WĘGIEL I KRZEM. szulbe

Transkrypt

1 WĘGIEL I KRZEM szulbe

2 PORÓWNANIE Pierwiastek Symbol Liczba atomowa Masa atomowa Elektroujemność w skali Paulinga Konfiguracja elektronowa Temperatura stopnie Celsjusza topnienia wrzenia węgiel C 6 12,011 u 2,5 [He]2s 2 2p * - krzem Si 14 28,085 u 1,8 [Ne]3s 2 3p * Dotyczy grafitu, diament sublimuje

3 PORÓWNANIE Zarówno węgiel jak i krzem należą do 14 grupy układu okresowego, mają wiec na ostatniej powłoce 4 elektrony. Dlatego w związkach mogą przyjmować stopień utlenienia od IV np. w połączeniach z wodorem, do IV np. w połączeniach z tlenem. Węgiel występuje na rozmaitych stopniach utlenienia, najczęściej na -IV, II i IV. Stopień utlenienia krzemu zazwyczaj wynosi +IV, wyjątkowo +II, Zarówno węgiel jak i krzem tworzą łączą się z tlenem wiązaniami kowalencyjnymi, na co wskazuje ich elektroujemność.

4

5 WIZYTÓWKA WĘGLA SYMBOL: GRUPA: OKRES: KONFIGURACJA ELEKTRONOWA: 1s 2 2s 2 2p 2 lub 2s 2 p 2 NAZWA POLSKA: LICZBA ATOMOWA: NAZWA ANGIELSKA: MASA ATOMOWA: NAZWA ŁACIŃSKA: Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla: 12 C oraz 13 C są stabilne, natomiast izotop 14 C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat.

6 WYSTĘPOWANIE WĘGLA Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,018%. Odmiany alotropowe: grafit diament fulereny grafen Paliwa kopalne: gaz ziemny ropa naftowa antracyt węgiel kamienny węgiel brunatny torf Występowanie w postaci związków chemicznych: nieorganicznych: węglany, węgliki, tlenki organicznych: białka, tłuszcze i cukry, węglowodory, alkohole, estry itp.

7 WĘGIEL POSADA CZTERY ODMIANY ALTROPOWE: GRAFIT DIAMENT FULEREN GRAFEN

8 GRAFIT Grafit ma czarno-szara barwę, metaliczny połysk, jest mało reaktywny i bardzo miękki. Dobrze przewodzi prąd elektryczny. Ma budowę warstwową. Podczas spalania grafitu powstaje dwutlenek węgla. W drastycznych warunkach bez dostępu powietrza grafit przechodzi w diament. Grafit ze względu na swoją odporność na działanie wysokich temperatur, wykorzystywany jest do wyrobu tygli do topienia metali. Stosowany jest również do produkcji ołówków i farb antykorozyjnych. Ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne używa się go do wyrobu elektrod. Bywa wykorzystywany jako smar do mechanizmów pracujących w podwyższonych temperaturach. Grafit może być także moderatorem w reaktorach jądrowych.

9 DIAMENT Jest najtwardszą znaną substancją z występujących w przyrodzie. Jest kruchy (rozpryskuje się pod wpływem uderzenia), przezroczysty. Jest izolatorem, z wyjątkiem diamentu niebieskiego, który jest półprzewodnikiem. Jest trudno topliwy i odporny na działanie kwasów i zasad. Może zawierać wrostki innych minerałów. Dobrze przewodzi ciepło. Diament cechuje duża odporność chemiczna. W wyższych temperaturach diament przechodzi w grafit. Diamenty wykorzystywane są w technice do obróbki innych materiałów, w chirurgii jako narzędzia do cięcia. Diamenty po oszlifowaniu zwane są brylantami, rautami lub rozetami w zależności od rodzaju szlifu. Występują w silnie zasadowych skałach magmowych oraz w piaskach rzecznych i plażowych. Używany w jubilerstwie jako kamień szlachetny.

10 Diament wykorzystywany jest przede wszystkim w jubilerstwie Diament w postaci kamiennej

11 FULERENY To cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Cząsteczki te, składają się z pierścieni pięcio- i sześcioatomowych, tworzących zamkniętą strukturę. Fulereny są czarnymi ciałami stałymi o metalicznym połysku. Są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych, ale nie rozpuszczają się w wodzie. Kulista cząsteczka C 60 nanorurka Elipsoidalna cząsteczka C 70

12 GRAFEN Jakie właściwości ma grafen? Jest 100 razy mocniejszy niż stal, a jednocześnie niezwykle elastyczny. Jest prawie przezroczysty (pochłania ok. 2,3% światła). Ma grubość tylko jednego atomu i niezwykłą budowę pojedyncze atomy tworzą siatkę typu plaster miodu. Przewodzi prąd lepiej niż miedź. Jest także świetnym przewodnikiem ciepła. Ma właściwości bakteriobójcze. Nie przepuszcza gazów. Potrafi usuwać skażenia promieniotwórcze.

