Amoniak (nazwy systematyczne: azan, trihydrydoazot, wodorek azotu(III))

nieorganiczny związek chemiczny o wzorze NH3. Cząsteczka amoniaku ma kształt tzw. piramidy trygonalnej. Atom azotu wykazuje hybrydyzację sp3,

trzy z powstałych orbitali tworzą wiązania z atomami wodoru, czwarty jest zajmowany przez wolną parę elektronową. Jej obecność powoduje odpychanie elektronów tworzących wiązania N-H, przez co kąt między tymi wiązaniami jest nieco mniejszy (wynosi 106°45') niż np. między wiązaniami C-H w metanie (109°28') ale większy niż między wiązaniami O-H w wodzie (104°45'). Struktura piramidy trygonalnej nie jest jednak stereochemicznie stabilna - amoniak

i większość jego pochodnych (aminy) ulega tzw. inwersji parasolowej, w której cząsteczka "przewraca się na drugą stronę" jak parasol na silnym wietrze, a wolna para elektronowa przeskakuje na drugą stronę atomu azotu. Z powodu stosunkowo dużej różnicy elektroujemności między atomem azotu i wodoru - E = 0,84

(wg skali Paulinga) oraz asymetrycznej budowie, cząsteczka amoniaku ma dość duży moment dipolowy (µ=1,46 D). Polarność cząsteczek amoniaku jest przyczyną tworzenia się między nimi wiązań wodorowych. Amoniak jest palny (temperatura samozapłonu: 630 °C). Spala się żółtawym płomieniem na azot i wodę. Mieszaniny z powietrzem (15-28% obj. NH3) są wybuchowe. W stanie gazowym, powyżej 700 °C amoniak ma silne właściwości redukujące, co jest spowodowane jego dysocjacją termiczną z wydzieleniem wodoru. W niższych temperaturach jest stabilny chemicznie. Po dłuższym kontakcie z rtęcią, srebrem i halogenami wilgotny amoniak tworzy związki wybuchowe wrażliwe na uderzenia. Amoniak bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie tworząc wodę amoniakalną - w warunkach normalnych 1 objętość wody może rozpuścić 1176 objętości amoniaku, jednak w temperaturze 20 °C będą to już 702 objętości. W roztworach wodnych amoniak hydrolizuje wg równania: NH3 + H2O › NH4+ + OH- Stała Kb tej reakcji wynosi 1,81·10-5. Ciekły amoniak wykazuje wiele podobieństw do wody. Analogicznie do niej autodysocjuje wg równania: 2 NH3 › NH4+ + NH2- Stała Ki tej autodysocjacji w temperaturze -50 °C wynosi 10-30. Kation amonowy (NH4+)

jest słabszym kwasem (wg definicji Bronsteda i Lowry'ego) niż kation oksoniowy (H3O+), a anion amidkowy (NH2-) jest silniejszą zasadą niż jon wodorotlenowy, co powoduje, że nawet słabe kwasy silnie dysocjują w amoniaku, a silne zasady dysocjują słabo. Ciekły amoniak rozpuszcza metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych z wytworzeniem kolorowych, silnie reduktywnych, przewodzących prąd roztworów. Kolor roztworu zmienia się wraz ze stężeniem jonów metalu.

Przy małym stężeniu roztwór jest niebieski, przy zatężeniu zmienia barwę na brązową. Ze względu na hydrolizę amoniaku, jego roztwory wodne mają odczyn zasadowy i reagują z kwasami tworząc sole, w których skład wchodzi jon amonowy, np. azotan amonu czy siarczan(VI) amonu. W reakcji gazowego amoniaku

z gazowym chlorowodorem powstaje chlorek amonu. Reakcja ta zachodzi przy niewielkim udziale wilgoci. W wyniku wymiany jednego, dwóch lub trzech atomów wodoru przez atomy metali powstają kolejno: analogiczne do zasad amidki (np. amidek sodu czy amidek potasu), imidki (np. imidek wapnia) i analogiczne

do tlenków azotki (np. azotek magnezu). Wszystkie te związki łatwo hydrolizują na odpowiednie zasady i amoniak. Z niektórymi solami amoniak tworzy analogiczne do hydratów amoniakaty. Na przykład z chlorkiem wapnia tworzy amoniakat CaCl2 · 8NH3. Z tego powodu chlorek wapnia nie nadaje się do osuszania amoniaku. Amoniak znajduje szerokie zastosowanie w syntezie organicznej. W wyniku działania amoniaku na halogenowęglowodory powstają aminy będące homologami amoniaku:

CH3Cl + NH3 › CH3NH2 + HCl

w reakcji pochodnych halogenowych kwasów karboksylowych z nadmiarem amoniaku powstają aminokwasy:

CH2ClCOOH + NH3 › NH2CH2COOH + Hcl

a w reakcji estrów kwasu izocyjanowego z amoniakiem tworzą się alkilowe pochodne mocznika:

CH3NCO + NH3 › CH3NHCONH2.

W naturze amoniak powstaje jako produkt gnicia substancji białkowych. Do celów laboratoryjnych można otrzymać go w wyniku działania mocnych zasad na sole amonowe w podwyższonej temperaturze, np.: 2NH4Cl + Ca(OH)2 › CaCl2 + 2NH3 + 2H2O Inną, rzadszą metodą jest hydroliza azotków:

Mg3N2 + 6H2O › 3Mg(OH)2 + 2NH3

W przemyśle amoniak otrzymuje się bezpośrednio z pierwiastków metodą Habera i Boscha. Przed wynalezieniem metody Habera i Boscha do przemysłowego otrzymywania amoniaku stosowano reakcję hydrolizy cyjanoamidu wapnia, suchą destylację niektórych roślin i produktów zwierzęcych oraz redukcję kwasu azotowego(III) (azotawego) i jego soli wodorem in statu nascendi. Największe ilości amoniaku są w przemyśle zużywane do produkcji nawozów sztucznych

oraz do otrzymywania metodą Ostwalda tlenku azotu(II), który jest półproduktem do otrzymywania kwasu azotowego(V). Ponadto amoniaku używa się

do produkcji węglanu sodu (sody amoniakalnej) metodą Solvaya, materiałów wybuchowych, cyjanowodoru, tkanin syntetycznych etc. Ze względu na swoje własności termodynamiczne amoniak jest stosowany jako czynnik chłodniczy (R717), zwłaszcza w dużych urządzeniach chłodniczych. Woda amoniakalna stosowana jest jako składnik tzw. soli trzeźwiących w celu przywróceniu świadomości osób, u których wystąpiło omdlenie. Cucenie za pomocą wody amoniakalnej przeprowadza się poprzez umieszczenie otwartej fiolki w pobliżu nosa osoby omdlałej. Ostry zapach stanowi bodziec wywołujący rozbudzenie. Ciekły amoniak wylany na skórę wywołuje odmrożenia. Jest przy tym silnie toksyczny (LC50rat(inh.) = 7,5 g/m3 (2h), LD50rat(oral) = 350 mg/kg), działa drażniąco na skórę

i błony śluzowe. Pierwszy opisany związek amoniaku - salmiak (chlorek amonu), otrzymany został ok. roku 332 p.n.e. z odchodów wielbłądów w pobliżu świątyni Amona w oazie Siwa na terenie dzisiejszego Egiptu. Stąd pochodzi nazwa "amoniak" używana w różnych formach w większości języków świata. Chlorek amonu był też znany przez średniowiecznych alchemików - był wzmiankowany przez Alberta Wielkiego na początku XIII w. W XV w. Basilius Valentinus otrzymał amoniak przez działanie na tę sól zasadą. Skład amoniaku został ustalony przez Claude'a Louisa Bertholleta.

Węglowodany (cukrowce, sacharydy)

organiczne związki chemiczne składające się z atomów węgla, wodoru i tlenu. Są to związki zawierające jednocześnie liczne grupy hydroksylowe, karbonylowe oraz czasami mostki półacetalowe. Ogólnym wzorem sumarycznym węglowodanów jest CxH2yOy lub Cx(H2O)y (znane są jednak węglowodany niespełniające tego wzoru, np. deoksyryboza). Ze względu na liczbę jednostek cukrowych w cząsteczce, węglowodany dzielą się na:

* cukry proste, inaczej monosacharydy (jednocukry)

* dwucukry, inaczej disacharydy

* trójcukry, inaczej trisacharydy

* penta-, heksa-, hepta- itd. sacharydy: oligosacharydy

* wielocukry czyli polisacharydy.

Cukry proste ze względu na ilość atomów węgla w pojedynczej cząsteczce dzielimy na:

* triozy o 3 atomach węgla, np. aldehyd glicerynowy

* tetrozy o 4 atomach węgla, np. treoza

* pentozy o 5 atomach węgla, np. ryboza, rybuloza

* heksozy o 6 atomach węgla, np. glukoza, galaktoza i fruktoza.

Większość biologicznie ważnych monosacharydów ma 5 lub 6 atomów węgla, choć w fizjologii komórek (fotosynteza, cykl Krebsa) znaczenie mają też monosacharydy 3- i 4-węglowe, a spotyka się też monosacharydy i ich pochodne o większej niż 6 liczbie atomów węgla. Monosacharydy można także podzielić na:

* aldozy, w których występuje grupa aldehydowa (-CHO), np. deoksyryboza, ryboza, glukoza, galaktoza

* ketozy, w których występuje grupa ketonowa (=C=O), np. rybuloza, fruktoza.

Wszystkie monosacharydy posiadają właściwości redukcyjne, czyli dają pozytywny wynik prób zarówno Tollensa, jak i Trommera. Grupa aldehydowa w aldozach redukuje odczynniki Tollensa i Trommera, ulegając jednocześnie utlenieniu do grupy karboksylowej. W środowisku zasadowym podczas w/w prób ketozy ulegają reakcji enolizacji, tworząc epimery - dwie aldozy i jedną ketozę; powstające aldozy dają wynik pozytywny prób. Prawie wszystkie monosacharydy są optycznie czynne. Zwykle tylko jeden z dwóch stereoizomerów jest biologicznie aktywny. Cukry złożone powstają w wyniku połączenia wiązaniami glikozydowymi dwóch lub więcej cząsteczek cukrów prostych. Hydroliza cukrów złożonych prowadzi do rozerwania wiązań glikozydowych. Przebiega ona jednak tym trudniej,

im dłuższy jest łańcuch cukrowy i im bardziej jest on rozgałęziony. Cząsteczki cukrów mogą się łączyć wiązaniami glikozydowymi na dwa sposoby:

* typ α - cząsteczki są zwrócone tą samą stroną do góry, np. w cząsteczkach maltozy i skrobi; ten typ wiązania warunkuje charakterystyczne wygięcie łańcucha

polisacharydów

* typ ß - cząsteczki są zwrócone raz jedną, raz drugą stroną do góry.

