14skupina_zaci.odt
14. skupina (C, Si, Ge, Sn, Pb) Učební text, Hb 2008
„Co Si Gertrudo Snědla? Olovo.“ •
p2 prvky, el. konfig. valenční vrstvy ns2 np2, 4 valenční elektrony
•
n
oxidační číslo
C
2
nekov
-IV, II, IV
Si
3
polokov IV, II, -IV
Ge
4
polokov IV, II
Sn
5
kov
IV, II
sloučeniny cínaté (redukční činidla) se snadno oxidují na sloučeniny cíničité
Pb
6
kov
II, IV
sloučeniny olovičité (oxidační činidla) se snadno redukují na sloučeniny olovnaté
Uhlík 1. Výskyt, charakteristika • •
v přírodě volný (forma grafitu a diamantu) i vázaný (v CO2, uhličitanech, organických sloučeninách) hlavní stavební jednotka živé hmoty
Alotropické modifikace •
•
•
1/6
Grafit (tuha) • černošedá, neprůsvitná látka s kovovým leskem, el. vodivá • vrstevnatá struktura – každý atom C je pevně vázán s třemi sousedními atomy, ležícími s ním v jedné rovině. Kolmo k vytvořené rovině jsou orientovány pZ orbitaly všech atomů C, ve kt. se nacházejí zbývající val el. Vzniká rozsáhlý delokaliz. pí-systém, v němž se el. mohou volně pohybovat. • jednotlivé vrstvy (sestavené z 6-ti čl. cyklů) jsou vzájemně poutány pouze Van der Waalsovými silami ═> mohou se po sobě posouvat. Tuha se otírá – píše. • výroba – zahříváním koksu a křemene za nepřístupu vzduchu v elektrické peci • použití – výroba elektrod, žárovzdorných materiálů, tužek mazadel a pigmentů Diamant • nejtvrdší přírodní látka (10 st. Mohsovy stupnice tvrdosti), má největší tepelnou vodivost (5krát větší než měď) • struktura – každý atom C je vázán velmi pevnými vazbami se čtyřmi sousedními atomy, kt. jsou umístěny ve vrcholech tetraedru (čtyřstěnu). • použití – výroba řezných a vrtných nástrojů (nepřehřívají se) Fullereny (buckminsterfullereny) • připraveny uměle, • struktura – tvořeny molekulami o různém složení ( C60, C70, C80, C84, ...), které mají tvar mnohostěnů. První identifikovaná molekula C60 tvarem připomíná fotbal. míč
14skupina_zaci.odt
2. Sloučeniny CO • • • • •
bezbarvý plyn, velmi málo R v H2O, bez zápachu toxický – váže se na hemoglobin rychleji a pevněji než O2, blokuje místo pro O2 ═> udušení. První pomoc – přenést postiženého na čerstvý vzduch (případně inhalace O2), někdy je nutná transfuze krve. velmi reaktivní, redukční vlastnosti vznik – spalováním C za nedostatečného přístupu vzduchu C + O2 → CO2 , který je následně redukován nezreagovaným uhlíkem CO2 + C → 2 CO příprava – dehydratací kyseliny mravenčí konc. kyselinou sírovou HCOOH
H2 SO4
CO + H2O
CO2 • • • •
bezbarvý plyn, slabě kyselý zápach, těžší než vzduch (1,5 krát), není toxický, ale nedýchatelný vznik – přímým slučováním C + O2 → CO2 přeprava – zkapalněný v tlakových lahvích s černým pruhem použití - pevný CO2 = suchý led (sublimuje při teplotě -78,5°C), použití jako chladivo - kapalný CO2 – náplň sněhových hasicích přístrojů
H2CO3 • •
vzniká R CO2 v H2O soli uhličitany CO32- (v H2O jsou R jen uhličitany alkalických kovů - kromě lithného; ostatní jsou méně R) a hydrogenuhličitany HCO3- ( jsou R v H2O, méně R je jen sůl Na+ a Ca2+).
