Kémiai alapismeretek 11. hét

Széncsoport Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás

Kémiai alapismeretek 11. hét Horváth Attila Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Kémia Intézet, Szervetlen Kémiai Tanszék

2010. november 22-25.

1/17

c 2011/2012 I. félév, Horváth Attila

Felhasználás

SZÉN CSOPORT

Széncsoport Történet

I

Szén: I

I I I

I I I I I

I I I I 2/17

Őskorban is ismert (faszén, korom), de XVIII. századig nem azonosították. Egyiptomiak is használták írásra 1564 Ceruza kereskedelmi mennyiségű gyártása 1752 Black előállítja a CO2 -t (kréta hevítése, karbonát+sav reakció) 1771 Priestly növények anyagcseréje (CO2 -O2 ) 1779 Ingenhousz fotoszintézis alapelveinek tisztázása 1796 Tennant: gyémánt a C egy formája. 1858 Kekülé: benzolgyűrű fogalmának megalkotása 1890 Mond első fém-karbonil vegyületek: Ni(CO)4 és Fe(CO)5 1949 Libby 14 C kormeghatározás 1957 13 C NMR-jelének észlelése 1985 Fullerének felfedezése. 1994 Oláh György Nobel-díja karbokation kémiájáért.


Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

Széncsoport Történet Előfordulás

I

Szilícium: I I I I I

I

Ge, Sn, Pb: I I

I

3/17

Kovakő (SiO2 ) és a szilikátok ősidők óta ismertek. 1823-ben állította elő Berzelius K2 SiF6 -ból. 1858 Wöhler szintetizálja a szilánt. (SiH4 ) 1863 Friedel és Crafts tetraetil-szilán előállítása. 1950-es évek sziloxánok, szilikonpolimerek fejlesztése 1871 Mengyelejev jóslata az eka-szilíciumról. 1886 Winkler Ge felfedezése az argirodit analízise során (Ag8 GeS6 ) Sn, Pb régóta ismertek


Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

1

Szén: I

I

2

Szilícium: I

I

3

I

Viszonylag ritka elemek. Tiszta Ge ásvány nincs, csak nyomelemként fordul elő. Sn: kassziterit (SnO2 ).

Pb: I I I

4/17

Elemi állapotban nem fordul elő. Mindig oxigénhez kapcsolódik a természetben. (szilikátok, kvarc, stb.) Földkéreg 2. leggyakoribb eleme.

Ge, Sn: I

4

Elemi állapotban (grafit, gyémánt) és vegyületekben (alkálikarbonátok, CO2 ). [Szerves anyagok] Földkéreg 17. leggyakoribb eleme.

Leggyakoribb nehézelem. 4 izotópja közül 3 stabil. Természetes radioaktív bomlási sorok végterméke. Ásványok: galenit (PbS), cerusszit (PbCO3 ), anglesit (PbSO4 )


Széncsoport Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

Fizikai tulajdonságok Elektronkonfiguráció: ns2 np2 1 Szén: I I I I

I I

magas op., fp. 3 természetes izotóp 14 C radioaktív: t1/2 =5600 év Allotróp módosulat: Bizonyos elemek több kristályszerkezeti módosulatban is előfordulnak. Szén allotróp módosulatai: gyémánt, grafit, fullerének Gyémánt: I I I

5/17

klasszikus atomrács, tetraéderes, sp3 hibridizáció fényes, átlátszó, igen kemény anyag nem vezető, nincs oldószere, magas op., metastabil



I

Grafit:


I I I

réteges (hatszöges) kristályrács fekete, átlátszatlan, fémes fényű, lágy fémes vezető, oldószere nincs, magas op., stabil

Előfordulás Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

I

Fullerének: I I I I

6/17

C60 : 12 ötszög és 20 hatszög alkotja C70 , C76 , C84 barnásfekete por szerves oldószerekben különböző színnel és mértékben oldódik