Polisacharydy w których dominują wiązania ß (np. celuloza i celobioza) tworzą liniowe łańcuchy, które blisko do siebie przylegają i są powiązane licznymi wiązaniami wodorowymi, co powoduje, że stają się one nierozpuszczalne w wodzie i odporne mechanicznie. Natomiast skrobia, w której dominują wiązania

jest o wiele łatwiej rozpuszczalna i jej całkowita hydroliza jest możliwa dzięki kwasom i enzymom. Do dwucukrów zalicza się: sacharozę, laktozę, maltozę, celobiozę, rutynozę. Większość disacharydów (z wyjątkiem sacharozy) wykazuje właściwości redukcyjne. Do polisacharydów zalicza się: skrobię, glikogen, celulozę, pektynę, chitynę, a także wiele pochodnych cukrów. Łańcuchy polisacharydów dzieli się na:

* amylozy - łańcuch nierozgałęziony, łatwo rozpuszczalny w wodzie

* amylopektyny - łańcuch silnie rozgałęziony (występują także wiązania 1,6 glikozydowe), nierozpuszczalny w wodzie.

Polisacharydy nie wykazują właściwości redukcyjnych. Wiąże się to z bardzo małą ilością wolnych grup funkcyjnych w długich łańcuchach cukrowych.

Węglowodany spełniają w organizmach następujące funkcje:

* zapasowe - podczas wieloetapowego spalania 1 g glukozy w komórkach wyzwala się 17,2 kJ energii. U roślin magazynem energii jest głównie skrobia i inulina,

a u zwierząt oraz ludzi glikogen

* transportowa - u roślin transportową formą cukru jest sacharoza, a u zwierząt oraz ludzi glukoza

* budulcowa (celuloza, hemiceluloza)

* wchodzą w skład DNA i RNA, stanowią modyfikację niektórych białek.

* hamują krzepnięcie krwi - heparyna

* są materiałem energetycznym (fruktoza) i odżywczym (maltoza, laktoza, rafinoza).

Z żywieniowego punktu widzenia węglowodany można podzielić na przyswajalne przez człowieka (np. skrobia, fruktoza) oraz nieprzyswajalne tj. błonnik zwany włóknem pokarmowym. W skład błonnika wchodzą celuloza, pektyny oraz inne nietrawione przez człowieka związki mające korzystny wpływ na pracę układu pokarmowego. Termin cukry lub węglowodany jest potocznie utożsamiany z węglowodanami przyswajalnymi. Pochodnymi węglowodanów nazywamy cukry, których grupy hydroksylowe monomerów zostały zastąpione przez inne grupy funkcyjne, np. chityna, pektyny i heparyna.

Diament

minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Jest najtwardszą znaną substancją z występujących w przyrodzie. Właściwości:

* Dobra przewodność cieplna: 2000W/(m*K) wynikającą z efektywnego przewodnictwa fononowego

* Jest izolatorem, z wyjątkiem diamentu niebieskiego, który jest półprzewodnikiem

* Jest trudno topliwy i odporny na działanie kwasów i zasad

* Może zawierać wrostki innych minerałów

Tworzy zazwyczaj niewielkie kryształy przyjmujące postać ośmiościanu, rzadziej sześcianu. Duża część kryształów ma zaokrąglone kształty oraz wykazuje zbliźniaczenia. W przyrodzie stanowi jedną z pięciu, obok grafitu, fulerenów, nanopianki i nanorurek, odmian alotropowych węgla. Jest kruchy (rozpryskuje się

pod wpływem uderzenia), przezroczysty; zwykle zawiera śladowe ilości azotu, glinu, boru, manganu, krzemu, magnezu, chromu. Są w nim spotykane różne wrostki mineralne reprezentowane przez: oliwin, granat, pirop, pirotyn, ilmenit, rutyl, grafit, diopsyd, spinel oraz wcześniej wykrystalizowane diamenty. Rodzaj tych inkluzji pozwala na precyzyjne określenie miejsca pochodzenia danego kamienia. Minerał bardzo rzadki. Ze względu na cechy zewnętrzne wyróżnia się kilka typów diamentów:

* bort - występuje w postaci nieregularnych zrostów ziarnistych, drobnokrystalicznych skupień,

* ballas - promieniste skupienia kryształów diamentu,

* Lonsdaleit - polimorficzna odmiana diamentu o dużej gęstości atomowej,

* Karbonado - zwany też czarnym diamentem, występuje w postaci drobnoziarnistych, porowatych skupień zabarwionych na czarno, szaro lub ciemnozielono,

o różnej wielkości (aż do wielkości jaja), przypominające z wyglądu koks - spotykane przede wszystkim w Brazylii.

Diamenty naturalne monokrystaliczne klasyfikuje się na cztery grupy:

* Typ Ia - Stanowi 98% całkowitego wydobycia. Zawiera znaczne ilości azotu (około 1%) stanowiącego zanieczyszczenie. Silnie absorbują ultrafiolet,

są optycznie przezroczyste dla fal o długości ponad 320 nm, przewodnictwo cieplne 900 W/(m·K), rezystywność elektryczna >1016cm

* Typ Ib - Stanowi 1% całkowitego wydobycia. Zawiera do 0,2% azotu równomiernie rozproszonego w objętości kryształu. Własności optyczne, cieplne

i elektryczne jak typ Ia. Do tej grupy należą prawie wszystkie diamenty syntetyczne.

* Typ IIa - Prawie nie zawiera azotu. Rzadko występuje w przyrodzie. Przewodnictwo cieplne 2600 W/(m*K), rezystywność elektryczna >1016cm

* Typ IIb - Zawiera domieszkę boru. Błękitna barwa, rezystywność elektryczna >10-1000 ? cm, są półprzewodnikami typu p

Rozróżnia się dwa rodzaje występowania diamentów:

* złoża pierwotne, znajdujące się w miejscu gdzie powstały

- złoża kimberlitowe - mają wielkie znaczenie przemysłowo-gospodarcze (np. płd. Afryka, niektóre złoża w Brazylii).

- złoża perydotytowe - rzadko spotykane, mają małe znaczenie gospodarcze (np. w Sajanach).

* złoża wtórne - okruchowe, przeniesione w inne okolice

- złoża eluwialne - tworzą się przy podchodzeniu ku powierzchni utworów diamentonośnych na skutek ich wietrzenia i odłączenia się części lekkich

i rozpuszczalnych (np. Indie, Brazylia).

- złoża deluwialne - są produktem obsunięcia się materiału diamentonośnego posegregowanego dzięki różnicy ciężarów właściwych składników (spotykane

w Indiach i Brazylii).

- aluwialne złoża diamentonośne -występują w łożyskach i tarasach rzek współczesnych i dawnych (np. Borneo, płd. Afryka, Birma, Kongo, Brazylia).

- złoża okruchowe pochodzenia morskiego - spotykane na brzegach mórz i tarasach morskich w postaci wąskich pasów równoległych do wybrzeża

(np. Afryka płd-zach).

- złoża lodowcowe - znane ze zlepieńców lodowcowych Brazylii i dorzecza Oranje.

- złoża pochodzenia eolicznego - znane jedynie z pustyni Namib

- złoża mieszane - złoża Konga i Gujany Brytyjskiej (złoża odkryte w 1887 nad rzekami. Diamenty dorównują brazylijskim. Na 1 m3 przypada ok. 2 karaty

diamentów).

Złoża wtórne były znane wcześniej i mają większe znaczenie pod względem wydobytych i wydobywanych dotąd diamentów. Diamenty występują również

w meteorytach w postaci wysokociśnieniowej odmiany heksagonalnej zwanej lonsdaleitem. Miejsca występowania:

* Indie - złoża wtórne, znane na wiele wieków p.n.e. i będące jedynym źródłem diamentów do początku XVIII wieku. Obszar diamentonośny ciągnie się

na Półwyspie Hindustańskim w dolinach rzek: Penner, Kistnach, Gadavary. Średnia wielkość diamentów wynosi 0,6 karata. Są w najwyższym gatunku

pod względem czystości, połysku, przezroczystości. Wydobycie bardzo prymitywne. Złoża prawie wyczerpane.

* Rosja (w Jakucji (Trubka Udacznaja), Ural, Płw. Kola),

* Australia - nad rzekami Gwadir i Darling. Diamenty małe o dużej odporności, mniejszej łupliwości i silnym połysku.

* Republika Południowej Afryki - dorzecze Oranje, Vaal - znane od 1867 r. W 1870 r. odkryto wielkie złoża pierwotne typu kimberlitowego około Kimberley.

Tu w kopalniach znaleziono największe i najbardziej znane diamenty: Cullinan, Excelsior, Petz, Wiktoria, Juliusz Man. W 1927 r. wydobyto tam 4 708 038

karatów, a ze złóż pierwotnych 2 138 407 karatów diamentów.

* Demokratyczna Republika Konga - złoża przeważnie okruchowe, diamenty mają głównie znaczenie przemysłowe; wydajność wynosi 2-3 karatów na 1 m3

skały. Dostarczają ok. 65% produkcji światowej.

* Brazylia - Minas Gerais, Mato Grosso, Parana, - eksploatację złóż zaczęto w 1721 r. Złoża aluwialne (przy zboczach i tarasach rzek). Zawartość diamentów

wynosi przeciętnie 0,5-1 karata na 1 m3 skały. Występuje duża ilość diamentów czarnych (karbonado). Diamentom brazylijskim towarzyszą różne minerały

szlachetne i półszlachetne.

* Botswana - Orapa,

* Namibia,

* Senegal,

* Kanada,

* USA - złoża nie mają większego znaczenia przemysłowego,

* Angola.

Zastosowanie:

* jest stosowany przy produkcji materiałów ściernych (diamenty syntetyczne) i narzędzi tnących i skrawających (m.in. noży do cięcia szkła)

* do wyrobu past termoprzewodzących (diamenty syntetyczne)

* jako elementy w aparaturze naukowej i medycznej

* detektory cząstek elementarnych, dozymetry

* do wyrobu filier (wkładek kalibracyjnych - narzynek), do ciągadeł drutów i włókien sztucznych

* do wyrobu twardościomierzy i igieł fonograficznych

* w jubilerstwie do wyrobu biżuterii - odpowiednio oszlifowane diamenty noszą nazwę brylantów; cechy kamieni jubilerskich ma zaledwie 10-20% wszystkich

wydobywanych diamentów

Do najsłynniejszych diamentów na świecie należą:

* Cullinan - 3106 karatów, jest to największy znany diament, podzielony na 105 części i oszlifowany;

* Excelsior - 995,2 karata, podzielony na 11 części i oszlifowany, znaleziony w 1905 niedaleko Pretorii;

* Prezydent - 726,6 karata, brazylijski, podzielony na 29 części i oszlifowany;

* Jonker - 726 karatów, podzielony na 15 części i oszlifowany;

* Jubilee - 650,8 karata, po oszlifowaniu 245 karatów;

* Imperial (Victoria, Great White, Nizam) - 457 karatów, oszlifowany;

* Darcy Vargas - 425 karatów, brazylijski;

* Regent - 410 karatów, po oszlifowaniu 140,5 karata, obecnie w Luwrze;

* Szach - 3x1 cm, obecnie w skarbcu na Kremlu;

* Orłow - ok. 400 karatów, po oszlifowaniu 189,6 karata;

* Gwiazda Jakucji - 234 karaty, syberyjski;

* Millennium Star - 203 karaty,

* Koh-i-noor - 181,1 karata, indyjski,po oszlifowaniu 108,93 karata i zdobi brytyjskie klejnoty koronne;

* Hope - 67,125 karata, po oszlifowaniu 44,4 karata, największy barwny diament - szafirowoniebieski.

