Węglowce

W grupie węglowców znajdziemy zarówno niemetale, metale jak i półmetale. Węgiel jest typowym niemetalem, german, cyna i ołów to metale, zaś krzem posiada właściwości obu tych grup będąc półmetalem. Charakter metaliczny pierwiastków zwiększa się w dół grupy. Wszystkie pierwiastki z tej grupy można bezpiecznie przechowywać na powietrzu.

Węgiel i krzem tworzą liczne rodzaje połączeń łańcuchowych z wodorem. Chemia organiczna to dziedzina chemii zajmująca się właśnie badaniem budowy, właściwości oraz reakcji związków chemicznych zawierających węgiel i już samo to daje obraz bogactwa i wagi tych związków w przyrodzie. Zarówno węgiel jak i cyna tworzą odmiany alotropowe, zaś pozostałe pierwiastki posiadają tylko jedną postać krystaliczną.

Węglowce występują na dwóch stopniach utlenienia: +II (najtrwalszy dla cyny i ołowiu) oraz +IV (najtrwalszy dla węgla i krzemu).

Występowanie

Krzem jest jednym z najczęściej występujących w przyrodzie pierwiastków, dobrze rozpowszechniony jest również węgiel i ołów. German i cyna występują w niewielkich ilościach. Węgiel można znaleźć w postaci czystej (węgiel kamienny i brunatny), oraz w węglanach. Pozostałe węglowce można spotkać w postaci tlenków bądź siarczków.

Związki z tlenem i wodorem

Pierwiastek	Związek	Nazwa
C	CO	tlenek węgla(II), czad
	CO2	dwutlenek węgla, tlenek węgla (IV)
	CH4	metan (przykładowy wodorek - węgiel tworzy skomplikowane struktury łańcuchowe i pierścieniowe)
Si, Ge, Sn	MO2	tlenek krzemu/germanu/cyny
	MH4	wodorek krzemu/germanu/cyny (krzem, podobnie jak węgiel, tworzy również rozbudowane strukturalnie wodorki, czyli silany)
Pb	PbO	tlenek ołowiu (II)
	PbO2	tlenek ołowiu (IV)
	Pb3O4	tetratlenek triołowiu, tlenek diołowiu(II) ołowiu(IV), minia ołowiowa
	PbH4	wodorek ołowiu (IV)

Tlenki Tlenki CO2 oraz SiO2 mają charakter kwasowy, zaś tlenki germanu, cyny oraz ołowiu wykazują coraz silniejsze właściwości amfoteryczne w dół grupy. Dwutlenek węgla jest raczej słabo rozpuszczalny w wodzie, pozostałe tlenki można traktować jako nierozpuszczalne.

Wodorki Połączenia węgla z wodorem omówione zostaną w dziale poświęconym chemii organicznej. Krzem tworzy struktury bardzo analogiczne do tych tworzonych przez węgiel - są to silany. Pozostałe wodorki są nietrwałe.

Reakcje

W zależności od ilości dostępnego tlenu węgiel tworzy dwa tlenki. Przy wystarczającej ilości tlenu: \[ C + O_{2} \rightarrow CO_{2} \] Przy niedoborze tlenu: \[ 2 C + O_{2} \rightarrow 2 CO \] Ołów najłatwiej utlenia się do tlenku ołowiu (II), pozostałe pierwiastki tworzą dwutlenki.

Węgiel jako jedyny reaguje bezpośrednio z wodorem, choć potrzebna jest do tego wysoka temperatura (np. łuku elektrycznego). \[ 2 C + H_{2} \rightarrow C_{2}H_{2} \] Żarzący się węgiel daje z parą wodną gaz wodny, czyli mieszaninę tlenku węgla oraz wodoru: \[ C + H_{2}O_{_{(gaz)}} \rightarrow CO_{_{(gaz)}} + H_{2_{(gaz)}} \] Ołów również reaguje z wodą, jednak dzieje się to bardzo powoli. Proces ten doprowadził w starożytności i średniowieczu do dużego wzrostu zachorowalności na ołowicę - było to spowodowane używaniem w tamtych okresach ołowianych rur doprowadzających wodę. Pozostałe węglowce nie reagują z wodą.