2

Szilícium: I I I I

I I

I

I

3

Germánium: I I I I I I

7/17

sötét szürke, fémes csillogású, kemény Viszonylag magas op., fp. 3 stabil izotópja van (28 Si, 29 Si, 30 Si) 2 radioaktív izotóp: 31 Si t1/2 =2,62 h, 32 Si t1/2 =172 év) (mesterségesen állíthatók elő!) gyémántrácsban kristályosodik. nincs allotróp módosulata közönséges körülmények között. Nagy nyomáson (∼10GPa) torzul a gyémántrács, majd hexagonálissá alakul. félfém, félvezető tulajdonságú szürkés fehér, kemény, rideg Közepes op., fp. 5 stabil természetes izotóp szürkésfehér, csillogó, gyémántszerű kristály nincs allotróp módosulata félfém, félvezető




4

Előfordulás

Ón:

Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok

I I I

Alacsony op., fp. lágy, könnyen nyújtható Tíz stabil izotóp

Előállítás Felhasználás

13◦ C

I I

5

Ólom: I I I I

8/17

2 allotróp módosulat (α β) α-ón: szürke por, gyémánt szerkezet; β-ón: fehér, tetragonális szerkezet Alacsony op., fp. könnyen formálható 4 stabil izotóp nincs allotróp módosulat


Széncsoport Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok

Tul. Ei /kJ·mol−1 I. II. III. IV. EN op./◦ C fp./◦ C ρ/gcm−3

C 1086 2352 4619 6221 2,5 4100 3,514

Si 786 1577 3228 4354 1,8 1420 3280 2,336

Ge 761 1537 3301 4409 1,8 945 2850 5,323

Ratom /pm

77,2

117,6

122,3

9/17


Sn 708 1411 2942 3929 1,8 232 2623 5,77(α) 7,27(β) 140,5

Pb 715 1450 3081 4082 1,9 327 1751 11,34 146

Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

Kémiai tulajdonságok Széncsoport

1

Szén:

Történet Előfordulás

I

Oxidációs száma: −4 és +4 között EN=2,5 −→ kovalens kötés vegyületekben. gyémánt inert, grafit reaktívabb H-nel alkotott vegyületei:

I

Halogénekkel alkotott vegyületei:

I I I

I

I I I I

I

I I

I

10/17

szénhidrogének (szerves kémia) Közvetlenül csak fluorral reagál a szénpor CX4 összetétel apoláris vegyületek, alacsony op., fp. CF4 igen stabil, színtelen gáz, 600◦ C-ig ellenáll savaknak, lúgoknak, oxidáló-, redukálószereknek. Politetrafluoro-etén (teflon) CCl4 jellegzetes szagú, színtelen, folyékony vegyület. Ipari, laboratóriumi oldószer. CBr4 : halványsárga, szilárd anyag. Kevésbé stabil. CI4 : élénkvörös, szilárd anyag, jódra emlékeztető szagú. Kevésbé stabil, mint CBr4 . Vegyes halogénszármazékok: CF2 Cl2 (freon). Hajtógáz↔ózon pajzs


Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Előállítás Felhasználás

I

Oxidok: I

I

I

I

I

11/17

2 kimagaslóan stabil oxid (CO, CO2 ) és három kisebb stabilitású (C3 O2 , C5 O2 és C12 O9 ). C3 O2 (O=C=C=C=O): kellemetlen szagú gáz, malonsav savanhidridje. Szobahőmérsékleten sárga anyaggá polimerizálódik. C5 O2 (O=C=C=C=C=C=O): sárga szilárd anyag, -90◦ felett bomlik. C12 O9 : mellitsav anhidridje (C6 (COOH)6 ), fehér könnyen szublimáló por. CO: színtelen, szagtalan, éghető gáz Ipari előállítása: C+O2 =2CO, CH4 +H2 O CO+3H2 hő,H2 SO4 Laboratóriumi előállítás: HCOOH −→ CO+H2 O rendkívül mérgező (stabil komplex a hemoglobinnal) Reakció fémekkel: Fe + 5CO→Fe(CO)5 CO+NaOH=HCOONa jó redukálószer: Fe2 O3 +3CO=2Fe+3CO2 katalitikus reakciók alapja: metanol gyártás, ecetsavgyártás (metanol+CO), stb.



