Węglowce – pierwiastki 14 (daw. IVA lub IV głównej) grupy układu okresowego. Są to węgiel (C), krzem (Si), german (Ge), cyna (Sn), ołów (Pb) i flerow (Fl).

Odkrycie thumb|120px|Węgiel – grafit thumb|120px|Węgiel – diament thumb|120px|Węgiel – fulleren C 60 thumb|120px|Krzem thumb|120px|German thumb|120px|Cyna (β i α) thumb|120px|Ołów

Trzy z sześciu węglowców znano już w starożytności. Były to węgiel, cyna i ołów. Krzem i german zostały odkryte w epoce nowożytnej (krzem przez Antoine Lavoisiera, zaś german przez Clemensa Alexandera Winklera). Flerow został otrzymany sztucznie w 1999 roku przez naukowców z Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej.

Występowanie w przyrodzie Węgiel wchodzi w skład licznych związków organicznych. Ponadto występuje w przyrodzie w postaci węgli kopalnych. Najważniejszym minerałem zawierającym węgiel jest węglan wapnia. Dużo rzadziej spotyka się go w postaci diamentów. W środowisku naturalnym wyjątkowo odnaleźć go można w formie fulerenów (np. w strzałkach piorunowych).

Krzem zajmuje drugie miejsce pod względem zawartości na Ziemi (zaraz po tlenie). Nie występuje jednak w stanie wolnym, ale w postaci krzemionki, krzemianów i glinokrzemianów.

German występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach, wyłącznie w postaci związków, np. minerałów takich jak germanit () i argyrodyt (). Niewielkie ilości germanu są zawarte w węglu kamiennym.

Główne źródła cyny to kasyteryt () i stannin ().

Ołów występuje w niewielkich ilościach w postaci rodzimej, jednak jego głównym źródłem jest galena (PbS).

Flerow jest syntetycznym pierwiastkiem promieniotwórczym i nie występuje na Ziemi.

Właściwości Ze wzrostem liczby atomowej w tej grupie maleje wpływ biernej pary elektronowej. Wynikiem tego jest malejąca trwałość pierwiastków na IV stopniu utlenienia i rosnąca na II. Wszystkie z nich oprócz ołowiu tworzą struktury diamentu, przy czym w przypadku węgla odmiana ta jest izolatorem, a dalsze pierwiastki są, z powodu malejącej szerokości pasma wzbronionego, półprzewodnikami i przewodnikami.

Węgiel jest ciałem stałym, nierozpuszczalnym w wodzie. Grafit jest czarnoszary, odpowiednio wypolerowany ma metaliczny połysk. Diament jest bezbarwny, bezwonny, nie ma smaku. Jest pierwiastkiem mało reaktywnym; w wysokiej temperaturze reaguje z fluorem, tlenem, siarką i metalami 1, 2 i 13 grupy. Rozżarzony koks reaguje z wodą, dając mieszaninę tlenku węgla i wodoru (tzw. gaz syntezowy): .

Tworzy trzy odmiany alotropowe: Diament – bezbarwny, krystaliczny, ma dużą gęstość i twardość; podczas ogrzewania do temperatury powyżej 1500 °C przechodzi w grafit. Grafit – mała twardość, łupliwość; jest bardziej reaktywny niż diament. Fulereny – czarne ciała stałe o metalicznym połysku, odpowiednio domieszkowane mają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe. W związkach chemicznych występuje na −IV, II i IV stopniu utlenienia.

Krzem to szare, błyszczące, kruche ciało stałe. Jest półprzewodnikiem. W związkach jest czterowartościowy. Występuje, podobnie jak węgiel, w strukturze diamentu.

German jest kruchym, srebrzystobiałym półmetalem o właściwościach półprzewodnikowych. Nie reaguje z wodą i kwasami (oprócz kwasu azotowego).

Cyna jest ciałem stałym. Występuje w trzech odmianach krystalicznych: Cyna α – ma strukturę diamentu, która ma właściwości półprzewodnikowe; występuje jako proszek barwy szarej; przemiana w cynę β zachodzi powoli w temperaturze 13,2 °C i wyższej; Cyna β – srebrzystobiała z niebieskawym odcieniem; Cyna γ. W związkach chemicznych cyna występuje na -IV, II i IV stopniu utlenienia.

