Tetrely prvky IV A skupiny charakteristika p prvky

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 (6 C) • 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 – CO 2 • 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: Si. O 2 + 3 C → Si. C + 2 CO Si. C → 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 = 3000 C • 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 • 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 m 2/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 – – bezbarvá těkavá kapalina, t. v = 26 C prudce jedovatá, páchne po hořkých mandlích užívá se k hubení hmyzu a krys připravuje se rozkladem kyanidu kyselinou sírovou: 2 KCN + H 2 SO 4 → K 2 SO 4 + 2 HCN • soli – kyanidy • alkalické kyanidy, ve vodě rozpustné, kryst. látky, prudce jedovaté, cyankáli – kyanid draselný

• acetylid vápenatý – bezbarvá pevná látka – vyrábí se endotermickou reakcí vápna s koksem: Ca. O + 3 C → Ca. C 2 + CO ( t = 2200 – 2250°C) • využití - výroba acetylenu, lampy

• oxid uhelnatý – bezbarvý plyn, bez zápachu, lehčí než vzduch – hořlavý, hoří na oxid uhličitý – vzniká nedokonalou oxidací uhlíku: 2 C + O 2 → 2 CO – laboratorně se připravuje z kyseliny mravenčí s koncentrovanou kyselinou sírovou při teplotě 140°C: HCOOH → CO + H 2 O

– jedovatý, protože vytváří komplex s hemoglobinem, který je 300 x pevnější, než komplex hemoglobinu s kyslíkem, tím brání přenosu kyslíku červenými krvinkami – součástí generátorového plynu (25 % CO, 4% CO 2, 70% N 2, stopy H 2, CH 4, O 2), vodního plynu (50% H 2, 40% CO, 5% CO 2, 5% N 2 a CH 4), plyny se používají jako palivo – vodní plyn vzniká reakcí vodní páry s rozžhaveným koksem – generátorový plyn vzniká reakcí rozžhaveného koksu se vzduchem

• oxid uhličitý • je nedýchatelný, nehořlavý a velmi stálý, bezbarvý, těžší než vzduch – laboratorně vzniká působením kyselin na uhličitany: Ca. CO 3 + 2 HCl → Ca. Cl 2 + H 2 O + CO 2 – průmyslově se získává jako vedlejší produkt při výrobě vodíku: CH 4 + 2 H 2 O → CO 2 + 4 H 2

využití: – produkt ethanolového kvašení, dýchání a reaktant fotosyntézy – sycení nápojů – dá se zkapalnit – nafukování záchranných člunů, do hasících přístrojů – pevný CO 2 =suchý led- užívá se jako chladící médium (výroba zmrzliny, uchovávání masa)

• kyselina uhličitá – vzniká reakcí vody s oxidem uhličitým: CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 – čistá kyselina není známa – vodný roztok se chová jako slabá dvojsytná kyselina

• soli – uhličitany, hydrogenuhličitany – uhličitany alkalických kovů jsou rozpustné až na Li 2 CO 3, ostatní uhličitany jsou ve vodě nerozpustné – hydrogenuhličitany většiny kovů jsou rozpustné

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: Si. O 2 + 2 C → Si + 2 CO • • 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

• vlastnosti: • modrošedý polokov, velmi tvrdý • 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 Sin. H 2 n+2 (až do n=8) extrémně reaktivní na vzduchu se samovolně zapalují nebo explodují

• karbid křemíku - karborundum • vyrábí se redukcí Si. O 2 přebytkem koksu v elektrické obloukové peci při 2000 až 2500°C: Si. O 2 + 2 C → Si + 2 CO Si + C → Si. C • tepelně stálý, tvrdý • využití – brusný materiál

karborundum

• • 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 výjimkou HF • rozpouští se v roztavených hydroxidech Si. O 2 + 2 KOH → K 2 Si. O 3 + H 2 O

růženín

ametyst

citrín

opál

• formy Si. O 2 používané v průmyslu • křemenné sklo • vysoká tepelná odolnost, propustnost pro ultrafialové záření, chemická netečnost • užití – výroba laboratorního skla • • silikagel amorfní forma Si. O 2 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: Na 2 Si. O 3(aq) + 2 HCl(aq) → 2 Na. Cl(aq) + Si. O 2·n. H 2 O • vzniká jako gel, který je směsí křemičitých kyselin – dekahydrodikřemičitá (H 10 Si 2 O 9), tetrahydrokřemičitá (H 4 Si. O 4), hexahydrodikřemičitá (H 6 Si 2 O 7), křemičitá (H 2 Si. O 3)

• křemičitany – alkalické křemičitany se připravují tavením oxidu křemičitého se sodou nebo potaší (K 2 CO 3): Na 2 CO 3 + Si. O 2 → Na 2 Si. O 3 + CO 2 – 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 – (M 2 Si. O 4) (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 (50 Sn) • 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) - Sn. O 2 • průmyslová výroba: • získává se redukcí cínovce uhlím (t = 1000 - 1200 °C): Sn. O 2 + 2 C → Sn +2 CO

cínovec

• vlastnosti: • stříbrobílý lesklý, neušlechtilý 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 • reaguje s horkou koncentrovanou HCl, vzniká chlorid cínatý: 2 HCl + Sn → Sn. Cl 2 + H 2 • s horkou koncentrovanou H 2 SO 4 vzniká síran cínatý: 2 H 2 SO 4 + Sn → Sn. SO 4 + SO 2 + 2 H 2 O • reaguje se zředěnou kyselinou dusičnou: 10 HNO 3 + 4 Sn → 4 Sn(NO 3)2 + NH 4 NO 3 + 3 H 2 O • 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 (206 Pb, 207 Pb a 208 Pb) vznikají jako stabilní produkty přirozených rozpadových řad • galenit - Pb. S

olovo

galenit

• průmyslová výroba: • olovo se obvykle získává z Pb. S • praží se za omezeného přístupu vzduchu na Pb. O a ten se po přidání koksu a tavidla např. vápence, redukuje v šachtové peci: Pb. S + 3/2 O 2 → Pb. O + SO 2 Pb. O + C → Pb + CO Pb. O + CO → Pb + CO 2 • ve všech případech olovo obsahuje nežádoucí nečistoty především Cu, Ag, Zn, Sn, As, a Sb, z nichž mnohé jsou velmi cenné

• vlastnosti: • 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 (Pb. Cl 2) • s H 2 SO 4 za chladu téměř nereaguje • s kyselinou dusičnou reaguje prudce za uvolnění oxidů dusíku a tvorby rozpustného dusičnanu olovnatého (Pb(NO 3)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 - Pb 3 O 4 = 2 Pb. O·Pb. O 2 • dusičnan olovnatý - dobře rozpustný ve vodě, prudký jed • chroman olovnatý - chromová žluť, ve vodě velmi málo rozpustný, nátěrová hmota na značení silnic