węglanów. Dwutlenek węgla jest gazem bezbarwnym i bez zapachu. Znajduje zastosowanie do produkcji napojów chłodzących oraz jako środek chłodzący, w postaci stałego CO₂ zwanego suchym lodem. Dwutlenek węgla doskonale rozpuszcza się w wodzie. Jeden m³ wody rozpuszcza 2 m³ CO₂. W czasie rozpuszczania się CO₂ w wodzie powstaje kwas węglowy, który ulega dysocjacji:

CO₂ + H₂O  H₂CO₃

H₂CO₃  H⁺ + HCO₃^- ;

HCO₃^-  H⁺ + CO₃^2-

Kwas węglowy jest kwasem słabym. Tworzy sole kwaśne i obojętne, np. Ca(HCO₃)₂ i CaCO₃. Węglany kwaśne i obojętne metali alkalicznych są rozpuszczalne w wodzie. Węglany obojętne wapnia i baru są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast kwaśne rozpuszczają się dobrze.

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Doświadczenie 1. Sucha destylacja drewna

Napełnij probówkę do 3/4 objętości drobnymi kawałkami drewna i ogrzewaj małym płomieniem palnika, obserwując wydzielanie się gazowych, ciekłych i stałych produktów rozkładu drewna. Nie przerywając ogrzewania zapal gaz wychodzący z rurki odprowadzającej. Zwróć uwagę na kondensację ciekłych produktów suchej destylacji drewna na ściankach probówki.

Doświadczenie 2. Adsorpcyjne właściwości węgla drzewnego - adsorpcja substancji barwnych z roztworu.

Stożkową probówkę napełnij do połowy jasnoróżowym roztworem barwnika (fuksyny). Do roztworu wsyp 2 mikroszpachelki sproszkowanego węgla drzewnego. Zatkaj probówkę szczelnie palcem i energicznie wstrząsaj w ciągu 2-3 minut. Oddziel węgiel drzewny od roztworu przez odsączenie. Zwróć uwagę na zmianę zabarwienia roztworu.

Doświadczenie 3. Adsorpcyjne właściwości węgla aktywnego. Adsorpcja jonów z roztworu.

Do probówki wprowadź 2-3 krople roztworu azotanu ołowiu o stężeniu 0.001 M, dodaj kroplę roztworu jodku potasu o stężeniu 0.1M. W wyniku reakcji jodku potasowego z

azotanem ołowiu wytrąci się żółty osad jodku ołowiu. Probówkę z otrzymanym osadem zachowaj jako porównawczą. Drugą probówkę napełnij do 1/4 objętości tym samym roztworem azotanu ołowiu, wsyp 2 mikroszpachelki sproszkowanego węgla aktywnego. Po zatkaniu palcem probówki, wstrząsaj nią energicznie w ciągu 2-3 minut. Roztwór oddziel od węgla przez przesączenie, pobierz pipetką 2-3 krople klarownego roztworu i przenieś do drugiej probówki, po czym dodaj 1 kroplę roztworu KI. Zauważ brak żółtego osadu w drugiej probówce.

Doświadczenie 4. Redukcyjne właściwości węgla .

Na kawałku bibuły do sączenia zmieszaj jednakowe ilości (po jednej mikroszpachelce) tlenku miedzi i sproszkowanego węgla. Do tygielka porcelanowego wsyp 1 mikroszpachelkę otrzymanej mieszaniny i włóż do rozgrzanego pieca na 10 minut. Po wyciągnięciu z pieca dodawaj powoli kroplami 5 kropli alkoholu metylowego. Po ostudzeniu tygla wysyp jego zawartość na kawałek białego papieru i oceń zawartość. Napisz reakcje powstawania miedzi.

Doświadczenie 5. Otrzymywanie węglanu i wodorowęglanu wapnia.

Probówkę napełnij wodą wapienną powyżej połowy jej objętości. Otrzymany z gaśnicy śniegowej dwutlenek węgla przepuść przez przygotowany roztwór aż do wytrącenia się osadu węglanu wapnia; przy dalszym przepuszczaniu strumienia CO₂ następuje rozpuszczanie się osadu, spowodowane powstawaniem wodorowęglanu wapnia. Połowę otrzymanego roztworu wodorowęglanu wapnia przenieś do nowej probówki i ostrożnie ogrzewaj do wrzenia. Do pozostałej części dodaj 1-2 krople roztworu wodorotlenku sodu o stężeniu 2M. Zwróć uwagę na wytrącanie się osadu w obu probówkach. Zapisz zachodzące reakcje.

---