Na2CO3, K2CO3, CaCO3 •
soda, potaš, vápenec; viz 1. a 2. skupina
CO(NH2)2 močovina • • •
derivát kyseliny uhličité dobře R v H2O použití – průmyslové dusíkaté hnojivo, výroba močovinoformaldehydových pryskyřic a plastů
COCl2 fosgen •
derivát kyseliny uhličité velmi toxický, v 1. sv. v. zneužit jako bojová chemická látka
•
první příprava CO + Cl2
•
výroba CO + Cl2
•
sluneční záření
aktivní uhlí
COCl2
COCl2
Uhlovodíky • •
sloučeniny C a H, zdroje: ropa, zemní plyn, uhlí bude probráno samostatně
CCl4 • •
jedovatá karcinogenní kapalina, nasládlý zápach použití – rozpouštědlo, hasicí přístroje (dnes už ne)
Freony • • • 2/6
fluorochloroderiváty uhlovodíků nejedovaté, nepůsobí korozivně, ničí ozónovou vrstvu použití – hnací médium do sprayů, náplně chladicích zařízení
14skupina_zaci.odt
Karbidy • • •
binární sloučeniny C s elektropozitivními prvky, např. CaC2 příprava – například reakcí C s kovy nebo jejich oxidy při vysokých T dělení • iontové karbidy • lze je považovat za soli acethylenu, acetylidový anion C22• patří sem acetylidy alkalických kovů M2C2 (Na2C2) a kovů alkalických zemin MC2 (CaC2) • většinou reagují s vodou za vývoje acetylenu CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2. • intersticiální karbidy • např. TaC a WC • karbidy prvků skupiny železa • Cr3C2, Mn3C, Fe3C, Co3C a Ni3C • kovalentní karbidy • Be2C, Al4C3, SiC a B4C
HCN kyanovodík
•
prudce toxická (ochrnutí dýchacího centra NS) bezbarvá kapalina (bod varu 25,6°C) lineární molekuly H-C≡N, bez přítomnosti stabilizátoru polymeruje je R v H2O, jeho vodný roztok se chová jako velmi slabá kyselina
•
výroba CH4 + NH3
•
soli – kyanidy CN- (kyanidy alkalických kovů a kovů alkalických zemin jsou v H2O R, kyanidy těžkých kovů - kromě rtuťnatého - jsou v H2O NR) použití – rozpouštědlo elektrolytů, výroba NaCN, KCN, methylmetakrylátu, acetonitrilu
• •
•
1200° C, Pt
HCN + 3H2
Křemík 1.Výskyt, charakteristika • • • • • • •
druhý npzk (po kyslíku). v přírodě pouze v kyslíkatých sloučeninách. velká afinita ke kyslíku modrošedá, lesklá, velmi tvrdá krystalická látka (str. podobná diamantu). polovodič nejčastěji v ox. čísle IV a -IV srovnání s uhlíkem: • ESi-Si < EC-C , ESi-H < EC-H => na rozdíl od C má Si malou ochotu tvořit řetězce • ESi-O > EC-O => existují velké skupiny křemičitanů (C analog. slouč. netvoří)
2. Výroba • •
redukcí křemene velmi čistým koksem, SiO2 musí být v nadbytku (v el. obloukové peci) SiO2 + 2C → Si + 2 CO křemík používaný v elektrotech. průmyslu se dál čistí zonální tavbou (připraví se Si obs. méně než 10-9 – 10-10 % nečistot)
3. Zonální tavba • • • • • • 3/6
Čištěná látka se umístí do trubice ze žáruvzdorného materiálu a pomalu se posunuje úzkým, vyhřívaným pásmem, ve kterém taje. Po průchodu tavicí zónou čištěná látka opět tuhne. Z taveniny se nejdříve vylučuje čistá složka (Si), která má vyšší bod tání. Nečistoty zůstávají v tavenině a postupují společně s roztavenou zónou. Koncentrace nečistot v tavenině roste. Celý čistící proces se několikrát opakuje => postupně získáme velmi čistou látku. Někdy se užívá i k izolaci látek, které se v taveném materiálu nachází pouze ve stopovém množství.
14skupina_zaci.odt
4. Reakce • • • • • • •
není příliš reaktivní poměrně odolný vůči kyslíku a vodě (pokrývá se vrstvou SiO2) odolává roztokům kyselin reakce s kyslíkem – za vysoké teploty Si + O2 → SiO2 reakce s halogeny – za vysoké teploty Si + 2X2 → SiX4 reakce s uhlíkem - za vysoké teploty Si + C → SiC reakce s vodou – až za červeného žáru Si + 2 H2O → SiO2 + 2H2
5. Použití •
polovodič
6. Sloučeniny SiO2 • • •
•
pevná, težkotavitelná látka (na rozdíl od CO2) v přírodě v různých modifikacích (křemen, tridymit, cristobalit), nejčastěji jako křemen, je obs. v písku odrůdy křemene • křišťál (větší, průzračné krystaly křemene, použití pro výrobu optických přístrojů) • ametyst (fialový), záhněda (hnědá), růženín (růžový), citrín (žlutý)... struktura – každý atom Si je vázán se čtyřmi atomy kyslíku, které jsou kolem umístěny ve vrcholech tetraedru. Vzájemná poloha tetraedrů umožňuje vznik různých modifikací.
