14. skupina

1. 14. skupina

2. Základní přehled

3. Základní přehled • obecná elektronová konfigurace ns2 np2

4. Základní přehled • se vzrůstajícím protonovým číslem • stoupá kovovost prvků (C→Pb) • klesá stabilita vyšších oxidačních čísel C, Si, Ge, Sn (IV → II) Pb • stoupá stabilita nižších oxidačních čísel • stabilní oxidační číslo –IV má pouze C • ostatní prvky ve skupině mají již nízkou elektronegativitu

5. Uhlík • Výskyt • vyskytuje se ve třech izotopech – 12C, 13C, 14C • 12C – nejstálejší, 99% • 13C– stabilní izotop, asi 1% • 14C – radioaktivní izotop, poločas rozpadu 5000 let • vzniká působením kosmického záření v atmosféře • jeho zastoupení v přírodě je malé, ale stálé

6. Uhlík • na Zemi se vyskytuje: • elementární – poměrně malé množství (uhlí,...) • CO2 – v atmosféře asi 0,033% • CO32- – uhličitany Ca (vápenec), Mg (magnesit) • organické látky • základem je „uhlíková kostra“ • methan 75%, propan 81,8% • základní stavební látky živé hmoty

7. Uhlík • elementární tvoří modifikace • diamant • nejtvrdší přírodní materiál • za běžné teploty není reaktivní • nejvyšší známá tepelná vodivost • elektricky nevodivý • grafit (tuha) • měkká černá látka • vytváří vrstevnaté struktury • elektricky vodivá – „vede mezi vrstvami“ • poměrně reaktivní

8. Uhlík • aktivní uhlí • amorfní struktura - nemá pravidelnou krystalovou strukturu • má obrovský povrch • velké množství dutin • umožňuje adsorbovat různé molekuly • vyrábí se dehydratací a uhelnatěním organických látek • zbyde pouze uhlíková kostra • fullereny • saze připravené za speciálních podmínek • C60, C70,...

9. Uhlík • Vlastnosti • uhlík má výraznou schopnost vytvářet vazby C-C => obrovské množství organických látek • za vyšších teplot má výrazné redukční účinky • oxiduje se na CO (případně CO2) • redukuje řadu kovů z jejich oxidů na elementární kov Fe2O3 + 3 C → 2 Fe + 3 CO

10. Uhlík • Využití • diamant • šperky, brusné a řezné nástroje • tuha • žáruvzdorný materiál, tužky, jaderné reaktory (moderátor) • aktivní uhlí • čištění ovzduší, chemikálií, vody, katalyzátor • uhlíkové vlákno • vysoce pevné a odolné materiály, elektrotechnika

11. Sloučeniny uhlíku • hydridy a halogenidy řadíme do organické chemie • uhlovodíky a jejich deriváty • CCl4 = chlorid uhličitý = tetrachlormethan • karbidy • binární sloučeniny s prvky podobné nebo nižší elektronegativity

12. Sloučeniny uhlíku • iontové karbidy jsou zpravidla acetylidy (C≡C)2- • obsahují anion odvozený od acetylenu • nejznámější je krabid vápenatý CaC2 • používal se v důlních lampách karbidkách CaC2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + HC≡CH • kovalentní karbidy jsou látky velmi tvrdé a nereaktivní • SiC (karbid křemíku), B4C (karbid boru)

13. Sloučeniny uhlíku • oxidy • oxid uhelnatý CO • bezbarvý plyn bez zápachu, velmi toxický • vzniká spalováním uhlíku za nepřístupu vzduchu nebo redukcí oxidu uhličitého uhlíkem 2 C + O2 → 2 CO CO2 + C → 2 CO • připravuje se z kyseliny mravenčí působením H2SO4 HCOOH → CO + H2O • s hydroxidem sodným reaguje za vzniku mravenčanu NaOH + CO → HCOONa H2SO4

14. Sloučeniny uhlíku • je považován za anhydrid kyseliny mravenčí, i když s vodou nereaguje • lze jej spalovat na oxid uhličitý • vyskytoval se ve svítiplynu – směs H2, CO, CO2,... • za vysokých teplot je dobrým redukčním činidlem CO + FeO → Fe + CO2 • oxid uhličitý CO2 • bezbarvý plyn bez zápachu • pevný oxid uhličitý („suchý led“) sublimuje (-78°C) • je spolu s vodou hlavním produktem spalování organického materiálu