13 KATENACJA WĘGLA Węgiel ma zdolność tworzenia bardzo długich łańcuchów zawierających wiązanie C-C. Zdolność ta nosi nazwę katenacji. Wiązanie węgiel-węgiel jest bardzo silne i stabilne. Ta zdolność pozwala węglowi tworzyć praktycznie nieskończoną ilość związków. Ilość związków zawierających węgiel w swojej strukturze jest większa niż wszystkich pozostałych związków nie zawierających węgla. Najprostszymi związkami organicznymi są węglowodory- związki zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Węgiel występuje w każdym organizmie żywym oraz jest podstawą chemii organicznej. Węglowodory to grupa palnych związków które odgrywają istotną role w przemyśle polimerowym, petrochemicznym oraz paliw kopalnych.

14 TLENKI WĘGLA CO Tlenek węgla CO 2 Dwutlenek węgla C 3 O 2 Podtlenek węgla C 12 O 9 Bezwodnik melitowy

15 Bezbarwny i bezwonny, o gęstości nieco mniejszej od powietrza i trudno rozpuszczalny w wodzie gaz. TLENEK WĘGLA (II) - CZAD Tlenek węgla(ii) jest silnie trujący! Bezbarwny i bezwonny i trudno rozpuszczalny w wodzie gaz. Zatrucie (zaczadzenie) jest spowodowane tworzeniem karbohemoglobiny - połączenia hemoglobiny (właściwie jonu żelaza(ii) obecnego w hemoglobinie) z CO, które charakteryzuje się znacznie większą trwałością niż połączenia hemoglobiny z tlenem (oksyhemoglobina) i tlenkiem węgla(iv) (karboksyhemoglobina).

16 Bezbarwny i bezwonny, o gęstości nieco mniejszej od powietrza i trudno rozpuszczalny w wodzie gaz. TLENEK WĘGLA (II) Cząsteczka CO zawiera wiązanie potrójne i w związku z tym jest bardzo trwała: Dwa wiązania tworzą się przez uwspółnienie elektronów pochodzących od atomów węgla i tlenu. Trzecie wiązanie powstaje w wyniku uwspólnienia pary elektronowej pochodzącej od tlenu (wiązanie koordynacyjne).

17 TLENEK WĘGLA (II) Tlenek węgla(ii) spala się niebieskim płomieniem i ma właściwości redukujące: FeO + CO Fe + CO 2 W warunkach normalnych jest obojętny wobec wody, jednak w obecności katalizatorów reaguje z parą wodną - reakcja konwersji: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Na gorąco reaguje z roztworami mocnych zasad, tworząc mrówczany: CO + NaOH (aq) HCOONa (aq)

18 TLENEK WĘGLA (IV) Bezbarwny gaz, bez zapachu i smaku, niepalny i cięższy od powietrza. Ochładzając go pod zwiększonym ciśnieniem, można go bardzo łatwo skroplić, a następnie zestalić. Stały tlenek węgla(iv) przypomina wyglądem lód, stąd nazwa zwyczajowa suchy lód.

19 enzymy TLENEK WĘGLA (IV) W laboratoriach tlenek węgla(iv) jest otrzymywany w wyniku działania kwasów na węglany: CaCO 3(s) + 2HCl (aq) CaCl 2(aq) + CO 2(g) + H 2 O (c) Na skalę przemysłową otrzymuje się go natomiast w wyniku rozkładu termicznego wapienia oraz jako produkt uboczny, np. podczas fermentacji alkoholowej. Tlenek węgla(iv) wprowadzony do roztworu wodorotlenku wapnia daje biały osad węglanu wapnia rozpuszczalny w nadmiarze tlenku węgla(iv). Jest to reakcja rozpoznawcza na obecność tego tlenku. Ca(OH) 2(aq) + CO 2(g) CaCO 3(s) + H 2 O (c) CaCO 3(s) + CO 2(g) + H 2 O (c) Ca(HCO 3 ) 2(aq)

20 FOTOSYNTEZA

21 OBIEG WĘGLA W PRZYRODZIE Ścieżki jakimi "wędruje" węgiel tworzą obieg węgla w przyrodzie. Np. rośliny pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza i używają go do produkcji biomasy w procesie fotosyntezy. Część biomasy produkowanej przez rośliny zostaje zjedzona przez zwierzęta, podczas gdy część węgla jest wydychana w postaci dwutlenku węgla.