German, krzem i węgiel nie reagują z kwasami, natomiast cyna i ołów wchodzą w reakcje z mocnymi kwasami i zasadami: \[ M + 2 HCl \rightarrow MCl_{2} + H_{2}\uparrow\\ M + 2 NaOH + 2 H_{2}O \rightarrow Na_{2}[M(OH)_{4}] + H_{2}\uparrow \] Metaliczny ołów ulega kilku reakcjom:

Pb	\[ \xrightarrow{\;\;HNO_{3}\;\;}Pb(NO_{3})_{2}\\ \xrightarrow{\;\;\;I_{2}\;\;\;}PbI_{2}\\ \xrightarrow{\;\;\;\;S\;\;\;\;}PbS\\ \xrightarrow{\;\Delta, O_{2}\;}PbO \xrightarrow{\;\Delta, O_{2}\;}Pb_{3}O_{4} \]

Zastosowanie

Pierwiastki z grupy węglowców widać w naszym życiu niemal na każdym kroku. Węgiel w postaci stałej jest używany jako opał, również mieszaniny jego związków (gaz ziemny i ropa naftowa) są surowcami do pozyskiwania energii. W przemyśle wykorzystuje się związki węgla do produkcji tkanin i przedmiotów codziennego użytku (plastiki). Gaz wodny używany jest w syntezach organicznych oraz jako paliwo, zaś woda gazowana (zawierająca dwutlenek węgla) to popularny napój.

Krzem oraz german mają szerokie zastosowanie w przemyśle elektronicznym do produkcji półprzewodników.

Tlenowe związki krzemu wykorzystywane są jako materiały budowlane, silikony zaś służą do produkcji protez i impregnacji tkanin.

Cyna i ołów są składnikami stopów, między innymi stopu lutowniczego i drukarskiego.

Alotropia węgla

Alotropia to zjawisko występowania, w tym samym stanie skupienia, różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą strukturą krystaliczną lub liczbą atomów w cząsteczce. Węgiel jest pierwiastkiem posiadającym kilka odmian alotropowych

Diament to najtwardszy znany materiał. W postaci czystej jest bezbarwny i nie przewodzi prądu elektrycznego, jednak jest dobrym przewodnikiem ciepła - jest to zasługa regularnej struktury i wiązań kowalencyjnych. Minerał ten jest bardzo rzadki i niezwykle cenny, między innymi ze względu na swe właściwości optyczne. Światło wielokrotnie odbija się we wnętrzu diamentu, stąd piękny efekt mienienia się.

Grafit jest czarnym, kruchym ciałem stałym o połyskliwej fakturze. Ma charakterystyczną strukturę wewnętrzną złożoną z warstw atomów węgla przypominających strukturą plaster miodu i ułożonych na sobie. W pierścieniach warstwy występują silne wiązania kowalencyjne, zaś pomiędzy nimi - znacznie słabsze zdelokalizowane wiązania typu π. Dzięki temu grafit łatwo przełamać i można za jego pomocą pisać - podczas tarcia grafitem o kartkę kolejne warstwy ślizgają się między sobą na "poduszce elektronowej" tworzonej przez wiązania π i pozostają na kartce. Owe wiązania odpowiadają również za dobrą przewodność elektryczną grafitu.

Fulereny to rodzina wieloatomowych cząstek mających charakterystyczny kształt kuli. Najbardziej znany to fuleren C₆₀ przypominający piłkę futbolową. Nazwa "fulereny" pochodzi od nazwiska amerykańskiego architekta - Buckminstera Fullera, autora kopuły geodezyjnej, która swoją strukturą przypomina właśnie fuleren.