I

I

I

Szulfidok: I

I I

I I

Elemek közvetlen reakciójával állítható elő (2000◦ C felett). Jelentősek: CaC2 , Fe3 C (cementit) acetiléngyártás, műtrágyagyártás

Reakció vízzel (izzó szén): I

12/17

CS2 : legjelentősebb, színtelen gyúlékony folyadék. Jó oldószere a kénnek. Felhasználás: műselyem, celofángyártás

Reakció fémekkel: I

I

CO2 : színtelen, szagtalan, nem éghető, levegőnél nehezebb gáz. Nem mérgező. Vízben fizikailag is oldódik (CO2 ·nH2 O) Kémiai oldódás: CO2 +H2 O=H2 CO3 Előállítás: CaCO3 hevítése vagy CaCO3 sósavas kezelése. Természetben: fotoszintézis, üvegházhatás, bor Szénsav (H2 CO3 ): gyenge sav (pK1 =6,35, pK2 =10,32) pH szabályozás:H2 CO3 = H+ + HCO− 3 és + 2− HCO− = H + CO 3 3

vízgáz reakció: C+H2 O=CO+H2



2

Szilícium: I I I I I

EN=1,8−→ kovalens kötést alkot magas hőmérsékleten reakcióképes savoldatoknak ellenáll (kivéve: cc.HNO3 +HF) forró lúgoldatokban oldódik: Si+4OH− =SiO4− 4 +2H2 H-nel alkotott vegyületek: I

I I

I I I

Halogénekkel alkotott vegyületek (SiX4 ): I I I I

13/17

Szilánok (Sin H2n+2 ), homológ sor első két tagja gáz, a többi folyadék. Hexaszilán felett nagyon instabilak. Sokkal reakcióképesebbek mint a CH-ek. (Ekötés (Si-Si)Ekötés (C-C) öngyulladás: SiH4 +2O2 =SiO2 +H2 O hidrolízis: SiH4 +2H2 O=SiO2 +4H2 Közönséges T-n: Si+2F2 =SiF4 Magasabb T-n többi halogénnel is: Si+2X2 =SiX4 SiX4 könnyen hidrolizálnak: SiCl4 +2H2 O=SiO2 +4HCl üvegmaratás: SiO2 +6HF=H2 [SiF6 ]+2H2 O



I

Oxidok: I

I

Kvarc: T=600◦ C-on Si+O2 =SiO2 (több mint 22 módosulat!) szilikátok: Földkéreg 95%-a szilikátásvány és SiO2


14/17


3

Germánium: I I I I

4

Ón: I I I I I

5

Oxidációs száma: +2 és +4 Jóval reaktívabb, mint a Ge, tömény savakban oldódik. Híg HNO3 -ban Sn(NO3 )2 és NH4 NO3 képződik. Lúgokkal reagál: Sn+2KOH+4H2 O=K2 [Sn(OH)6 ]+2H2 Halogénekkel könnyen reagál SnX4 keletkezik.

Ólom: I I I

15/17

Oxidációs száma: +2 és +4 közönséges hőmérsékleten indifferens oxidáló savakban oldódik (HNO3 ) HCl-ben, lúgokban nem

Csökkent reakciókészség a felületi oxidréteg miatt. Reakcióik az Sn-hez hasonlóak (halogénekkel, savakkal) Szerves savak azonban oldják az Pb-t.



Előállítás

Széncsoport Történet Előfordulás Fizikai tulajdonságok

I

Si, Ge: I I

I

Sn: I

I

SnO2 + 2C = Sn + 2CO

Pb: I

16/17

SiO2 + 2C = Si + 2CO GeCl4 + 2H2 = Ge + 4HCl

PbS pörkölés: PbS + 3/2O2 = PbO + SO2 PbS + 2O2 = PbSO4 Redukció: PbO + PbS = 3Pb + SO2 PbS + PbSO4 = 2Pb + 2SO2 vagy PbO + C = Pb + CO



Felhasználás


I

Szén:

Előfordulás Fizikai tulajdonságok

I I I

I

Szilícium, Germánium: I I

I

I I

ötvözőanyag (bronz) forrasztástechnika csomagolás (sztaniolpapír)

Ólom: I I I

17/17

félvezetők ötvözőanyag

Ón: I

I

kormeghatározás NMR-spektroszkópia gyógyszeripar

akkumulátorok festékipar (Pb3 O4 ) benzinadalék volt



Kémiai alapismeretek 11. hét

Recommend Documents