22 EFEKT CIEPLARNIANY

23 enzymy HCN cyjanowodór Cyjanowodór i cyjanki są jednymi z silniejszych trucizn spośród związków nieorganicznych! Bezbarwna, lotna ciecz, o charakterystycznym zapachu gorzkich migdałów. Substancja ta miesza się z wodą w każdym stosunku, a powstały roztwór ma odczyn kwasowy (otrzymuje się słaby kwas cyjanowodorowy): HCN + H 2 O CN - + H 3 O + Cyjanki litowców i berylowców są dobrze rozpuszczalne w wodzie, a ich wodne roztwory mają odczyn zasadowy. Jony cyjankowe ulegają bowiem hydrolizie anionowej: CN - + H 2 O HCN + OH -

24

25 WIZYTÓWKA KRZEMU SYMBOL: GRUPA: OKRES: KONFIGURACJA ELEKTRONOWA: 3s 2 3p 2 lub 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 NAZWA POLSKA: LICZBA ATOMOWA: MASA ATOMOWA: IZOTOPY STABILNE KRZEMU: NAZWA ANGIELSKA: NAZWA ŁACIŃSKA:

26 WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE Krzem to PÓŁMETAL Temperatura topnienia: 1410 C, 1683 K Temperatura wrzenia: 2355 C, 2628 K Ciepło topnienia: kj/mol Ciepło parowania: kj/mol

27 KRZEM WYSTĘPUJE W DWÓCH ODMIANACH: oraz krystalicznej, szarej o wyglądzie metalicznym. bezpostaciowej (ciemnobrunatny proszek)

28 OTRZYMYWANIE KRZEMU: Krzem otrzymuje się z jego tlenku SiO 2. W pierwszym etapie ogrzewa się go z magnezem lub glinem. Otrzymaną mieszaninę tlenków metali i krzemu poddaje się reakcji z kwasem solnym i fluorowodorem. W wyniku tych procesów uzyskuje się czysty krzem. Na skalę przemysłową krzem otrzymuje się przez redukcję krzemionki węglem w temperaturze 2200 o C SiO 2 + 2C 2 CO + Si

29 ZASTOSOWANIE KRZEMU: Krzem jest półprzewodnikiem Odkrycie krzemu i wynalezienie licznych jego zastosowań spowodowało rewolucyjny postęp w elektronice. Rozwój elektroniki półprzewodnikowej umożliwia wytwarzanie coraz bardziej skomplikowanej, nowoczesnej i zminiaturyzowanej aparatury elektronicznej.

30 Do produkcji elementów elektronicznych (np. tranzystorów) potrzebny jest niesamowicie czysty krzem. Jakość elementów półprzewodnikowych zależy przede wszystkim od niezakłóconej struktury kryształu krzemu - określanie jakości surowca to jeden z najdroższych etapów procesu produkcji. Wszystko co nas otacza: komputery, telewizory, telefony komórkowe to urządzenia skonstruowane z milionów tranzystorów krzemowych.

31 METODA CZOCHRALSKIEGO technika otrzymywania monokryształów opracowana w 1916 roku przez polskiego chemika Jana Czochralskiego. Metoda jest najstarszą i jedną z najpowszechniej stosowanych metod produkcji monokryształów metali i ich stopów na świecie.

32 KRZEMOWA DOLINA: Dolina Krzemowa to legenda, narzuca wszystkie standardy w dziedzinie elektroniki. To mały skrawek ziemi 50 km na południe od San Francisco, wspaniale zlokalizowany, gdzie funkcjonuje ponad 700 firm informatycznych i teleinformatycznych.

33 ZWIĄZKI KRZEMU: SiO 2 Podstawowym związkiem krzemu jest SiO 2, czyli krzemionka. W cząsteczce SiO 2 przeważa wiązanie jonowe (różnica elektroujemności wynosi 1,7) Związek ten tworzy kryształy jonowe. Dwutlenek krzemu jest związkiem najbardziej rozpowszechnionym w skorupie ziemskiej; stanowi prawie połowę jej masy.