Najcenniejsze diamenty w Polsce to:

* wielki czarny diament w złotej puszce św. Stanisława (1504, skarbiec katedry na Wawelu);

* bezbarwny diament w koronie monstrancji Jana Kazimierza (1672, skarbiec klasztoru Paulinów na Jasnej Górze) - 10 karatów.

Ciekawostki:

* Staroindyjska medycyna naturalna zalecała popiół z diamentów przy leczeniu trądu, suchot (gruźlicy), schizofrenii, nadmiernym chudnięciu, cukrzycy i anemii.

Popiół stosowany profilaktycznie miał przedłużać życie, wzmacniać ciało, poprawiać cerę i dawać dobre samopoczucie. Nadmienić jednak należy,

że w rzeczywistości czysty diament spala się do gazowego dwutlenku węgla nie zostawiając prawie żadnego popiołu. Po jego spaleniu popiołu zostaje 0,25%

poprzedniej masy. A w tym popiele występuje 25 innych pierwiastków chemicznych.

* W litoterapii diament stosuje się przy nowotworach, zaburzeniach przysadki i szyszynki, przy schorzeniach móżdżku i rdzenia przedłużonego. Diament

ma działać korzystnie również przy wylewach, zapaleniach i zaburzeniach prawej i lewej półkuli oraz opon mózgowych, a także przy autyzmie, dysleksji,

epilepsji, problemach z koncentracją oraz zaburzeniach wzroku.

* Po raz pierwszy diament spalił pod szklanym kloszem używając promieni słonecznych skupionych soczewką Antoine Lavoisier. Udowodnił w ten sposób,

że diament to czysty węgiel.

* Wiek najstarszych diamentów (odkrytych w Australii) szacuje się na 3 do 4,25 mld lat.

* 27 sierpnia 2007 podano informację o odkryciu największego diamentu na świecie, ważącego dwukrotnie więcej od dotychczasowego rekordzisty

(ok. 7000 karatów), co okazało się oszustwem.

* Wartość diamentu zależy ściśle od jego czystości, koniunktury na rynku i wielu innych czynników. Dla ogólnych szacunków można jednak przyjąć, że diament

o wadze 100 karatów jest warty około 850 tysięcy złotych. Stąd też Cullinan, największy znany dotychczas diament (3106 karatów) warty był

(przed podzieleniem) około dwudziestu pięciu milionów złotych.

Dyfuzja

proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

* dyfuzja śledzona (ang. tracer diffusion) to proces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej ("śledzonej") cząsteczki (np: ruchy Browna).

* dyfuzja chemiczna to proces makroskopowy obejmujący makroskopowe ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i prowadzący

do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z dyfundujących substancji w całym układzie.

Podstawowymi prawami opisującymi dyfuzję są Prawa Ficka. Pierwsze prawo Ficka stwierdza że: strumień cząstek dyfuzji jest proporcjonalny do gradientu stężenia J = - D \frac{\partial \phi}{\partial x} ;gdzie:

* J - strumień składnika (masa molowa składnika przepływająca przez jednostkowy przekrój w jednostce czasu)

* D - współczynnik proporcjonalności dyfuzji

* ? - stężenie [(ilość substancji) x długość-3],

* x - współrzędna wzdłuż której zachodzi dyfuzja.

Dla chemicznej dyfuzji materii (masy) współczynnik dyfuzji jest nazywany współczynnikiem dyfuzji molekularnej. Dla tej samej substancji, w tych samych warunkach, współczynniki dyfuzji śledzonej i chemicznej są zwykle różne, gdyż drugi z tych współczynników uwzględnia oddziaływania i korelacje pomiędzy trajektoriami poszczególnych dyfundujących cząsteczek. Dyfuzja zachodzi zarówno w stanie równowagi, jak i poza równowagą termodynamiczną. Dyfuzję śledzoną bada się zwykle w stanie równowagi, a dyfuzję chemiczną w układach nierównowagowych. Dyfuzja w stanie braku równowagi termodynamicznej

jest procesem nieodwracalnym, który przybliża stan układu do stanu równowagi termodynamicznej i zwiększa jego entropię. Dyfuzja chemiczna zachodząca

w stanie równowagi zwana jest samodyfuzją. Dyfuzja materii jest zjawiskiem aktywowanym termicznie - zwiększenie temperatury zwykle prowadzi do zwiększenia tempa dyfuzji. W przypadku większości ciał stałych zależność tę opisuje równanie Arrheniusa. Dyfuzja jest jednym z mechanizmów transportu. W tym kontekście jej bardzo charakterystyczną cechą jest to, że typowa odległość R, o którą przemieszczana jest substancja z obszaru o podwyższonym stężeniu po dostatecznie długim czasie t jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z czasu: R(t)\sim \sqrt{t} Dla większości substancji powyższa zależność obowiązuje

(dla dostatecznie dużych czasów t) nawet wtedy, gdy współczynnik dyfuzji danej substancji zależy od jej stężenia. W pewnych układach obserwuje się jednak procesy, które w obrazie mikroskopowym składają się z szeregu charakterystycznych dla dyfuzji "chaotycznych" zderzeń, w których to jednak procesach obowiązuje zależność R(t) \sim t^\alpha , \alpha \neq 1/2 W takich przypadkach mówi się o dyfuzji anomalnej. Dyfuzja może też dotyczyć energii, jej szybkość jest określona przez współczynnik dyfuzji termicznej. Na przykład źródłem niekonwekcyjnego transportu ciepła jest wymiana energii kinetycznej pomiędzy chaotycznie zderzającymi się cząsteczkami, stąd też równanie przewodnictwa cieplnego w ciałach stałych jest tożsame równaniu dyfuzji. W przypadku dyfuzji pędu, o szybkości procesu dyfuzji decyduje współczynnik dyfuzji zwany lepkością kinematyczną. Dyfuzja umożliwia zjawisko mieszania się substancji pozostających

w fazie gazowej lub ciekłej. Siłą napędową dyfuzji przy mieszaniu jest dążenie układu do równowagi termodynamicznej przez osiągnięcie jak najwyższej entropii

i jak najniższej energii swobodnej. Efektem wolnej, nieskrępowanej dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej objętości fazy. Osiągnięcie stanu równowagi nie oznacza jednak zatrzymania dyfuzji. Trwa ona nadal, tyle że dzięki dokładnemu wymieszaniu się wszystkich składników nie prowadzi już do zmian stężenia. Przykładem tego rodzaju dyfuzji jest rozchodzenie się zapachów w powietrzu. Jednym z najbardziej znanych przykładów zjawiska fizycznego zdominowanego przez dyfuzję są ruchy Browna. Innym przykładem dyfuzji jest zjawisko osmozy, polegające na przemieszczaniu się cząsteczek i jonów przez błony półprzepuszczalne, w kierunku wyrównywania się stężenia związku chemicznego lub jonu, zdolnego do przenikania przez błonę. Siła napędową osmozy jest dokładnie to samo, co napędza dyfuzję swobodną w mieszaninach. Różnica polega na tym, że błona przepuszcza tylko wybrane składniki mieszaniny, podczas gdy inne nie. Odwrócona osmoza - to przenikanie przez błonę cząsteczek rozpuszczalnika w kierunku odwrotnym niż w osmozie,

to znaczy od roztworu o większym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o mniejszym stężeniu. Ze względu na to, że osmoza odwrócona zmniejsza entropię układu, musi być ona napędzania np. napięciem elektrycznym lub ciśnieniem. W fizyce ciała stałego (a więc i w elektronice) dyfuzja jest podstawową przyczyną jakiejkolwiek względnej zmiany rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej zachodzącej pod wpływem energii termicznej. Przykładowe współczynniki dyfuzji:

* bromobenzen-benzen 1,86•10-9 m2/s

* nitrobenzen-benzen 2,11•10-9 m2/s

* kwas solny 2,09 m2/s

* siarczan miedzi 0,39 m2/s

Gaz ziemny (błękitne paliwo)

paliwo kopalne pochodzenia organicznego, gaz zbierający się w skorupie ziemskiej w pokładach wypełniających przestrzenie, niekiedy pod wysokim ciśnieniem. Pokłady gazu ziemnego występują samodzielnie lub towarzyszą złożom ropy naftowej lub węgla kamiennego. Zawartość składników jest zmienna i zależy

od miejsca wydobycia, jednak głównym składnikiem stanowiącym ponad 90% gazu ziemnego jest zawsze metan. Oprócz niego mogą występować niewielkie ilości etanu, propanu, butanu i innych związków organicznych i mineralnych. Największym producentem gazu ziemnego w Europie Północnej jest Norwegia, która

bogaci się dzięki złożom pod dnem Morza Norweskiego oraz Północnego. Zapewniają one bezpieczeństwo energetyczne temu nordyckiemu państwu oraz stałe dochody które, dzięki wcześnie przyjętym założeniom politycznym, w całości są przeznaczane na modernizację norweskiej gospodarki. 3 października 2006

na hurtowym rynku gazu w Wielkiej Brytanii nastąpiło niespotykane wydarzenie - ceny osiągnęły po raz pierwszy w historii wartość ujemną. Producenci byli zmuszeni dopłacać odbiorcom, aby pozbyć się nadwyżek towaru. Było to związane z komercyjnym uruchomieniem nowego gazociągu Langeled, transportującego gaz z Norwegii do Anglii. W ramach testów wpompowano do niego dodatkowe ilości gazu, które "zalały" Europę. W Polsce gaz ziemny wydobywa się głównie

na Podkarpaciu (Przemyśl, Husów, Sanok) i Zapadlisku Przedkarpackim (wysokometanowy) w wyniku odmetanowywania kopalni węgla kamiennego w GOP,

a także w Wielkopolsce oraz Lubuskiem - rejon Drezdenka oraz Międzychodu. Pierwsze odwierty zakończyły się powodzeniem i uruchomienie 13 kopalń planowane jest przez PGNiG już w 2013 roku. W ostatnim czasie rozpoczęły się nowe badania w celu potwierdzenia obecności ropy w okolicach Szamotuł

oraz Trzcianki i Czarnkowa. Oprócz zasobów tradycyjnych, w Polsce istnieją także możliwości wydobycia ze złóż niekonwencjonalnych - z węgla kamiennego

i z łupków. Ich wielkość szacuje się na 1,5-3 bln metrów sześciennych. W roku 2010 rozpoczną się pierwsze prace poszukiwawcze, które w perspektywie kilku lat dadzą odpowiedź czy takie złoża istnieją. Złoża konwencjonalne są szacowane na 98 mld metrów sześciennych. Choć gaz ziemny z definicji jest paliwem kopalnym, możliwe jest produkowanie gazu o zbliżonych właściwościach z innych surowców. Podstawowy składnik gazu ziemnego, czyli metan, jest produktem m.in. fermentacji metanowej i znajduje się w gazie wysypiskowym, biogazie, gazie z odmetanowania kopalń. Możliwe jest również jego produkowanie z gazu syntezowego w procesie syntezy Fischera-Tropscha. Wykorzystanie sztucznie otrzymywanego metanu możliwe jest w dwóch wariantach:

* oczyszczenie surowca (np. biogazu) w sposób zapewniający nieszkodliwość dla rurociągów, a następnie wprowadzenie go do gazociągu w niewielkiej ilości,

co nie spowoduje przekroczenia norm jakości gazu w sieci przesyłowej,

* oczyszczenie surowca a następnie usunięcie z niego składników, których zawartość spowoduje niespełnienie norm jakości (przede wszystkim składników

niepalnych obniżających wartość opałową i pary wodnej) i wprowadzenie go jako jedynego paliwa do sieci przesyłowej.

Wykorzystanie zastępczego gazu ziemnego z jednej strony pozwala na utylizację niekiedy uciążliwego odpadu (gaz wysypiskowy) a z drugiej na zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego i niezależności od importu. Podział gazu ziemnego:

Ze względu na zawartość składników węglowodorowych:

* suchy (mało propanu i wyższych węglowodorów)

* mokry (propan i wyższe węglowodory w ilościach od 5-10%)

Ze względu na zawartość azotu:

* gazy bezazotowe (zawartość azotu poniżej 1-3%)

* gazy niskoazotowe (zawartość azotu w granicach 3-10%)

* gazy zaazotowane (zawartość azotu powyżej 10%)

Ze względu na zawartość siarkowodoru (siarki):

* gazy małosiarkowe (zawartość siarkowodoru poniżej 0,3%)

* gazy siarkowe (zawartość siarkowodoru w granicach 0,3-3%)

* gazy wysokosiarkowe (zawartość siarkowodoru powyżej 3%)

Grafit

pospolity i szeroko rozpowszechniony minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Stosowany jako naturalny suchy smar. Jest - obok diamentu i fulerytu - odmianą alotropową węgla. Nazwa pochodzi od gr. graphein = pisać, nawiązuje do tradycyjnego zastosowania tego minerału. Właściwości:

* Dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło

* Odporny na wysoką temperaturę

W przyrodzie bardzo rzadko spotyka się dobrze wykształcone kryształy grafitu. Najczęściej występuje w postaci agregatów łuseczkowych, blaszkowych

lub w formie zbitej masy o szaroczarnej barwie. Jest minerałem giętkim, ale nie jest sprężysty. Jest krajalny i nieprzezroczysty, w dotyku jest tłusty i brudzący.

Powstaje w wyniku zmetamorfizowania skał, jako produkt końcowy przemiany substancji organicznych bogatych w węgiel. Pojawia się także w pegmatytach

i żyłach hydrotermalnych. Niekiedy bywa znajdowany wśród granitów, porfirów, gabr, granulitów. Współwystępuje z pirytem, markasytem, kalcytem.

Polska - Tworzy znaczne nagromadzenia w postaci łupków grafitowych w okolicach Stronia Śląskiego oraz wkładki skał grafitowych napotykane koło Strzelina, Dzierżoniowa, Wałbrzycha i Bystrzycy Kłodzkiej. Występuje w wielu różnych skałach metamorficznych (m.in. w łupkach krystalicznych Tatr Zachodnich).

Miejsca występowania: Sri Lanka - największe złoża grafitu, Madagaskar, Rosja - Syberia, USA - Ogdensburg, Edison, Alabama (najpiękniejsze kryształy grafitu pochodzą z Sterling Hill w New Jersey), Kanada - Quebec, Meksyk - Sonora, Niemcy - Bawaria. Struktura grafitu składa się z warstw, w których występują sprzężone, sześcioczłonowe aromatyczne układy cykliczne, podobne do benzenu. Podobnie jak w benzenie, każde wiązanie C-C w warstwie ma charakter zdelokalizowanego, "1,5 krotnego" wiązania aromatycznego. Wiązania te tworzą obszary zdelokalizowanych orbitali ?, które, podobnie jak to się dzieje w metalach umożliwiają swobodny ruch elektronów równolegle do warstw, dzięki czemu grafit wykazuje stosunkowo wysokie przewodnictwo elektryczne. Między warstwami występują jedynie słabe oddziaływania Van der Waalsa. Odległości między sąsiednimi atomami węgla w jednej warstwie wynoszą 1.42 A (czyli 0,142 nm),

zaś między warstwami 3,35 A (0,335 nm). Powoduje to, że grafit wykazuje znaczną anizotropię (czyli kierunkowość) różnych własności fizycznych.

np: Monokryształy grafitu przewodzą dobrze prąd elektryczny w kierunku równoległym do warstw i znacznie gorzej w kierunku prostopadłym. Ze względu na to,

że grafit techniczny jest zlepkiem niewielkich monokryształów, wykazuje on wysoką odporność mechaniczną na ściskanie i niewielką na rozciąganie i ścinanie.

Jest więc jednocześnie twardy, łupliwy i podatny na ścieranie. Te szczególne własności mechaniczne powodują, że grafit posiada wyjątkowe dobre własności smarujące. Podczas poddawania go siłom ścinającym jakie występują między obracającymi się kołami zębatymi, lub kołami zębatymi i łańcuchem, ulega on rozdrobnieniu do postaci proszku, o mikrometrycznych rozmiarach drobin. Każda z tych drobin zachowuje jednak dużą odporność na ściskanie co prowadzi

do zjawiska supersmarowania. Mikrokryształki grafitu są głównym składnikiem sadzy. Również w strukturze węgla kamiennego występują grafitopodobne struktury przedzielone fazą amorficzną. Czysty grafit otrzymuje się w przemyśle przez kontrolowaną pirolizę antracytu w atmosferze azotu. Zastosowanie:

* ma znaczenie naukowe - służy do określania genezy skał metamorficznych.

* do wyrobu suchych smarów

* do wyrobu cegieł ogniotrwałych

* grafit do ołówków

* czarne farby chroniące ołów przed korozją

* naczynia ognioodporne

* elektrody

* jako zbrojenie materiałów kompozytowych

* trzonki kijów golfowych typu driver

* tygle ogniotrwałe

* farby

* część ślizgowa pantografów

* środki polerskie

* w reaktorach jądrowych pręty grafitu spełniają rolę moderatora.

Mocznik (karbamid), CO(NH2)2

organiczny związek chemiczny, diamid kwasu węglowego. Tworzy bezbarwne kryształy w formie długich i bezbarwnych igieł bez zapachu o temperaturze topnienia ok. 132,5 °C, przy dalszym ogrzewaniu ulega rozkładowi przed osiągnięciem temperatury wrzenia. Jest to końcowy produkt przemiany białek i innych związków azotowych w organizmie, powstaje w cyklu ornitynowym. Jest wydalany z moczem, a w niewielkich ilościach z potem. Jego stężenie w osoczu wynosi 2,5-7,5 mmol/l. W roku 1773 r. mocznik z moczu uzyskał G. F. Rouelle. Związek ten sztucznie otrzymany został po raz pierwszy przez Friedricha Wöhlera w 1828 r. Mocznik był pierwszym związkiem organicznym otrzymanym z całkowicie nieorganicznych substratów w wyniku ogrzewania cyjanianu amonu czym dowiedziono niesłuszność teorii "siły życiowej", rzekomo niezbędnej do syntezy związków produkowanych przez żywe organizmy. W przemyśle mocznik jest otrzymywany

w bezpośredniej reakcji dwutlenku węgla z amoniakiem: CO2 + 2NH3 › CO(NH2)2 + H2O Stosowany jest jako surowiec w produkcji tworzyw sztucznych,

a także do produkcji leków i kosmetyków. W rolnictwie stosowany jako: nawóz mineralny (zawiera 46% azotu i do 0,9% biuretu), substancja konserwująca, dodatek do pasz dla bydła. Stężony roztwór mocznika (ok. 7 M) jest jednym ze składników żeli do elektroforezy fragmentów kwasów nukleinowych w warunkach denaturujących. Na liście dodatków do żywności ma numer E927b. Mocznik jest metabolizowany przez bakterie glebowe Sporosarcina pasteurrii zawierające wysoce aktywny enzym ureazę, katalizujący reakcję: CO(NH2)2 + H2O › CO2 + 2NH3 W obecności jonów wapnia Ca2+ prowadzi to do wytrącania się kalcytu (tzw. wytrącanie kalcytu indukowane bakteryjnie): Ca2+ + H2O + CO2 › CaCO3ˇ + 2H+ Proces ten wykorzystać można do poprawienia właściwości gleby,

a także do produkcji cegieł niewymagających wypalania. W technologii opracowanej przez Ginger Krieg Dosier z American University of Sharjah (Zjednoczone Emiraty Arabskie), cegły wytwarzane są przez nanoszenie cienkich warstw piasku, mocznika, chlorku wapnia i bakterii, a po zakończeniu wiązania mogą uzyskać twardość porównywalną ze zwykłymi cegłami.

Ropa naftowa (olej skalny, czarne złoto)

ciekła kopalina, złożona z mieszaniny naturalnych węglowodorów gazowych, ciekłych i stałych (bituminów), z niewielkimi domieszkami azotu, tlenu, siarki

i zanieczyszczeń. Ma podstawowe znaczenie dla gospodarki światowej jako surowiec przemysłu chemicznego, a przede wszystkim jako jeden z najważniejszych surowców energetycznych. Teoria organiczna pochodzenia ropy - została stworzona m.in. przez: B. Radziszewskiego, K. Englera, H. Höfer, J.E. Hackforda,

D. White'a w myśl których ropa naftowa powstała przez przeobrażenie szczątków roślinnych i zwierzęcych nagromadzonych wraz z drobnymi okruchami mineralnymi w osadach morskich; czynnikami powodującymi przejście substancji organicznych w bituminy są prawdopodobnie: środowisko redukujące, odpowiednia temperatura i ciśnienie, działalność bakterii, oddziaływanie pierwiastków promieniotwórczych i in. Skałami macierzystymi ropy naftowej

są najczęściej ciemne łupki o dużej zawartości substancji bitumicznych. Ze skał macierzystych ropa pod wpływem gradientu ciśnienia przesączała się

do sąsiadujących ze skałami macierzystymi skał o większej porowatości i/lub przepuszczalności (głównie piaskowców, często również wapieni). Ropę naftową wydobywa się w Azji, w rejonie Zatoki Perskiej, w basenie Morza Kaspijskiego, na Syberii,w Ameryce Północnej i środkowej, oraz na dnie Morza Północnego.