15. Sloučeniny uhlíku CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O • vyrábí se jako vedlejší produkt pálení vápence CaCO3 → CaO + CO2 • připravuje se reakcí uhličitanů se silnými kyselinami Na2CO3 + 2 HCl → 2 NaCl + H2O + CO2 • je rozpustný ve vodě, malá část (0,2%) rozpuštěného oxidu reaguje s vodou za vzniku kyseliny uhličité CO2 + H2O → H2CO3

16. Sloučeniny uhlíku • využití • sycení nápojů • inertní atmosféra • výroba močoviny, uhličitanů • chladivo – suchý led i kapalný • kyselina uhličitá • slabá nestálá kyselina • rozkládá se na CO2 a vodu • podstatně stálejší jsou její soli

17. Sloučeniny uhlíku • Na2CO3 – (prací) soda • úprava přechodné tvrdosti vody • NaHCO3 – jedlá (zažívací) soda, soda bicarbona • K2CO3 – potaš • jedlá a prací soda se vyrábí Solvayovou metodou NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl 2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O • deriváty kyseliny uhličité • fosgen COCl2 • močovina CO(NH2)2

18. Sloučeniny uhlíku • Sirouhlík CS2 • disulfid uhlíku • bezbarvá nízkovroucí kapalina • silně toxický a hořlavý • nerozpustný ve vodě, je dobrým nepolárním rozpouštědlem (síra, fosfor, tuky,...)

19. Sloučeniny uhlíku • sloučeniny s dusíkem • kyanovodík HCN • bezbarvá nízkovroucí kapalina (25°C) • silně toxický, voní po hořkých mandlích • v roztoku se chová jako slabá kyselina → kyanidy • připravuje se reakcí kyanidu se silnou kyselinou NaCN + HCl → NaCl + HCN • kyadid draselný KCN = cyankáli • použití – výroba jedů, těžba zlata, výroba plastů

20. Sloučeniny uhlíku • kyanatany • obsahují skupinu OCN- • odvozeny od kyseliny kyanatanové HOCN • thiokyanatany = rhodanidy • obsahují skupinu SCN- • odvozeny od kyseliny thiokyanatanové

21. Křemík • druhý nejvíce zastoupený prvek v Zemské kůře • vyskytuje se pouze vázaný ve sloučeninách • SiO2 – křemen • křemičitany a hlinitokřemičitany • je velmi tvrdý, má strukturu diamantu • modrošedá barva, kovový lesk

22. Křemík • vazba Si-Si není příliš pevná • netvoří na rozdíl od uhlíku řetězce tvořené křemíkem • velká afinita ke kyslíku • vazba Si-O je velmi pevná = příčina velké stálosti a nereaktivity křemene a křemičitanů

23. Křemík • výroba • redukce křemene uhlíkem SiO2 + 2 C → Si + 2 CO • čištění převodem na chlorid a poté redukce hořčíkem nebo vodíkem • chemicky stálý - díky vrstvě SiO2 na povrchu • reaguje s hydroxidy za vzniku křemičitanů • z kyselin reaguje pouze s fluorovodíkovou • za vysokých teplot má redukční účinky

24. Křemík • Využití křemíku • slitiny • polovodičové součástky • solární články, tranzistory • výroba SiC = karborund • vysoká tvrdost (9,5) • brusné materiály • polovodičové součástky

25. Sloučeniny křemíku • hydridy = silany • jsou analogické uhlovodíkům • obecný vzorec SinH2n + 2 • narozdíl od uhlovodíků jsou velmi nestálé • díky malé pevnosti vazby Si-Si • jsou samozápalné, rozkládají se vodou Si3H8 + 6 H2O → 3 SiO2 + 10 H2 • silicidy • dvouprvkové sloučeniny křemíku, málo stálé • s kovy tvoří křemík spíše slitiny

26. Sloučeniny křemíku • Halogenidy • snadno se hydrolyzují vodou za vzniku oxidu křemičitého SiCl4 + 2 H2O → SiO2 + 4 HCl • chlorid křemičitý se používá při výrobě velmi čistého křemíku

