tetrely – prvky iv.a skupiny

Tetrely – prvky IV.A skupiny

• charakteristika:

• p – prvky, valenční elektrony mají v orbitalech s a p• uhlík je nekov, křemík a germanium jsou polokovy, cín a

olovo jsou kovy• ve valenčních orbitalech mají 4 elektrony – jejich atomy

jsou tedy čtyřvazné• elektronegativita atomů klesá ve skupině s rostoucím

protonovým číslem atomů

uhlík (6C)

• historie:

• znám jako látka již v pravěku (dřevěné uhlí, saze), ale zjištění, že jde o prvek, bylo potvrzeno až v 18. století

• lat. název carboneum navrhl A. L. Lavoisier z latinského carbo – dřevěné uhlí

• název grafit navrhl A. G. Werner a D. L. G. Harsten z řeckého graphein – psáti

• název diamant vznikl spojením řeckého diaphanes – průhledný a adamas – nezdolný, s odvoláním na jeho extrémní tvrdost

• výskyt:

• volný prvek - grafit, diamant• v minerálech a horninách – vápenec – hornina

obsahující kalcit, dolomit – hornina obsahující minerál dolomit, mramor – hornina s vyšším obsahem kalcitu

• složka atmosféry – CO2 • uhlí – hornina obsahující různé procento uhlíku• ropa – směs kapalných uhlovodíků

kalcit

aragonit

dolomitové skály

vápenec

těžba mramoru

• fyzikální vlastnosti:

• grafit – těžba (Texas, Mexiko,Rusko) přírodního grafitu

nestačí, proto se vyrábí synteticky zahříváním koksu s křemenem na teplotu asi 2500 °C po dobu 25 až 35 hodin:SiO2 + 3C → SiC + 2COSiC → Si(g) + C(grafit)

– základem krystalu grafitu je šesterečná krystalová mřížka ( zobrazuje

prostorové uspořádání atomů uhlíku v krystalu ) – každý atom uhlíku využívá 3 ze 4 svých valenčních elektronů k vytvoření vazby s okolními atomy uhlíku, díky jednomu volnému val. elektronu od každého atomu uhlíku je grafit el. vodivý

vlevo šesterečná krystalová mřížka grafitu, vpravo grafit

• černošedý, snadno se štípe, měkký, mastný, vede elektrický proud, t.t = 3000C

• využití:

– redukční činidlo – elektrody – výroba hliníku, v obloukových pecích –

výroba oceli– tužky – jaderné reaktory – moderátor neutronů –grafitové tyče– tavící kelímky v metalurgických provozech

• diamant

• výskyt:• nachází se ve vulkanických jámách uložených v relativně měkkých, tmavě zbarvených horninách

nazývaných kimberlit podle města Kimberly v Jižní Africe (objeveny v roce 1870), podíl diamantů v kimberlitové jámě 1:15 000 000

• největším výrobcem diamantů jako drahokamů je Jižní Afrika (nejvíce vyrábí Zaire) • největší nalezený diamant (25.1.1905) byl Cullinan (3106 karátů = 621,2 gramu), měl

přibližně rozměry 10 cm x 6,5 cm x 5 cm, jiné proslulé kameny vážily 100 – 800 karátů, exempláře vážící více než 50 karátů, jsou vzácné (1 karát = 0,2 g)

• výroba:

• lze připravit z grafitu působením vysokého tlaku (10 GPa) a vysoké teploty (1200 – 2800 K ), při této přípravě je nutná přítomnost roztavených katalyzátorů (Cr, Fe nebo Ni) - největší syntetické diamanty váží asi 1 karát

těžba diamantů – Mirna, Rusko

průměr dolu 1,25 km, hloubka 525 m

letecký pohled na lokalitu

pohled na lokalitu z družice

- základem krystalu je kubická krystalová mřížka, každý atom uhlíku zapojuje do vazby s okolními atomy 4 valenční elektrony, díky tomu je diamant izolant

– dá se štípat v různých směrech, může se řezat a brousit do ploch drahokamů

– nejtvrdší a nejodolnější materiál – má největší tepelnou vodivost ze všech známých látek (5×větší než

měď), proto se diamantové řezací nářadí nepřehřívá – je průhledný, má vysoký index lomu

• využití:

– přírodní - šperky (nejdražší drahokam) – syntetické - řezání, vrtání a leštění

vlevo kubická krystalová mřížka diamantu, vpravo diamant

• koks – získá se karbonizací uhlí – zahříváním černého uhlí

za vysoké teploty bez přístupu vzduchu – využití – palivo ve vysokých pecích

• saze – vyrábějí se neúplným spalováním kapalných

uhlovodíků nebo přírodního plynu – využití:

• gumárenství, kde slouží ke zpevňování a zesílení pryže (1 automobilová pneumatika = 3 kg sazí)

• pigment do inkoustů, barev, papíru a plastů

• aktivní uhlí

– různé druhy se od sebe liší velikostí povrchu, který je od 300 až do 2000 m2/g – vyrábí se chemicky – uhlíkatý materiál (piliny, rašelina atd.) se smíchá s látkami, které při

zahřívání na 500 – 900 °C organický substrát oxidují a dehydratují (jsou to např. hydroxidy, uhličitany, sírany alkalických kovů)

– využití: • v cukrovarnickém průmyslu jako odbarvovací látka – adsorbuje nečistoty• k čištění ovzduší – adsorbuje nežádoucí plyny• úprava vod – adsorbuje nežádoucí látky v odpadních vodách

• živočišné uhlí

– vzniká rozkladnou destilací různých živočišných odpadů a podle použitého materiálu má i název, např. krevní uhlí, kostní uhlí

– váže na sebe vodu

• sloučeniny:

• chlorid uhličitý

– bezbarvá kapalina příjemného zápachu – využití – rozpouštědlo

• sirouhlík

– bezbarvá, těkavá, hořlavá kapalina – jedovatá, může způsobit těžké poruchy nervového

systému

– využití - výroba viskózového hedvábí,celofánu

• kyselina kyanovodíková

– připravuje se rozkladem kyanidu kyselinou sírovou:2KCN + H2SO4 → K2SO4 + 2HCN

– bezbarvá těkavá kapalina, t.v = 26 C – prudce jedovatá, páchne po hořkých mandlích – užívá se k hubení hmyzu a krys

• soli – kyanidy

• alkalické kyanidy, kyanidy kovů alkalických zemin jsou ve vodě rozpustné, cyankáli – kyanid draselný

• acetylid vápenatý

– vyrábí se endotermickou reakcí vápna s koksem:CaO + 3C → CaC2 + CO ( t = 2200 – 2250°C)

– bezbarvá pevná látka

• využití - výroba acetylenu

• oxid uhelnatý

– vzniká nedokonalou oxidací uhlíku:2C + O2 → 2CO

– součástí generátorového plynu (25 % CO, 4% CO2, 70% N2, stopy H2, CH4, O2), vodního plynu (50% H2, 40% CO, 5% CO2, 5% N2 a CH4), plyny se používají jako palivo

– vodní plyn vzniká reakcí vodní páry s rozžhaveným koksem– generátorový plyn vzniká reakcí rozžhaveného koksu se

vzduchem

– laboratorně se připravuje z kyseliny mravenčí s koncentrovanou kyselinou sírovou při teplotě 140°C:HCOOH → CO + H2O

– bezbarvý plyn, bez zápachu, lehčí než vzduch – hořlavý, hoří na oxid uhličitý – jedovatý, protože vytváří komplex s hemoglobinem,

který je 300x pevnější, než komplex hemoglobinu s kyslíkem, tím brání přenosu kyslíku červenými krvinkami

• oxid uhličitý

– laboratorně vzniká působením kyselin na uhličitany:CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

– průmyslově se získává jako vedlejší produkt při

výrobě vodíku:

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

• je nedýchatelný, nehořlavý a velmi stálý, bezbarvý, těžší než vzduch

• využití:

– vytváření inertní atmosféry – sycení nápojů – dá se zkapalnit – nafukování záchranných člunů, do hasících přístrojů– pevný CO2 - užívá se jako chladící médium (výroba

zmrzliny, uchovávání masa)

• kyselina uhličitá

– vzniká reakcí vody s oxidem uhličitým:

CO2 + H2O → H2CO3 – čistá kyselina není známa – vodný roztok se chová jako slabá dvojsytná kyselina

• soli – uhličitany, hydrogenuhličitany

– uhličitany alkalických kovů jsou rozpustné až na Li2CO3, také hydrogenuhličitany většiny kovů jsou rozpustné, pokud existují

– ostatní uhličitany jsou ve vodě nerozpustné

křemík (14 Si)

• výskyt:

• druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře • nachází se ve sloučeninách s kyslíkem viz minerály,

horniny

křemík

• průmyslová výroba:

• velmi čistý se vyrábí redukcí křemene nebo písku čistým koksem v elektrické obloukové peci:SiO2 + 2C → Si + 2CO

• v el .obloukové peci hoří el. oblouk mezi elektrodami, který způsobuje tavení vsázky