W północnej Afryce, w Zatoce Meksykańskiej, w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, w Meksyku. Surowa ropa naftowa wydobywana ze złoża jest cieczą barwy zwykle ciemnobrunatnej o ostrym zapachu, nierozpuszczalną w wodzie. Ropa naftowa ma gęstość większą od 0,79 g/cm3, zwykle mniejszą od gęstości wody.

Jest ona cieczą palną. W zależności od pochodzenia jej barwa i inne własności mogą się zmieniać. Rozróżnia się cztery klasy ropy - A, B, C i D o różnych własnościach. Podstawowy skład chemiczny ropy naftowej to: 80-88% węgla, 11-14,5% wodoru, 0,01-6% siarki (rzadko do 8%), 0,005-0,7% tlenu (rzadko

do 1,2%), 0,001-1,8% azotu. Oprócz tych pierwiastków w ropie naftowej można znaleźć około 50 pierwiastków chemicznych, w tym: wanad, nikiel, chlor.

Średnia masa molekularna wynosi 220—300 g/mol (rzadko 450—470). Gęstość 0,65-1,05 (zwykle 0,82-0,95) g/cm3; przenikalność dielektryczna 2,0-2,5; przewodnictwo elektryczne właściwe od 2•10-10 do 3•10-19 om-1•cm-1. Podział ropy:

* ze względu na ciężar właściwy:

- lekka (poniżej 878 kG/m3)

- średnia (od 878 do 884)

- ciężka (powyżej 884)

* ze względu na skład chemiczny ropy:

- parafinowa

- naftenowa

- parafinowo-naftenowa

- aromatyczna

- parafinowo-naftenowo-aromatyczna

- parafinowo-aromatyczna

* ze względu na zawartość siarki w ropie:

- niskosiarkowa (poniżej 0,5%)

- siarkowa (powyżej 0,5%)

* ze względu na zawartość żywic w ropie:

- małożywiczna (poniżej 17%)

- żywiczna (od 18 do 35%)

- wysokożywiczna (powyżej 35%)

* ze względu na zawartość parafiny w ropie:

- niskoparafinowa (bezparafinowa) (temperatura krzepnięcia poniżej -16 °C)

- parafinowa (temperatura krzepnięcia od -15°C do +20 °C)

- wysokoparafinowa (temperatura krzepnięcia powyżej +20 °C)

Podstawową metodą typowania obszarów perspektywicznych i poszukiwania złóż ropy naftowej przez geofizyków jest sejsmika refleksyjna. Dzięki niej można rozpoznać budowę geologiczną badanego terenu i wytypować pułapki złożowe. Ropa jest wydobywana co najmniej od średniowiecza. Jej największe zasoby znajdują się w:

* Afryce (w Nigerii, Angoli, Libii, Tunezji, Algierii, Egipcie)

* Ameryce Północnej (Meksyk (na półwyspie Jukatan oraz nad Zatoką Meksykańską), Stany Zjednoczone (nad Zatoką Meksykańską, w Kalifornii

oraz na Alasce))

* Ameryce Południowej (Wenezuela), (Brazylia)

* Eurazji (w Rosji - Zagłębie Wołżańsko-Uralskie, Zagłębie Zachodniosyberyjskie oraz zagłębie w Kazachstanie, Turkmenistanie i Azerbejdżanie. Duże złoża

występują w Indonezji i Chinach. Z dna Morza Północnego ropę wydobywa Wielka Brytania oraz Norwegia)

* rejonie Zatoki Perskiej (Arabia Saudyjska, Iran, Irak, Kuwejt, Zjednoczone Emiraty Arabskie)

Kraje nad Zatoką Perską zapewniają światu 30% tego surowca - są one największymi eksporterami i dyktatorami cen. W światowym wydobyciu, wynoszącym

w 2002 r. ok. 3,5 mld ton przodują: Arabia Saudyjska (395 mln ton), Rosja (380 mln ton), USA (295 mln ton), Iran (181 mln ton), Chiny (170 mln ton), Meksyk (165 mln ton), Norwegia (165 mln ton), Wenezuela (140 mln ton), Wielka Brytania (115 mln ton) i Irak (115 mln ton). Światowe wydobycie ropy naftowej w latach 2004-2008 wynosiło ok. 73 mln baryłek dziennie[1] (ok. 3,5 mld ton rocznie). Najwięksi producenci pokrywają 73% światowego wydobycia. Światowe zasoby ropy naftowej szacowane są na 140 mld ton (dane z 2006 roku). Złoża ropy naftowej często łączą się z złożami gazu ziemnego. Występują najczęściej

w antyklinach, przy czym sekwencja jest następująca: u dołu występuje podścielająca złoże solanka, następnie ropa naftowa, a w szczycie antykliny gaz ziemny.

Pierwsza polska kopalnia ropy powstała w 1854 r. z inicjatywy Ignacego Łukasiewicza w Bóbrce k. Krosna, a pierwszy szyb naftowy o współczesnej konstrukcji wywiercono w 1859 r. w USA. Pierwszy polski zakład destylacji ropy naftowej powstał w 1856 r. w Ulaszowicach koło Jasła (dzisiaj w granicach miasta).

Jedna z najstarszych rafinerii na świecie z 1884 znajduje się w Gorlicach. W Polsce ropę naftową wydobywa się:

* w Zagłębiu Pomorskim: Kamień Pomorski, Wolin

* na szelfie, na północ od przylądka Rozewie, z platformy wiertniczej spod dna Bałtyku

* w karpackim zagłębiu roponośnym (Jasło, Krosno, Gorlice, złoża są na wyczerpaniu)

* w Barnówku, k. Dębna

* okolicach Gorzowa Wlkp.

W ostatnich latach wydobycie surowca krajowego wzrosło kilkakrotnie, sięgając miliona ton rocznie, co stanowi jedną dwunastą ropy przerabianej przez rafinerię

w Płocku. Ropę transportuje się na dwa sposoby. Na terenach lądowych najbardziej opłacalny ekonomicznie jest transport rurociągowy. Rurociągi ropy naftowej

są wykonane ze stalowych rur o wewnętrznej średnicy 30 do 120 cm. Tam gdzie to możliwe, są budowane na powierzchni ziemi. Ropa naftowa jest utrzymywana

w ruchu przez system stacji pomp, budowanych wzdłuż rurociągu i zwykle płynie z prędkością około 1 do 6 m/s. Chociaż rurociągi można budować nawet

pod morzem, to jest to bardzo wymagający ekonomicznie i technicznie proces, a przy tym ryzykowny ekologicznie, więc większość ropy naftowej

jest transportowana na morzu przez tankowce. Załadunek odbywa się na FPSO, platformach eksploatacyjnych, lub przy bojach przeładunkowych, a rozładunek tankowców odbywa się w terminalach naftowych. Przetwórstwem ropy naftowej zajmuje się przemysł rafineryjny, który przerabia ją w rafineriach. Aby wyodrębnić z ropy jej poszczególne składniki (np. benzynę) stosuje się destylację frakcyjną. Ropę rozdziela się na frakcje dzięki różnicy w temperaturach wrzenia poszczególnych jej składników. Jest podstawowym surowcem przemysłu petrochemicznego stosowanym do otrzymywania m.in. benzyny, nafty, olejów, parafiny, smarów, asfaltów, mazutów, wazelin i wielu materiałów syntetycznych. Ropa naftowa może skazić środowisko w dwóch sytuacjach - podczas poszukiwań

i eksploatacji, oraz w czasie transportu. O ile erupcje związane z anomalnie wysokim ciśnieniem złożowym lub awariami głowic przeciwerupcyjnych są rzadkie

i szybko opanowywane, to prawdziwą plagą dla środowiska są awarie powstałe w czasie transportu - głównie katastrofy tankowców (np. MT Prestige). Katastrofy wielkich zbiornikowców zdarzają się na świecie prawie co rok. Wyciek ropy naftowej spowodowany awarią zbiornikowca ma bardzo poważne skutki:

* Ropa szybko rozprzestrzenia się po powierzchni morza tworząc na wodzie warstewkę o grubości 0,3 mm i powodując zanieczyszczenie wybrzeża

* Najlżejsze składniki ropy parują, a najcięższe mieszają się z wodą morską i powoli opadają na dno

* Lepka ropa skleja pióra ptaków morskich oraz skrzela ryb i innych zwierząt wodnych

* Na skażonym obszarze ropa uniemożliwia zwierzętom wodnym poruszanie się, oddychanie i odżywianie się

* Warstwa ropy nie przepuszcza potrzebnego organizmom tlenu i promieniowania słonecznego

* Bakterie stopniowo usuwają ropę, zużywając do tego celu cały tlen rozpuszczony w wodzie

Rozpuszczalnik

to ciecz zdolna do tworzenia roztworu po zmieszaniu z ciałem stałym, inną cieczą lub gazem. Najbardziej znanym rozpuszczalnikiem jest woda. Większość rozpuszczalników to związki chemiczne o małej lepkości i stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia. Mała lepkość powoduje, że mogą one dość łatwo penetrować rozpuszczaną substancję, zaś niska temperatura wrzenia umożliwia ich oddestylowywanie i parowanie. Stężeniem roztworu nazywa się stosunek ilości substancji rozpuszczanej do ilości całego roztworu. W zależności od przyjętego sposobu obliczania tego stosunku rozróżnia się stężenie molowe i stężenie procentowe. Rozpuszczalność z kolei to maksymalne stężenie jakie można uzyskać rozpuszczając związek chemiczny w danym rozpuszczalniku. Rozpuszczalniki stosuje się do:

* przeprowadzania reakcji chemicznych - podstawowym warunkiem dla związku chemicznego pełniącego rolę rozpuszczalnika do reakcji jest jego chemiczna

inertność, czyli niereagowanie z substratami ani z produktami reakcji, chociaż rozpuszczalniki wchodzą zwykle w swoiste interakcje z rozpuszczonymi

związkami, takie jak solwatacja czy tworzenie z nimi nietrwałych związków kompleksowych lub wiązań wodorowych.

* przeprowadzania ekstrakcji - czyli procesu wymywania określonych związków chemicznych z np. osadów, minerałów czy roślin.

