Jerzy Masełko

Jerzy Masełko
WĘGIEL, TLENEK WĘGLA, DWUTLENEK WĘGLA
Węgiel
Węgiel w przyrodzie występuje najczęściej w postaci skomplikowanych związków
organicznych. W tej postaci występuje węgiel w węglach kopalnych i ropie naftowej. Związki
węgla są też głównym składnikiem gazu ziemnego. W postaci niezwiązanej węgiel występuje w
przyrodzie w wielu odmianach alotropowych w tym jako diament, grafit, fuleren.
Diament
Odznacza się dużą twardością i ta jego cecha znalazła zastosowanie techniczne.
Grafit
Druga odmiana alotropowa węgla jest miękka i łupliwa. W kryształach grafitu atomy
węgla w jednej płaszczyźnie są powiązane ze sobą silnymi wiązaniami o charakterze atomowym,
natomiast w płaszczyźnie do niej prostopadłej wiązania są znacznie słabsze, typu van der
Waalsa. Dlatego grafit występuje w postaci łupków. Węgiel bezpostaciowy jest bardzo
rozdrobnionym grafitem, ma dużą powierzchnię i silne własności adsorpcyjne.
Fulereny
Fulereny są odmianą węgla mającą postać mniej lub bardziej regularnych sfer
zawierających kilkadziesiąt atomów węgla. Najtrwalszy i najbardziej symetryczny jest fuleren
C60 budową przypominający piłkę futbolową.
Adsorpcja jest zjawiskiem powierzchniowym i polega na zagęszczeniu jonów i
cząsteczek na powierzchni ciała stałego. W przypadku grafitu cząsteczki utrzymywane są na
powierzchni węgla dzięki siłom van der Waalsa. Najlepsze właściwości adsorpcyjne ma węgiel
aktywny, który stosuje się do odbarwiania syropu cukrowego, otrzymywania wysokiej próżni,
osuszania gazów oraz w maskach przeciwgazowych. Jedną z metod otrzymywania węgla
aktywnego jest sucha destylacja drewna. Polega ona na prażeniu drewna bez dostępu powietrza.
Produktami suchej destylacji drewna są:
węgiel drzewny (aktywny)
gaz drzewny, w którego skład wchodzi metan, tlenek węgla, dwutlenek węgla i
acetylen
ocet drzewny będący mieszaniną kwasu octowego, alkoholu metylowego i
acetonu
smoła drzewna - mieszanina cięższych substancji organicznych
Węgiel drzewny używany jest tam, gdzie istnieje potrzeba stosowania bardzo czystego węgla
aktywnego, np. do celów leczniczych. Węgiel dzięki dużemu powinowactwu do tlenu ma silne
własności redukcyjne, które znalazły zastosowanie w przemyśle. Węglem redukuje się tlenki
metali i otrzymuje tlenki węgla, które ulatniają się, oraz stopiony metal, np.:
ZnO + C = Zn + CO
ZnO + CO = Zn + CO2
Podobnie otrzymuje się ołów z tlenku ołowiu.
Tlenek węgla
Powstaje przy niecałkowitym spalaniu węgla lub przez redukcję dwutlenku węgla CO2
według reakcji: Zn + CO2 = ZnO + CO. Duże ilości tlenku węgla otrzymuje się z gazu wodnego,
który powstaje w następujących reakcjach:
C + H2O = CO + H2 ;
CO + H2O = CO2 + H2
Gaz wodny służy też do otrzymywania wodoru na skalę techniczną. Tlenek węgla jest gazem
bezbarwnym i bez zapachu. Mimo występowania w nim węgla na +2 stopniu utlenienia jest
związkiem trwałym. Tlenek węgla jest silną trucizną, a w mieszaninie z powietrzem tworzy
mieszaninę wybuchową. Pali się charakterystycznym płomieniem. Jest materiałem wyjściowym
do wielu syntez organicznych.