• reakce se často provádí v přítomnosti železa (šrotu), získá se slitina

ferrosilicia


• modrošedý polokov, velmi tvrdý

• chemické vlastnosti:

• odolává vodným roztokům kyselin • lučavkou královskou je oxidován na kyselinu křemičitou

• využití:

• solární články

solární článek – zvětšeno, solární panely – vpravo

• sloučeniny:

• silany (hydridy křemíku)

– bezbarvé plyny nebo těkavé kapaliny – obecný vzorec SinH2n+2 (až do n=8) – extrémně reaktivní – na vzduchu se samovolně zapalují nebo explodují

• karbid křemíku - karborundum • vyrábí se redukcí SiO2 přebytkem koksu v elektrické

obloukové peci při 2000 až 2500°C:

SiO2 + 2C → Si + 2COSi + C → SiC

• tepelně stálý, tvrdý • využití – brusný materiál

brusný kotouč z karborundu

• oxidy • oxid křemičitý

– po vodě nejstudovanější chemická sloučenina – tvoří minerál křemen, křemen je obsažen v žule, pískovci

• odrůdy křemene:• křištál, růženín, ametyst (fialový), citrín (žlutý) • v nedokonalých krystalických formách: chalcedony (různé barvy), chrysopras

(zelený), karneol (červený), achát (pruhovaný), jaspis (různé barvy), heliotrop ( zelený s červenými skvrnami), pazourek (často černý – inkluze uhlíku),

• hydratovaný křemen tvoří opály

– chemicky odolný vůči všem kyselinám s vyjímkou HF

– rozpouští se v roztavených hydroxidechSiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

křišťál

růženín

ametyst

citrín

• formy SiO2 používané v průmyslu

• křemenné sklo • vysoká tepelná odolnost, propustnost pro ultrafialové záření,

chemická netečnost • užití – výroba laboratorního skla

• silikagel • amorfní forma SiO2 • sušidlo • potravinářský průmysl ( prostředek proti spékání kakaa,

prášků ovocných šťáv, koření atd.)

silikagel používaný jako vysoušecí látka

• kyselina křemičitá

– připravuje se srážením vodného roztoku křemičitanu sodného kyselinou chlorovodíkovou:Na2SiO3(aq) + 2HCl(aq) → 2NaCl(aq) + SiO2·nH2O

• vzniká jako gel, který je směsí křemičitých kyselin – dekahydrodikřemičitá (H10Si2O9), tetrahydrokřemičitá (H4SiO4), hexahydrodikřemičitá (H6Si2O7), křemičitá (H2SiO3)

• křemičitany

– alkalické křemičitany se připravují tavením oxidu křemičitého se sodou nebo potaší (K2CO3):Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2

– alkalické křemičitany jsou ve vodě rozpustné,ostatní nerozpustné

– vodný roztok alkalických křemičitanů – vodní sklo ( používá se k impregnaci, k lepení, přísada do tmelů, konzervování vajec)

– ortokřemičitany – (M2SiO4) (M = Be, Mg, Mn, Fe, Zn) - složka portlandského cementu

– křemičitany s řetězovými nebo pásovitými strukturami– azbestové materiály

– křemičitany s vrstevnatými strukturami • kaolinit • slídy • mastek • užití – keramika, insekticidy, výroba papíru, kosmetika a

toaletní přípravky

– křemičitany s trojrozměrnými strukturami – živce – zeolity – iontoměniče

kaolinit

slída

mastek

živec

zeolit

• Obecný název zeolit se používá pro přírodní tetragonální hlinitokřemičitan sodný s čistotou alespoň 80%.

• Nečistoty v něm obsažené pak tvoří uhličitan vápenatý a oxidy železa. • Jedinečnost spočívá v tom, že prostorové uspořádání atomů vytváří kanálky

a dutiny konstantních rozměrů. • V těchto kanálcích se mohou zachytávat látky tuhého, kapalného a

plynného skupenství. • Některé kationty nejsou ve struktuře zeolitu pevně vázány a mohou být za

určitých podmínek vyměňovány za jiné. • Zeolit je proto hojně využíván v iontově -výměnných procesech.

cín (50Sn)

• historie:

• cín patří k nejstarším známým kovům, v podobě bronzu byl používán již v prvních dobách lidské kultury (doba bronzová – 3500-3200 let př. n. l.)