* rozcieńczania substancji, które użyte w stanie czystym byłyby zbyt agresywne chemicznie

* czyszczenia, które polega na rozpuszczaniu niepożądanych substancji w rozpuszczalniku, a następnie usuwaniu całości mechanicznie.

Podstawowy podział rozpuszczalników wynika z ich własności fizycznych i chemicznych:

Ze względu na własności fizyczne, rozpuszczalniki dzieli się na dwie podstawowe grupy:

* niepolarne (apolarne) - które są tworzone przez związki chemiczne posiadające zerowy albo bardzo mały moment dipolowy

* polarne - które są tworzone przez związki chemiczne o znacznym momencie dipolowym.

Ze względu na własności chemiczne dzieli się je z kolei na:

* protonowe - tj. posiadające w swojej strukturze tzw. kwaśne atomy wodoru, które mogą być łatwo odszczepiane od cząsteczek rozpuszczalnika i tworzyć

jony H+ oraz wiązania wodorowe. Do rozpuszczalników tego rodzaju zalicza się wodę, alkohole, aldehydy, kwasy itp.

* aprotonowe - tj. nie posiadające w swojej strukturze tego rodzaju łatwo odszczepialnych atomów.

Zasadniczo wszystkie rozpuszczalniki protonowe są też polarne, natomiast aprotonowe mogą być zarówno polarne jak i niepolarne. Daje to razem trzy główne grupy rozpuszczalników: protonowe, aprotonowe polarne i aprotonowe niepolarne. Rozpuszczalniki ze względu na budowę chemiczną dzieli się na dwie grupy:

* organiczne - takie jak ciekłe alkany (np. pentan, heptan, heksan, cyklohesan), areny (benzen, toluen, ksylen), chlorek metylenu, chloroform, etery alifatyczne

(zwłaszcza eter dietylowy i THF), alkohole (metanol, etanol propanol, butanol, fenol), estry (np. octan etylu), ketony (głównie aceton), aldehydy (aldehyd

mrówkowy, aldehyd octowy), kwasy karboksylowe (zwłaszcza kwas octowy) oraz inne (np. dimetyloformamid, dimetylosulfotlenek, dioksan, disiarczek węgla)

* nieorganiczne: woda, kwas siarkowy, kwas azotowy, kwas fluorowodorowy, ciekły amoniak, ciekły azot, nadkrytyczny dwutlenek węgla.

Przewidywanie w jakim rozpuszczalniku może się rozpuszczać określony związek chemiczny są stosunkowo proste, choć czasami zdarzają się tu niespodzianki.

Ogólną zasadą jest, że podobne rozpuszcza się w podobnym. Na przykład związek chemiczny, który posiada kwaśny atom wodoru, albo dużo grup hydroksylowych będzie się chętniej rozpuszczał w rozpuszczalnikach protonowych niż aprotonowych. Podobnie, związek który sam posiada duży moment dipolowy, będzie się chętniej rozpuszczał w rozpuszczalnikach polarnych niż apolarnych. Związki zawierające grupy aromatyczne, będą się chętnie rozpuszczać w arenach. O związkach mających tendencję do rozpuszczania się rozpuszczalnikach apolarnych mówi się, że mają one własności lipofilowe lub hydrofobowe, zaś o związkach łatworozpuszczalnych w polarnych rozpuszczalnikach, że są one lipofobowe lub hydrofilowe. Istnieją też związki, które są z jednej strony lipofilowe, a z drugiej lipofobowe. Nazywa się je związkami amfifilowymi i mają one tendencję do formowania emulsji a nie tzw. roztworów właściwych.

Rozpuszczalność

ilość substancji tworzącej roztwór nasycony w określonej ilości (najczęściej w 100 g) rozpuszczalnika w określonej temperaturze i ciśnieniu. Rozpuszczalność określa się w tych samych jednostkach jak stężenie, podając dodatkowo warunki, dla jakich została ona ustalona (zwykle są to tzw. warunki normalne). Mówiąc inaczej, rozpuszczalność określa, jak dużo danego składnika można rozpuścić w danym rozpuszczalniku w sprecyzowanych warunkach. Rozpuszczalność

nie powinna być mylona z szybkością rozpuszczania. Rozpuszczalność jest pojęciem termodynamicznym (tzn. opisuje stan równowagi), a rozpuszczanie dotyczy kinetyki (tzn. opisuje szybkość procesu). Substancje o wysokiej rozpuszczalności niekoniecznie rozpuszczają się szybko. W pewnych warunkach może dochodzić do przekroczenia rozpuszczalności danej substancji, prowadząc do powstawania metastabilnych roztworów przesyconych. Rozpuszczalnik może być cieczą

lub ciałem stałym, a substancja rozpuszczona gazem, cieczą, lub ciałem stałym. Rozpuszczalność substancji zależy od:

* rodzaju substancji rozpuszczanej

* rodzaju rozpuszczalnika

* temperatury

* ciśnienia

* wpływu wspólnego jonu (zobacz iloczyn rozpuszczalności)

* kompleksowania (np. wpływ pH na rozpuszczalność substancji amfoterycznych)

* siły jonowej (zobacz współczynnik aktywności)

* innych czynników (np., wielkość kryształów)

Pojęcie rozpuszczalności odnosi się zwykle do specyficznej fazy. Tak wiec aragonit i kalcyt mają generalnie różną rozpuszczalność, chociaż chemicznie są tą samą substancją (węglan wapnia). Rozpuszczalniki polarne (np. woda) mają tendencje do lepszego rozpuszczania substancji polarnych lub jonowych (hydrofilowych,

zaś niepolarne (np. tłuszcz lub toluen) rozpuszczają lepiej substancje niepolarne (lipofilowe). Często podawane jest to jako reguła "podobne rozpuszcza podobne". Jest to czasem podstawą klasyfikacji substancji (np. podział witamin na rozpuszczalne w wodzie i rozpuszczalne w tłuszczach). Reguła ta jest też podstawą mechanizmu działania detergentów. Ze wzrostem temperatury, rozpuszczalność najczęściej rośnie dla cieczy i ciał stałych, zaś maleje dla gazów ale znanych jest wiele wyjątków od tej reguły (np. rozpuszczalność siarczanu wapnia w wodzie maleje ze wzrostem temperatury). Efekt ciśnienia na rozpuszczalność faz skondensowanych (ciecze, ciała stałe) jest stosunkowo niewielki i przeważnie ignorowany w praktyce. Różne substancje mogą się znacznie różnić rozpuszczalnością. Substancje czasem określane są terminami "nierozpuszczalna", "słabo rozpuszczalna", "dobrze rozpuszczalna", itd. Jednakże takie klasyfikacje mają ograniczoną użyteczność. Na przykład rozpuszczalność 1 g/kg może być uważana w niektórych zastosowaniach za "słabą" (np. w inżynierii procesowej),

a w innych za "wysoką" (np. przy opisie procesu korozji lub w chemii środowiska naturalnego). Substancje zupełnie nierozpuszczalne (jeśli w ogóle istnieją)

są rzadkie. Współcześnie chemia często zajmuje się rozpuszczalnościami o rzędzie wielkości od 10-12 kg/kg (ppt) do zupełnej mieszalności z rozpuszczalnikiem.

Dla gazów prawo Henry'ego mówi, że rozpuszczalność gazów w cieczach jest proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego tego gazu: p = kc \ ;gdzie:

p - ciśnienie parcjalne gazu (atm)

k - stała zależąca od temperatury, rozpuszczalnika i gazu (na przykład dla tlenu w wodzie w temperaturze 25 °C stała k wynosi 769,2 l•atm/mol )

c - stężenie gazu rozpuszczonego w cieczy (mol/l).

Pojęcia rozpuszczalności zwykle nie stosuje się do gazowych rozpuszczalników. Zamiast rozpuszczalności w gazach mówi się zwykle o prężności pary nad fazą ciekłą lub stałą. Oprócz roztworów ciekłych, znane są też roztwory stałe, tzn. takie, gdzie roztwór jest ciałem stałym. Układy takie maja duże znaczenie praktyczne, gdyż substancje rozpuszczone mogą silnie zmieniać własności fizyczne i chemiczne roztworu stałego. Przykładem tego są silnie zróżnicowane właściwości stopów żelaza (zob. stop żelaza z węglem) i aluminium w zależności od zawartości różnych składników. Roztworami stałymi jest też wiele minerałów.

Roztwór nasycony

to roztwór, który w określonych warunkach termodynamicznych (ciśnienie, temperatura) nie zmienia swego stężenia w kontakcie z substancją rozpuszczoną.

W praktyce oznacza to, że bez zmian warunków termodynamicznych z roztworu nasyconego nie wytrąca się żaden osad, ale nie można też w nim rozpuścić

już więcej substancji. W roztworze nasyconym, będącym w kontakcie z rozpuszczaną substancją, występuje równowaga dynamiczna, polegająca na tym,

że szybkość procesu rozpuszczania i strącania jest dokładnie jednakowa. Ciekły roztwór nasycony uzyskuje się w laboratoriach zazwyczaj poprzez stopniowe dodawanie rozpuszczanej substancji aż do momentu, gdy jej kolejna porcja już się nie rozpuści. Roztwór nasycony można też otrzymywać przez zmianę warunków termodynamicznych (np. obniżanie temperatury aż do momentu zaobserwowania początków wypadania osadu) lub poprzez powolne odparowywanie rozpuszczalnika. Bez względu na sposób otrzymania roztwór nasycony w danych warunkach termodynamicznych ma zawsze takie samo stężenie. Stężenie to

jest nazywane rozpuszczalnością danej substancji. Informacje o tych stężeniach są gromadzone w rozmaitych bazach danych i poradnikach fizyko-chemicznych.

Stosując rozmaite techniki spowalniające lub blokujące proces krystalizacji, np. bardzo powolne schładzanie idealnie czystego roztworu, możliwe jest uzyskanie roztworu przesyconego, tzn. takiego, który ma wyższe stężenie niż roztwór nasycony. Roztwory przesycone są bardzo niestabilne i po otrzymaniu z otoczenia dowolnego impulsu wywołującego krystalizację, np. wrzucenie do niego małego kryształka albo lekkie wstrząśnięcie, z roztworu takiego szybko wytrąca się nadmiar substancji do momentu uzyskania stężenia roztworu nasyconego.

Roztwór nienasycony

to roztwór, w którym w danej temperaturze można rozpuścić jeszcze pewną ilość danej substancji, czyli roztwór, który nie jest roztworem nasyconym.