Kyseliny křemičité • •
např. H2SiO3, H4SiO4, H2Si2O5, H6Si2O7 stálé pouze ve formě vodných roztoků
Křemičitany •
soli kyseliny křemičité
Silany • • • •
obecný vzorec SinH2n+2 (n = 1,2,...,8) monosilan SiH4 a disilan Si2H6 jsou bezbarvé plyny, vyšší homology jsou těkavé kapaliny velmi reaktivní, na vzduchu samozápalné reagují s vodou za vývoje vodíku Si2H6 + 4H2O → 2SiO2+ 7H2
Halogenidy křemičité SiX4 • • • • •
jsou známé i vyšší homology obecného vzorce SinX2n+2 připravují se reakcí Si s X2 lze je považovat za substituční deriváty silanů (monosilan SiH4 x chlorid křemičitý SiCl4) ochotně reagují s vodou SiX4 + 2 H2O → SiO2 + 4HX (X=F, Cl, Br, I) SiCl4 – meziprodukt potřebný pro výrobu Si o polovodičové čistotě.
SiC karbid křemíku, karborundum • •
•
4/6
velmi tvrdé (tvrdost 9,5) výroba – reakcí křemenného písku s nadbytkem koksu nebo antracitu v elektrické peci SiO2 + 2C → Si + 2CO Si + C → SiC použití – brusný materiál
14skupina_zaci.odt
Vodní sklo • • • •
obchodní název vodný roztok křemičitanů alkalických kovů vyrábí se tavením sklářského písku s Na2CO3 (případně K2CO3), vznikají odpovídající křemičitany, které jsou R v H2O použití – jako tmelicí, konzervační a impregnační prostředek
Germanium 1. Výskyt, charakteristika • • •
v přírodě pouze ve sloučeninách, vzácně šedobílá, lesklá, krystalická látka polovodič
2. Reakce • • •
poměrně málo reaktivní při běžné teplotě na vzduchu neoxiduje, odolný vůči vodě, zředěným kyselinám, vodným roztokům hydroxidů zahřátím na teplotu červeného žáru shoří na GeO2
3. Použití •
v polovodičové technice
4. Sloučeniny GeX4, GeX2 •
GeX4 jsou stálejší než GeX2, (X=F, Cl, Br, I)
GeO, GeO2 •
GeO amfoterní, GeO2 kyselinotvorný
Cín 1. Výskyt, charakteristika • •
přírodě pouze ve sloučeninách (např cínovec – kassiterit SnO2) existuje ve třech modifikacích (α,β,γ) • BÍLÝ CÍN (β) • při pokojové teplotě měkký, stříbrolesklý kov • na vzduchu postupně ztrácí lesk, pokrývá se souvislou vrstvičkou SnO2 (pasivace) • soustava čtverečná • lze ho válcovat – STANIOL (tenká folie), drát • KŘEHKÝ CÍN (γ) • soustava kosočtverečná • vzniká při zahřátí bílého cínu nad 161°C => křehne => prášek • ŠEDÝ CÍN (α ) • soustava krychlová • skladování bílého cínu při teplotě pod 13,2°C => šedý prášek (při skladování cínových předmětů při nízké teplotě => CÍNOVÝ MOR
2. Reakce •
5/6
BÍLÝ CÍN (β) – odolný na vzduchu, vůči vodě, zředěným kys., vod. roztokům hydroxidů
14skupina_zaci.odt
3. Použití • • •
povrchová úprava kovů (pocínování) => zvýšená odolnost vůči korozi „bílý plech“ - potravinářství slitiny – bronzy (Cu + Sn), klempířské pájky (Sn + Pb), ložiskové kovy (Sn, Pb, Cu, Sb), litheřina (Pb, Sn, Sb)
4. Sloučeniny SnO2 • • •
použití při výrobě smaltů kyselinotvorný při vyšší teplotě: Sn + O2 → SnO2
SnO •
amfoterní oxid
SnX4, SnX2 •
(X=F, Cl, Br, I)
Olovo 1. Výskyt, charakteristika • • •
v přírodě pouze ve sloučeninách (galenit PbS) modrošedý, měkký, dobře tvarovatelný kov (malá pevnost výrobků) !! páry olova a jeho rozpustné sloučeniny jsou jedovaté!, olovo je toxický těžký kov
2. Reakce • •
je reaktivnější než Sn, na vzduchu se pasivuje (PbO) R se v kyselinách za vývoje vodíku. Výjimkou je rce s konc. H2SO4 (vzn. SO2) a HNO3 (vzn. NO)
3. Použití • • •
k výrobě drátů, plechů, tyčí, pájky, pigmentů... k ochraně kabelů, ochraně proti rtg záření slitina 91% Pb a 9% Sb se používá při výrobě olověných akumulátorů na výrobu nosných mřížek (nesoucích oxidační činidlo – PbO2 a redukční činidlo – houbovité olovo)
4. Sloučeniny PbO2 • •
kyselinotvorný výroba olověných akumulátorů
PbCrO4 •
chromová žluť, pigment
PbO •
amfoterní oxid
PbX4, PbX2 •
6/6
PbX2 jsou stálejší než PbX4, (X=F, Cl, Br, I)