34 STRUKTURA SiO 2 Atom krzemu Atom tlenu W sieci krystalicznej SiO 2 każdy atom krzemu otoczony jest przez cztery atomy tlenu. Komórka elementarna krzemionki ma kształt tetraedru, czyli czworościanu foremnego. Taka budowa wyjaśnia niezwykłą twardość i wysoką temperaturę topnienia SiO 2

35

36 WŁAŚCIWOŚCI TLENKU KRZEMU SiO 2 właściwości fizyczne substancja stała, krystaliczna bez domieszek bezbarwna twarda właściwości chemiczne substancja mało reaktywna chemicznie odporna termicznie nie reaguje z wodą ani z kwasami

37 KRZEMIONKA piasek KWARC SiO 2 tlenek krzemu(iv) agat kryształ górski tygrysie oko ametyst

38 Chemicznie czysta krzemionka występuje dość rzadko. Jest znana jako kryształ górski, czyli KWARC

39 PIEZOELEKTRYCZNOŚĆ: Mechaniczne ściskanie kryształu kwarcu powoduje jego naładowanie, to zjawisko piezoelektryczności. Piezoelektryczne płytki kwarcowe są masowo stosowane jako element współczesnej elektroniki - najpospolitszym przykładem ich zastosowania jest kwarcowy zegarek.

40 Barwne odmiany kwarcu od wieków były używane jako piękne, a stosunkowo niedrogie materiały jubilerskie i ozdobne. Ametyst to jedna z odmian kwarcu, zabarwiona na fioletowo.

41 Kolejnymi odmianami są agat... Cytryn to odmiana kwarcu zabarwiona na żółto.

42 ... i jaspis. SiO 2 i inne krzemiany znalazły zastosowanie przede wszystkim w przemyśle szklarskim.

43 Co to jest szkło? ciało krystaliczne - SiO 2 ciało bezpostaciowe - szkło

44 Z czego tworzone jest szkło? Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej: węglan sodu (Na 2 CO 3 ) i węglan wapnia (CaCO 3 ), topniki: tlenki boru i ołowiu (B 2 O 3, PbO) oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych (kadm, mangan i inne). Produkcja szyb: a - załadowanie piasku b - piec c - warstwa stopionego szkła zastyga na powierzchni stopionej cyny d - chłodzenie e - dalsze chłodzenie na wałkach f - cięcie szkła przecinakiem

45

46 SZKŁO KWARCOWE Odznacza się niewielką rozszerzalnością cieplną, wysoką temperaturą mięknienia, dużą przezroczystością dla promieniowania UV-VIS, odpornością na działanie wielu czynników chemicznych. Znajduje zastosowanie w produkcji sprzętu optycznego, aparatury chemicznej oraz światłowodów.

47 RODZAJE SZKŁA.

48 SZKŁO WODNE Użytecznym związkiem krzemu jest krzemian sodu, Na 2 SiO 3, przezroczysta ciecz, zwana szkłem wodnym. Stosuje się je do wyrobu klejów i mydeł oraz do konserwowania jaj. Szkło wodne jest rozpuszczalne w wodzie. Otrzymuje się je w wyniku reakcji dwutlenku krzemu z wodorotlenkiem sodu w wysokiej temperaturze. SiO 2 + 2NaOH H 2 O + Na 2 SiO 3

49 SZKŁO WODNE CHEMICZNY OGRÓDEK

50 INNE ZWIĄZKI: Węglik krzemu (karborund), SiC, to twardy materiał ścierny, stosowany głównie do szlifowania metali, bezbarwna substancja krystaliczna, otrzymywana przez ogrzewanie piasku z koksem w wysokiej temperaturze. Czterofluorek krzemu, SiF 4, jest bezbarwnym drażniącym gazem, stosowanym głównie do otrzymywania fluorokrzemianów. Czterochlorek krzemu, SiCl 4, jest używany w wojsku do wytwarzania zasłon dymnych.

51 KRZEM JAKO MIKROELEMENT : występuje w gruczołach dokrewnych-grasicy, nadnerczach i przysadce mózgowej, obniża poziom cholesterolu we krwi, wpływa na elastyczność, wygląd i zdrowie skóry, włosów i paznokci, uczestniczy w tworzeniu tkanki łącznej i chrząstek, krzemionka działa przeciwzapalnie i przeciwalergicznie. Źródło krzemu w pożywieniu: czosnek, szczypiorek, płatki owsiane, otręby pszenne, herbata ze skrzypu polnego, kasza gryczana, daktyle owoce morza, marchew