Roztwór właściwy (rzeczywisty)

to układ, w którym cząstki substancji rozproszonej mają rozmiary mniejsze od 1 nm (nanometr- 10-9 m). Pojęcie to zostało wprowadzone aby rozróżnić "prawdziwe" roztwory od roztworów koloidalnych (takich jak zoli, emulsji, pian itp). Jeśli w roztworze nie występują cząstki większe niż 1 nm to zazwyczaj świadczy to o tym, że mają one rozmiary zbliżone do pojedynczych cząsteczek danego związku chemicznego. Definicja ta jest poprawna dla związków chemicznych o niezbyt wysokiej masie cząsteczkowej. W przypadku polimerów, mówimy o występowaniu roztworów właściwych w przypadku gdy w mieszaninie pojedyncze cząsteczki polimeru są od siebie dobrze odseparowane tworząc tzw. kłębki statystyczne. Przy bardzo dużej masie cząsteczkowej kłębki te mogą mieć znacznie większe niż 10-9m rozmiary.

Węgiel kamienny

skała osadowa pochodzenia roślinnego, zawierająca 75-97% pierwiastka węgla, powstała głównie w karbonie (era paleozoiczna) ze szczątków roślinnych, które

bez dostępu tlenu uległy uwęgleniu. Ma czarną barwę, matowy połysk, czarną rysę. Węgiel kamienny stosowany jest powszechnie jako paliwo. Jego wartość opałowa waha się od 16,7 do 29,3 MJ/kg i silnie zależy od jego składu (zawartości popiołu, siarki, wilgotności). Wartość opałowa czystego pierwiastka węgla wynosi ok. 33,2 MJ/kg. Węgiel kamienny jest nieodnawialnym źródłem energii. Wg Polskiej Normy węgiel kamienny został podzielony na typy zgodnie

z naturalnymi cechami, charakteryzującymi jego przydatność technologiczną, określoną następującymi wskaźnikami:

* zawartość części lotnych w węglu (V) w przeliczeniu na substancję bezpopiołową i suchą,

* zdolność spiekania (spiekalność węgla)

* dylatacja

* ciepło spalania węgla w przeliczeniu na substancję bezpopiołową i suchą

Dla węgla kamiennego wszystkich typów i klas oraz celów przeznaczenia, rozróżnia się zależnie od wymiarów ziarn 11 sortymentów zasadniczych oraz 13 sortymentów połączonych. Pierwsza kopalnia węgla kamiennego w Polsce powstała w Szczakowej (obecnie dzielnica Jaworzna) w 1767 roku. Węgiel jest w Polsce surowcem strategicznym, bo zaspokaja 65% zapotrzebowania energetycznego kraju. Wydobycie węgla w 1999 r. wyniosło 112 mln ton - tendencja wydobycia

jest spadkowa, bo w 1994 r. było to 132 mln ton. Najwięcej węgla kamiennego wydobyto w 1979 roku (blisko 180 mln ton). Polskie zasoby tej skały należą

do jednych z największych na świecie; przez wiele lat Polska zajmowała miejsca w pierwszej piątce krajów o największym wydobyciu węgla kamiennego.

Według danych z 2000 roku, Polska spadła na 7 miejsce, dostarczając ogólnie 2,8% światowego wydobycia tej kopaliny. W roku 2002 w Polsce wydobyto 104 mln ton tego surowca energetycznego. Przyczyny zmniejszania wydobycia:

* zamykanie nierentownych kopalń (Dolny Śląsk - Wałbrzych)

* stosowanie technologii energooszczędnych i surowcooszczędnych oraz przechodzenie na inne źródła energii

* przyczyny polityczno-populistyczne

* względy ekologiczne (redukcja emisji dwutlenku węgla)

* wyczerpywanie złóż

Miejsca wydobycia:

* Województwo małopolskie: Libiąż - KWK "Janina", Brzeszcze - KWK "Brzeszcze", Trzebinia - KWK "Siersza" - zamknięta, Krzeszowice - KWK

"Krystyna" - zamknięta

* Województwo śląskie: Górnośląski Okręg Przemysłowy, Rybnicki Okręg Węglowy i Zagłębie Dąbrowskie.

* Zagłębie Dolnośląskie (zaprzestano wydobycia)

* Zagłębie lubelskie (KWK Bogdanka, woj. lubelskie)

Największe złoża węgla kamiennego znajdują się we wschodnich i południowych Chinach, w USA, a także w Indiach, RPA oraz w Australii i na Ukrainie.

W 2002 r. światowe wydobycie węgla kamiennego przekroczyło 3,6 mld ton, z czego najwięcej wydobyły Chiny (1,1 mld ton, razem z węglem brunatnym), USA (1,0 mld ton, 2001), Indie (335 mln ton), Australia (260 mln ton), RPA (220 mln ton), Rosja (180 mln ton), Polska (ok. 105 mln ton), Indonezja (103 mln ton), Ukraina (85 mln ton, 2001) i Kazachstan (75 mln ton). Na świecie węgiel kamienny wydobywa się dwiema metodami:

* metodą odkrywkową

* metodą głębinową

Metodą odkrywkową wydobywają głównie węgiel w USA i Australii. Ich zaletą jest bardzo niski koszt wydobycia: 5-6 euro za tonę (kopalnie głębinowe nawet

170 euro za tonę). Wadą jest wielka degradacja środowiska. Kopalnie odkrywkowe mogą wydobywać węgiel zlokalizowany stosunkowo płytko. Zdarzają się,

co prawda, zakłady - np. w USA - które wydobywają węgiel z głębokości nawet 300 metrów, tyle że sięgnęły tak głęboko po wyczerpaniu płytszych złóż.

Metodą głębinową - pochodzi z nich około połowy światowej produkcji węgla. Zakłady tego typu dominują w Europie, Azji oraz Afryce. Zaletą takich zakładów

jest to, że mogą wydobywać surowiec nawet w silnie zurbanizowanych regionach. Nie potrzebują bowiem zbyt wiele miejsca na powierzchni. Oczywiście wydobycie w rejonach miejskich powoduje rozliczne problemy, wśród nich najpoważniejszym są tzw. szkody górnicze. Między innymi konieczność zabezpieczania miast przed skutkami wydobycia powoduje stosowanie kosztowniejszych metod wydobywczych, co podraża produkcję. Czasem kopalnia zmuszona jest pozostawić część złoża na tzw. filar ochronny, by nie zniszczyć budynków na powierzchni. Kopalnie głębinowe umożliwiają sięgnięcie do złóż leżących nawet ponad kilometr pod powierzchnią. Przy odgazowaniu 1000kg (1 tona) węgla otrzymuje się:

* Gaz koksowniczy 330m3 (20%) o przeciętnym składzie: 50% H2, 34% CH4, 8% CO, 4% olefin, 4% N2, 1% CO2

* Koks 650 kg (65%)

* Smoła węglowa 42 kg (5%)

* Woda pogazowa (ok. 10%) (NH3 + H2SO4 › (NH4)2SO4 ) - zawierająca amoniak powstały z rozkładu związków azotowych. Wykorzystywana jest

do produkcji soli amonowych stosowanych jako nawozy sztuczne.

Węglowodory nienasycone

Węglowodory alifatyczne (łańcuchowe) nienasycone (acetyleny) - mające jedno lub więcej wiązań podwójnych lub potrójnych pomiędzy atomami węgla. Węglowodory nienasycone z podwójnymi wiązaniami nazywa się olefinami (alkenami, węglowodorami nienasyconymi etylenowymi), z potrójnymi wiązaniami - acetylenami (alkinami). Węglowodorami nienasyconymi nazywają się związki, w cząsteczkach których znajdują się atomy węgla powiązane ze sobą wiązaniami podwójnymi potrójnymi. Nazywa się je tak dlatego, ponieważ ich cząsteczki mają mniejszą liczbę atomów wodoru niż związki nasycone, wiązania wielokrotne (podwójne i potrójne) są mniej trwałe, niż pojedyncze i dlatego stosunkowo łatwo pękają w czasie reakcji chemicznych. Warunkuje to znacznie wyższą aktywność chemiczną węglowodorów niesyconych w porównaniu z nasyconymi. Przedstawicielami szeregów homologicznych węglowodorów nienasyconych są etylen

(z wiązaniem podwójnym) i acetylen (z wiązaniem potrójnym). Związki szeregu homologicznego etylenu przedstawia się wzorem ogólnym. Według nomenklatury systematycznej nazwy węglowodorów etylenowych tworzy się od nazw węglowodorów nasyconych przez zastąpienie końcówki -an na -en (en — wiązanie podwójne). Przy tym łańcuch główny numerujemy od tego końca, względem którego jest położone wiązanie podwójne. Ogólna nazwa międzynarodowa węglowodorów etylenowych to alkeny. Węglowodory nienasycone szeregu etylenu zawierające jedno podwójne nazywa się też olefinami. Rodnik etylenu CH2=CH-, zwany winylem, wchodzi w skład cząsteczek wielu związków. Homologi traktowane jako pochodne acetylenu i nazywane są: acetylen (C2H2), metyloacetylen C3H4), etyloacetylen (C4H6) itd. Nazwy węglowodorów acetylenowych według nomenklatury systematycznej tworzy się od nazw węglowodorów nasyconych przez zastąpienie końcówki -an na -in (lub yn). Łańcuch główny numeruje się z tej strony, względem której wiązanie potrójne położone jest bliżej. Ogólną nazwą węglowodorów acetylenowych widać na przykładzie etylenu i acetylenu. Etylen. Etylen jest bezbarwnym gazem o bardzo słabym słodkawym zapachu. Jest nieco lżejszy od powietrza, słabo rozpuszcza się w wodzie.Pod względem właściwości chemicznych etylen zdecydowanie różni się od metanu.

Mając w atomie wiązanie podwójne (nienasycone) jest on zdolny przyłączać dwa jednowartościowe atomy lub rodniki, przy czym wiązanie podwójne rozrywa się

i przechodzi we wiązanie pojedyncze. Zdolność do reakcji przyłączania jest charakterystyczna dla wszystkich węglowodorów nienasyconych. Reakcje podstawienia następują zwykle po nasyceniu wiązania podwójnego. Najważniejszymi reakcjami przyłączenia są następujące przemiany:

1) Przyłączenie wodoru. Reakcja ta przebiega w obecności katalizatora — zdrobnionego niklu, platyny lub palladu w temperaturze pokojowej. Przyłączenie wodoru do substancji nazywa się reakcją uwodornienia albo hydrogenizacji (od słowa hydrogenium — wodór). W wyniku uwodornienia etylenu powstaje etan.

2) Przyłączenie chlorowców. Reakcja przebiega w normalnych warunkach. Dwuchloroetan jest cieczą, dobrze rozpuszcza tłuszcze, żywice itp. Reakcja przyłączania bromu jest reakcją jakościową na wiązanie podwójne. O obecności wiązania podwójnego wnioskuje się na podstawie odbarwienia czerwono-brązowej wody bromowej.

3) Przyłączenie chlorowcowodorów. Chlorowcopochodne węglowodorów, na przykład chlorek etylu CH3—CH2Cl, można otrzymać dwiema drogami: albo przez przyłączenia chlorowodoru do etylenu albo przez podstawienie wodoru chlorem w etanie.