Dwutlenek węgla
Otrzymuje się przez całkowite spalenie węgla i jego związków lub przez rozkład
węglanów. Dwutlenek węgla jest gazem bezbarwnym i bez zapachu. Znajduje zastosowanie do
produkcji napojów chłodzących oraz jako środek chłodzący, w postaci stałego CO2 zwanego
suchym lodem. Dwutlenek węgla doskonale rozpuszcza się w wodzie. Jeden m3 wody
rozpuszcza 2 m3 CO2. W czasie rozpuszczania się CO2 w wodzie powstaje kwas węglowy, który
ulega dysocjacji:
CO2 + H2O
H2CO3
H2CO3
H+ + HCO3- ;
HCO3H+ + CO32Kwas węglowy jest kwasem słabym. Tworzy sole kwaśne i obojętne, np. Ca(HCO3)2 i CaCO3.
Węglany kwaśne i obojętne metali alkalicznych są rozpuszczalne w wodzie. Węglany obojętne
wapnia i baru są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast kwaśne rozpuszczają się dobrze.
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
Doświadczenie 1. Sucha destylacja drewna
Napełnij probówkę do 3/4 objętości drobnymi kawałkami drewna i ogrzewaj małym
płomieniem palnika, obserwując wydzielanie się gazowych, ciekłych i stałych produktów
rozkładu drewna. Nie przerywając ogrzewania zapal gaz wychodzący z rurki odprowadzającej.
Zwróć uwagę na kondensację ciekłych produktów suchej destylacji drewna na ściankach
probówki.
Doświadczenie 2. Adsorpcyjne właściwości węgla drzewnego - adsorpcja substancji barwnych z
roztworu
Probówkę napełnij do połowy jasnoróżowym roztworem barwnika (fuksyny). Do
roztworu wsyp 2 mikroszpachelki sproszkowanego węgla drzewnego. Zatkaj probówkę szczelnie
palcem i energicznie wstrząsaj w ciągu 2-3 minut. Oddziel węgiel drzewny od roztworu przez
odsączenie. Zwróć uwagę na zmianę zabarwienia roztworu.
Doświadczenie 3. Adsorpcyjne właściwości węgla aktywnego. Adsorpcja jonów z roztworu
Do probówki wprowadź 2-3 krople roztworu azotanu ołowiu o stężeniu 0.001 M, dodaj
kroplę roztworu jodku potasu o stężeniu 0.1M. W wyniku reakcji jodku potasowego z azotanem
ołowiu wytrąci się żółty osad jodku ołowiu. Probówkę z otrzymanym osadem zachowaj jako
porównawczą. Drugą probówkę napełnij do 1/4 objętości tym samym roztworem azotanu
ołowiu, wsyp 2 mikroszpachelki sproszkowanego węgla aktywnego. Po zatkaniu palcem
probówki, wstrząsaj nią energicznie w ciągu 2-3 minut. Roztwór oddziel od węgla przez
przesączenie, pobierz pipetką 2-3 krople klarownego roztworu i przenieś do drugiej probówki,
po czym dodaj 1 kroplę roztworu KI. Zauważ brak żółtego osadu w drugiej probówce.
Doświadczenie 4. Redukcyjne właściwości węgla
Na kawałku papieru
zmieszaj jednakowe ilości (po jednej mikroszpachelce) tlenku
miedzi i sproszkowanego węgla. Do tygielka porcelanowego wsyp 1 mikroszpachelkę
otrzymanej mieszaniny i włóż do rozgrzanego pieca na 10 minut. Po wyciągnięciu z pieca
dodawaj powoli kroplami 5 kropli alkoholu metylowego. Po ostudzeniu tygla wysyp jego
zawartość na kawałek białego papieru i oceń zawartość. Napisz reakcje powstawania miedzi.
Doświadczenie 5. Otrzymywanie węglanu i wodorowęglanu wapnia
Probówkę napełnij wodą wapienną powyżej połowy jej objętości. Otrzymany z gaśnicy
śniegowej dwutlenek węgla przepuść przez przygotowany roztwór aż do wytrącenia się osadu
węglanu wapnia; przy dalszym przepuszczaniu strumienia CO2 następuje rozpuszczanie się
osadu, spowodowane powstawaniem wodorowęglanu wapnia. Połowę otrzymanego roztworu
wodorowęglanu wapnia przenieś do nowej probówki i ostrożnie ogrzewaj do wrzenia. Do
pozostałej części dodaj 1-2 krople roztworu wodorotlenku sodu o stężeniu 2M. Zwróć uwagę na
wytrącanie się osadu w obu probówkach. Zapisz zachodzące reakcje.