• výskyt:

• cínovec (kassiterit) - SnO2 • průmyslová výroba:

• získává se redukcí cínovce uhlím (t = 1000 - 1200 °C):SnO2 + 2C → Sn +2CO

cínovec


• stříbrobílý lesklý kov • nepříliš tvrdý, tažný - staniol • vyskytuje se ve třech modifikacích

– cín čtverečný– cín kosočtverečný – cín krychlový – šedý, práškový

• vzniká dlouhodobým působením teploty pod 13 °C z cínu čtverečného

• na cínových předmětech v muzeích nebo na varhanách způsobuje značné škody (předměty se postupně rozpadají na prach) – tento jev se nazývá cínový mor

cínový mor


• při zahřívání na vzduchu nebo v kyslíku vzniká oxid cíničitý • se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou a sírovou nereaguje • reaguje s horkou koncentrovanou HCl, vzniká chlorid cínatý:

2HCl + Sn → SnCl2 + H2 • s horkou koncentrovanou H2SO4 vzniká síran cínatý:

2H2SO4 + Sn → SnSO4 + SO2 + 2H2O • reaguje se zředěnou kyselinou dusičnou:

10HNO3 + 4Sn → 4Sn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

• snadno tvoří slitiny • kovový cín není jedovatý, protože je prakticky

nerozpustný

• využití:

• bílý plech – železný plech se omyje zředěnou kyselinou sírovou a pak se ponoří do

roztaveného cínu – bílý plech na konzervové krabice - k pocínování se smí používat cín, prostý olova – často se vnitřek konzervových nádob, určených pro ovoce, pokrývá pro lepší

ochranu tenkou vrstvou laku, který barví stříbrobílý plech zlatožlutě• slitiny

– pájka - Sn/Pb – bronz - Cu/Sn – Sn/Sb/Cu (dekorativní a užitková slitina – kávové a čajové servisy, svícny atd.) – slitina 90 až 95 % Sn s Pb s dalšími prvky je pro zvukové vlastnosti velmi ceněna

při výrobě varhanních píšťal (např. varhany v londýnské koncertní síni Royal Albert Hall mají 10 000 píšťal a obsahují 150 t Sn)

• staniol

• sloučeniny:

• sulfid cíničitý - cínový bronz • pevná látka světle zlaté barvy • využití – nátěry ( zlacení rámů, dřevěných ozdob )

olovo (82 Pb)

• historie:

• patří k nejdéle známým kovům, prokazatelně ho znali již staří Egypťané

• výskyt:

• nejrozšířenější těžký kov • toto rozšíření souvisí s faktem, že tři ze čtyř přirozených izotopů olova (206Pb, 207Pb

a 208Pb) vznikají jako stabilní produkty přirozených rozpadových řad

• galenit - PbS

galenit

• průmyslová výroba:

• olovo se obvykle získává z PbS• praží se za omezeného přístupu vzduchu na PbO a ten

se po přidání koksu a tavidla např. vápence, redukuje v šachtové peci:

PbS + 3/2O2 → PbO + SO2PbO + C → Pb + COPbO + CO → Pb + CO2

• ve všech případech olovo obsahuje nežádoucí nečistoty především

Cu, Ag, Zn, Sn, As, a Sb, z nichž mnohé jsou velmi cenné


• kujný, modrošedý • těžký jedovatý kov, nejměkčí z těžkých kovů • pro jeho malou tvrdost a velkou tažnost lze olovo snadno válcovat

na plech • tepelná a elektrická vodivost je poměrně malá


• tvoří slitiny, se rtutí tvoří amalgám, který je při menším obsahu olova kapalný • s kyselinou HCl reaguje pomalu, vzniká málo rozpustný chlorid olovnatý (PbCl2) • s H2SO4 za chladu téměř nereaguje • s kyselinou dusičnou reaguje prudce za uvolnění oxidů dusíku a tvorby rozpustného dusičnanu

olovnatého (Pb(NO3)2)

• využití:

• potrubí, obaly kabelů • kyselinovzdorné povlaky nádrží a nádob • ochrana proti rentgenovým paprskům a záření gama • slitiny• výroba akumulátorů • výroba munice - jádra střel, broků, kde se slévá s malým

množstvím arsenu (asi 0,3 %) • závaží

nábojnice

sloučeniny:

• jodid olovnatý´- vylučuje se z horkých roztoků ve formě zlatolesklých šupinek tzv. „zlatý déšť“

• suřík - Pb3O4 = 2PbO·PbO2

• dusičnan olovnatý - dobře rozpustný ve vodě, prudký jed

• chroman olovnatý - chromová žluť, ve vodě velmi málo rozpustný, nátěrová hmota na značení silnic

tetrely – prvky iv.a skupiny

Documents