4) Przyłączenie wody (reakcja hydratacji). Reakcja przebiega pod wpływem

Ważną właściwością chemiczną etylenu i jego pochodnych jest zdolność do łatwego utleniania się już w zwykłej temperaturze. Utlenieniu ulegają przy tym oba atomy węgla, połączone wiązaniem podwójnym. Jeżeli etylen będzie­my przepuszczać przez wodny roztwór nadmanganianu potasowego KMnO4, to znika charakterystyczne fioletowe zabarwienie i następuje utlenienie etylenu nadmanganianem. Reakcję tę wykorzystuje się do wykrywania nienasyconości badanej substancji — to jest obecności w niej wiązań podwójnych lub potrójnych. Etylen pali się świecącym płomieniem z wytworzeniem dwutlenku węgla i wody.

Dla etylenu podobnie jak i dla wszystkich węglowodorów nienasyconych charakterystyczne są reakcje polimeryzacji. Wysoka reaktywność etylenu w porównaniu

z metanem uwarunkowana jest obecnością wiązania podwójnego w jego cząsteczce. W warunkach laboratoryjnych etylen otrzymuje się przez ogrzewanie alkoholu etylowego ze środkami wiążącymi wodę (ze stężonym kwasem siarko­wi, bezwodnikiem fosforowym i innymi). Proces ten jest procesem odwrotnym

do otrzymywania alkoholu z etylenu. Alkohol reaguje najpierw siarkowym tworząc kwas etylosiarkowy i wodę. Następnie kwas etylosiarkowy w temperaturze

180-200°C rozpada się na kwas siarkowy i etylen. W warunkach przemysłowych etylen otrzymuje się z gazów po krakingu naftowej. Etylen stosuje się

do otrzymywania alkoholu etylowego, polietylenu, oraz syntezy wielu produktów organicznych. Przyśpiesza on dojrzewanie owoców po wprowadzeniu niewielkich jego ilości do cieplarni.

Acetylen jest bezbarwnym gazem, lżejszym od powietrza. Słabo rozpuszcza się w wodzie. Pod względem właściwości chemicznych acetylen wieloma cechami przy­pomina etylen. Ponieważ jednak zawiera on wiązanie potrójne, jest bardziej nienasyconym i dlatego przejawia większą reaktywność. Dla acetylenu charakterystyczne są reakcje przyłączania, utleniania i polimeryzacji. Najważniejszymi reakcjami przyłączenia są:

1) Przyłączenie wodoru — następuje ono podczas ogrzewania w obecności katalizatora niklowego. Reakcja następuje w dwóch stadiach — powstaje etylen, potem etan.

2) Przyłączenie chlorowców — przebiega ono bardzo łatwo (również kilkuetapowo). W wyniku reakcji woda bromowa odbarwia się.

3) Przyłączenie chlorowodorów. Otrzymany produkt — chlorek winylu, podobnie jak etylen łatwo polimeryzuje, dlatego znajduje szerokie zastosowanie

w produkcji żywic, polilichlorku winylu (PCW).

4) Przyłączanie wody, przebiega w obecności soli rtęci dwuwartościowej, HgSO4, Hg(NO3)2 z utworzeniem aldehydu octowego (w warunkach normalnych acetylen nie reaguje z wodą). Produktem pośrednim jest nienasycony (alkohol winylowy). Alkohole, w których grupa OH znajduje się przy C z wiązaniem podwójnym są nietrwałe; wodór z grupy hydroksylowej przechodzi do sąsiedniego atomu węgla, w wyniku czego powstaje trwały związek — aldehyd. Reakcja ta zwana jest reakcją Kuczerowa, od nazwiska chemika rosyjskiego, który ją odkrył. Za pomocą tej reakcji otrzymuje się w przemyśle aldehyd octowy, z niego zaś przez redukcję alkohol etylowy. Acetylen jest niezwykle wrażliwy na działanie utleniaczy. Podczas przepuszczania przez roztwór KMn04 acetylen łatwo utlenia się, zaś roztwór vMnO4 odbarwia się. W odróżnieniu od etylenu acetylen zdolny jest do reakcji podstawienia. Jeżeli przepuści się acetylen

przez amoniakalne roztwory soli srebra lub Cu (I), to atomy wodoru łatwo podstawiają się metalem tworząc acetylenki.

Acetylenki srebra i miedzi w suchej postaci pod wpływem uderzenia gwałtownie wybuchają. Należy podkreślić, że atomy wodoru mogą być zastępowane metalem również w etylenie, jednak następuje to w znacznie ostrzejszych warunkach. Acetylen spala się w powietrzu kopcącym płomieniem, w tlenie zaś ośle­piająco białym płomieniem z wydzieleniem dużej ilości ciepła. W czasie spalania acetylenu w mieszaninie z tlenem temperatura wzrasta do 3200°C. Dlatego używa się go

do spawania metali. Mieszaniny acetylenu z powietrzem są niezwykle wybuchowe (wybuchają pod wpływem iskry). Acetylen znajduje duże zastosowanie

jako surowiec do wielu przemysło­wych syntez chemicznych. Otrzymuje się z niego kwas octowy, kauczuk syntetyczny i żywice z polichlorku winylu. Produktem przyłączenia chloru do acetylenu jest czterochloroetan CHC12—CHC12. Jest on dobrym roz­puszczalnikiem tłuszczów i wielu substancji organicznych,

jest bezpieczny pod względem zagrożenia pożarowego. W warunkach przemysłowych acetylen otrzymuje się z węgliku wapnia (karbidu) w wyniku reakcji z wodą. Duże ilości acetylenu otrzy­muje się z metanu. Polimeryzacja jest reakcją następującego po sobie łączenia się jednakowych cząsteczek w większe cząsteczki. Reakcje polimeryzacji szczególnie charakterystyczne są dla związków nienasyconych. Z etylenu na przykład powstaje substancja wielkocząsteczkowa— polietylen. Połączenie cząsteczek etylenu następuje w miejscu rozerwania wiązania podwójnego. Na końcach takich dużych cząsteczek przyłączają się jakiekolwiek wolne atomy albo rodniki (na przykład atomy wodoru z etylenu). Produkt reakcji polimeryzacji nazywa się polimerem (poli — wiele, meros — część), wyjściowa zaś substancja wstępująca w reakcję polimeryzacji nazywa się monomerem. Polimer jest substancją o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym, którego cząsteczka składa się z dużej liczby powtarzających się ugrupowań o tej samej budowie. Ugrupowania te nazywają się ogniwami podstawowymi albo jednostkami strukturalnymi. Ogniwem podstawowym etylenu jest na przykład ugrupowanie atomów — CH2 — CH2 — . Liczbę ogniw podstawowych powtarzających się w makrocząsteczce nazywa się stopniem polimeryzacji (oznacza się ją przez n). W zależności od stopnia polimeryzacji z tych samych monomerów można otrzymać substancje o różnych właściwościach. Polietylen o krótkich łańcuchach (n= 20) jest cieczą, posiadającą właściwości smaru. Polietylen o długim łańcuchu i 1500-2000 ogniwach jest substancją stałą, ale jest ona giętkim materiałem plastycznym, z którego można wykonywać błony, butelki, rury elastyczne. I w końcu polietylen o długości łańcucha 5-6 tysięcy ogniw jest substancją stałą, z której można wykonywać wyroby lite, twarde rury, wytrzymałe nici itp. Często w reakcji polimeryzacji bierze udział niewielka liczba cząsteczek W tym przypadku powstają substancje niskocząsteczkowe, na przykład dimery, trimery itd. Warunki, w których zachodzą reakcje polimeryzacji są bardzo różnorodne W jednych przypadkach przebiegają one tylko w podwyższonej temperaturze, w innych przypadkach niezbędne są katalizatory i wysokie ciśnienie. Głównym czynnikiem jest jednak budowa cząsteczki monomeru. Reakcji polimeryzacji mogą ulegać związki nienasycone,

które zawierają w cząsteczce wiązanie podwójne lub potrójne. Wzory strukturalne polimerów zapisuje się w sposób następujący: przedsta­wia się budowę ogniwa podstawowego, które ujmuje się w nawiasy i na dole umieszcza się symbol n. Na przykład wzór strukturalny polietylenu przedsta­wia się jako (- CH2 - CH2 -)n. Łatwo zauważyć, że nazwa polimeru składa się z nazwy monomeru i przedrostka poli-, na przykład — polietylen, polichlorek winylu, polistyren itd. Za pomocą reakcji polimeryzacji otrzymuje się wysokocząsteczkowe substancje syntetyczne jak polietylen, policzterofluoroetylen (teflon), po­listyren, kauczuki syntetyczne i inne. Mają one ogromne znaczenie gospodarcze. Polichlorek winylu — produkt polimeryzacji chlorku winylu CH2=CH wykazuje cenne właściwości: jest niepalny, odporny na działanie czynników chemicznych, daje się łatwo barwić. Z tworzyw na podstawie chlorku winylu wytwarza się ceraty

na stół, płaszcze, torebki, sztuczną skórę do wyrobu obuwia itp. Powszechnie stosowany jest do izolacji przewodów i kabli. Teflon jest produktem polimeryzacji czterofłuoretylenu. Jest on najbardziej bierną substancją organiczną (działa na niego tylko stopiony sód i potas). Posiada wysoką wytrzymałość w niskiej i wysokiej temperaturze. Polistyren jest substancją stałą, przeźroczystą i sprężystą. Otrzymuje się go w wyniku polimeryzacji styrenu. Polistyren używany jest powszechnie

w charakterze dielektryka w elektrotechnice i radiotechnice. Używa się go również do wyrobu rur kwasoodpornych, oraz przedmiotów gospodarstwa domowego — grzebieni, zabawek i innych. Wytwarza się z niego lekkie porowate tworzywa piankowe (styropian). Kauczuk syntetyczny metodą Lebiediewa otrzymuje się wyniku polimeryzacji węglowodoru nienasyconego butadienu (dwuwinylu), którego cząsteczka zawiera dwa wiązania podwójne. Proces polimeryzacji przebiega w obecności katalizatora (sodu metalicznego). Butadien otrzymuje się z kolei przez przepuszczanie par alkoholu etylowego nad katalizatorem

w temperaturze 400-500°C. W obecnej chwili otrzymuje się go również z gazów, powstających podczas przeróbki ropy naftowej (katalityczne odwodornienie butanu do butadienu). Naturalny kauczuk jest polimerem węglowodoru nienasyconego — izoprenu. Znanych jest ponad 25000 różnych kauczuków syntetycznych. Obok reakcji polimeryzacji do otrzymywania substancji wysokocząsteczkowych szeroko stosuje się reakcje polikondensacji.

---