27. Sloučeniny křemíku • silikony (siloxany) • halogeny v halogenidech křemíku lze substituovat organickými zbytky • RSiX3, R2SiX2, R3SiX • tyto sloučeniny se hydrolyzují a spojují do větších celků R3SiCl + H2O → R3Si-OH + HCl 2 R3Si-OH → R3Si-O-SiR3 + H2O • R2SiX2 tvoří řetězce, RSiX3 rozvětvení sítě, R3SiX ukončuje řeetězení

28. Sloučeniny křemíku • jsou mimořádně stabilní díky vysoké pevnosti vazby Si – O • nejčastějšm uhlíkatým zbytkem je methyl –CH3 • podle délky řetězců a rozvětvenosti vznikají • kapaliny (silikonové oleje) • polotuhé látky (silikonové tuky) • pružné pevné látky (silikonové pryže)

29. Sloučeniny křemíku • oxidy • SiO2 • v přírodě se vyskytuje v mnoha odrůdách • křemen, křišťál, citrín, růženín, záhněda, ametyst, pazourek, achát,... • ochlazením taveniny vzniká křemenné sklo • chemicky velmi odolný – odolný vůči působení kyselin kromě HF • rozpouští se v roztavených alkalických hydroxidech a uhličitanech za tvorby křemičitanů SiO2 + 2 KOH → K2SiO3 + H2O

30. Sloučeniny křemíku • zvláštní uměle připravená amorfní modifikace SiO2 je silikagel • obsahuje velké množství dutin – má velký povrch • je schopen na sebe vázat vodu a další látky • připravuje se hydrolýzou alkalických křemičitanů • využití SiO2 • křemen – piezoelektrické součástky • křemenné sklo – vysoká tepelná odolnost, propouští UV • silikagel – sušidlo, sorbent, protispékavá látka (potraviny)

31. Sloučeniny křemíku • Kyselina křemičitá H4SiO4 • velmi nestálá slabá kyselina • vzniká například hydrolýzou chloridu křemičitého • prakticky okamžitě kondenzuje na kyselinu dikřemičitou a dále až na silikagel

32. Germanium, cín, olovo • výskyt, výroba • Ge • poměrně hojně zastoupeno ve stopových množstvích • Sn • v cínovci (kassiteritu) SnO2 • získává se redukcí uhlíkem • Pb • v galenitu PbS • vyrábí se pražením (→ PbO) a následnou redukcí uhlíkem

33. Germanium, cín, olovo • vlastnosti • Ge • šedobílé křehké krystaly se strukturou diamantu • Sn • „šedý“ cín – nekovová forma, struktura diamantu • kovový cín – kujný šedý kov • při dlouhodobém působení nízkých teplot přechází na šedý cín – cínový mor • Pb • šedý kujný kov

34. Germanium, cín, olovo • chemické vlastnosti • klesá stálost ox. čísla IV a vzrůstá stálost ox. čísla II • Ge (IV), Sn (IV, II), Pb (IV, II) • sloučeniny cínaté mají silné redukční účinky, SnII → SnIV • sloučeniny olovičité mají silné oxidační vlastnosti, PbIV → PbII • s neoxidujícími kyselinami Ge nereaguje, Pb a Sn za vzniku vodíku Sn (Pb) + 2 HCl → SnCl2 (PbCl2) + H2 • s oxidujícími kyselinami (HNO3,...) reagují za vzniku GeO2, SnO2 a Pb(NO3)2

35. Germanium, cín, olovo • využití • Ge • výroba polovodičových součástek • Sn • v metalurgii pro výrobu slitin- bronz, zvonovina,pájka... • staniol (tenká cínová folie) • Pb • výroba akumulátorů (autobaterie), slitiny (pájka) • výroba nábojů • stínění před radiací

36. Germanium, cín, olovo • Sloučeniny • hydridy • velmi nestálé, samozápalné • olovo již hydrid nevytváří díky kovovému charakteru • halogenidy • halogenidy cínaté jsou významná redukční činidla __ SnCl2 + __ FeCl3 → __ SnCl4 + __ FeCl2

37. Germanium, cín, olovo • oxidy • GeO2 • velmi se podobá SiO2, také tvoří germaničitany obdobné křemičitanům • SnO2 • amfoterní charakter • PbO • amfoterní charakter • PbO2 • výrazné oxidační účinky (např. MnII → MnO4-) • používán v autobateriích PbO2 + Pb + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O vybíjení → ← nabíjení