Ołów to szarosrebrzysty, miękki, kowalny metal. Na powietrzu pokrywa się warstwą tlenku. Jego sole są zazwyczaj słabo rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w wodzie (z wyjątkiem azotanu ołowiu(II) i octanu ołowiu(II)).

Właściwości węglowców w związkach z wodorem Związki wodoru z: węglem to węglowodory; krzemem silany; germanem germanany; cyną stannany; ołowiem plumbany.

W szeregu od węgla do ołowiu trwałość tych związków maleje.

Węgiel tworzy najwięcej związków z wodorem (węglowodory) dzięki trwałym wiązaniom węgiel-węgiel (katenacja). Są one trwałe i jako jedyne z tej grupy nie hydrolizują w wodzie. Pierwszy krzemowodór () jest nietrwały w środowisku wodnym i na powietrzu.

Najważniejsze związki chemiczne węglowców Węgiel: Dwutlenek węgla, Tlenek węgla, CO Kwas węglowy, Węglik wapnia, Cyjanowodór, HCN Związki organiczne

Krzem: Dwutlenek krzemu, Kwas krzemowy, Kwas ortokrzemowy, Krzemiany Krzemowodory Krzemki Węglik krzemu, SiC

German: Germanowodory Siarczek germanu(II), GeS Siarczek germanu(IV), Tlenek germanu(II), GeO Tlenek germanu(IV),

Cyna: Tlenek cyny(II), SnO Tlenek cyny(IV), Kwas cynowy, Wodorotlenek cyny(II), Cynowodór, Siarczek cyny(II), SnS Siarczek cyny(IV), Chlorek cyny(II), Chlorek cyny(IV),

Ołów: Węglan ołowiu(II), Chlorek ołowiu(II), Chlorek ołowiu(IV), Chromian ołowiu(II), Azydek ołowiu(II), Azotan ołowiu(II), Tlenek ołowiu(II), PbO Tlenek ołowiu(IV), Tlenek diołowiu(II), ołowiu(IV), Wodorotlenek ołowiu(II), Siarczek ołowiu(II), PbS Siarczan ołowiu(II), )

Otrzymywanie Węgiel do celów laboratoryjnych otrzymuje się przez prażenie sacharozy bez dostępu tlenu z powietrza. Na skalę przemysłową otrzymuje się go z węgli kopalnych, przez rozkład termiczny drewna oraz jako diament.

Krzem można otrzymać w laboratorium przez redukcję krzemionki magnezem: . Na skalę przemysłową redukuje się krzemionkę węglem () lub węglikiem wapnia.

Pozostałe trwałe węglowce są otrzymywane przez redukcję ich tlenków. Ołów można otrzymać elektrolitycznie z jego siarczku. Flerow można uzyskać wyłącznie w reakcjach jądrowych.

Zastosowanie Węgiel jest podstawowym składnikiem związków organicznych. Diament służy do wyrobu biżuterii. Ze względu na jego twardość używa się go także do wyrobu narzędzi do obróbki stali i szkła. Grafit jest używany do wyrobu elektrod, grafitów do ołówków i tygli laboratoryjnych. Węgle kopalne są wykorzystywane jako surowce energetyczne. Izotop węgla 14C jest stosowany jako wskaźnik izotopowy, a 1/12 masy izotopu 12C stanowi wzorzec jednostki masy atomowej.

Krzem o wysokim stopniu czystości jest stosowany do wytwarzania półprzewodników. Jest też stosowany do odtleniania specjalnych gatunków stali oraz jako składnik wielu stopów. Krzem i jego związki są surowcami w przemyśle szklarskim, ceramicznymi materiałów budowlanych.

German stosuje się do produkcji półprzewodników, luminoforów, filtrów optycznych i stopów specjalnych.

Cyna jest używana do pokrywania metali mniej odpornych na korozję. Jest też składnikiem stopów. W średniowieczu wykonywano wiele przedmiotów z cyny, ze względu na jej dostępność i niską cenę.

Ołów służy do wyrobu rur kanalizacyjnych i ekranów chroniących przed promieniowaniem. Wykłada się nim także komory do produkcji kwasu siarkowego, celulozy i wapna bielącego. Ołowiu używa się też do wyrobu płyt akumulatorowych, szkła ołowiowego i do otrzymywania innych związków ołowiu.

Uwagi

Przypisy

Kategoria:Grupy pierwiastków chemicznych