P2-prvky

1. Úvod

– C, Si, Ge, Sn, Pb

– el. konfigurace: ns²np² => maximální oxidační číslo je 4 – můžou excitovat

– ox. číslo od –IV do +IV

– vaznost – C – max 4 (2. perioda nemá d orbitaly)

– ostatní – volné orbitaly d – vícevazné, např. SiF₆^2- -> Si šestivazný

– stálost ox. čísel – se stoupajícím Z – klesá stálost vyššího, stoupá stálost nižšího => s rostoucím Z

klesá stálost +IV a roste stálost +II

– sloučeniny Sn^II působí redukčně, PbO₂ působí oxidačně

– ruda Sn = kasiterit = cínovec = SnO₂

– ruda Pb = galenit = PbS

– ve sloučeninách s ox. číslem IV převládají vazby kovalentní (CO₂), ve sloučeninách Sn^II, Pb^II převládá

iontový charakter vazeb

– nekovy – C

– polokovy – Si, Ge

– kovy – Sn, Pb

-> rozdílné struktury a odlišné vlastnosti

– tvrdost a křehkost uhlíku, křemíku, germania

– tažnost cínu

– kovové vlastnosti olova

– řetězení atomů = typická vlastnost prvků této skupiny

– dominuje C

– Si – 10ti členné řetězce

– Sn – dvoučlenné

– C je schopen vytvářet neobyčejně stabilní řetězce – organická chemie

2. Uhlík

– C

– X = 2,5 => střední, maximálně polární vazby

– izotopy: C12, C13, C14

– radioaktivní C14 vzniká účinkem kosmického záření na N: ¹⁴₇N + ¹₀n -> ¹⁴₆C + ¹₁H

– poločas rozpadu (přeměny) – 5730 let -> radiouhlíkové hodiny

– poměrně málo reaktivní, s jinými prvky reaguje až při vyšších teplotách

– netvoří vodíkové můstky (nízká X)

– výskyt – příroda:

1. volný – modifikace – grafit, diamant, fullereny, saze – liší se strukturou

– diamant – krychlová soustava (pevná, odolná)

– vlastnosti: nejtvrdší přírodní látka, není vodivý, tepelně odolný

(jde ale spálit)

– polymerní struktura – C poutány se 4 sousedními atomy, které

jsou ve vrcholu tetraedru

– nevodivý – všechny el. využity

– vznikl v přírodě z grafitu při formování zemského povrchu za

mimořádně vysokých teplot a tlaků

– grafit – šesterečná mřížka, vrstevnatá struktura

– každý C vázaný se 3 sousedními C v ploše – využity s orbitaly a 2p

– zbývající e^– z orbitalů p_x dohromady vytváří delokalizovaný systém

π elektronů -> vodivost

– poután pouze slabými vazebnými interakcemi (VW síly)

– vlastnosti: měkký, otíratelný, vodivý, vysoká Tt (3600°C)

1. vázaný – uhlovodíky, organické látky

– uhličitany – CO₃^2-

                                   – kalcit (vápenec) – CaCO₃, magnezit – MgCO₃

– vápenec + magnezit = dolomit

– oxid uhličitý – CO₂

– reaktivita – není moc velká – musí často excitovat a k tomu je třeba energie

– musí se dodat teplo, jiskra, zážeh

C + O₂ –t–> CO₂ + E = hoření

C + O₂ –t, nedostatek O–> CO – jedovatý, váže se na hemoglobin místo kyslíku

C + F₂ -> CF₂         C + H₂SO₄ -> CO₂ + SO₂ + H₂O          C + HNO₃ -> CO₂ + NO₂ + H₂O

– syntetické modifikace – fotbaleny = fullereny

– molekuly C_60,70,80,…

– objeveny v sazích, nyní vyráběny uměle

– tvar fotbalového míče

– výroba uhlíkových nanotrubiček,

moderních tkanin, miniaturních

tranzistorů, konstrukce Formule 1,

,,nádoby“ pro přenos látek – např. léčiv – v těle

– grafen – polymerní struktura

– živočišné uhlí – na střevní problémy

– aktivní uhlík

– na povrch adsorbuje (=schopnost vázat na povrch látky)

barviva a další látky

– paliva s obsahem uhlíku – tuhá paliva – dřevo, rašelina, hnědé uhlí, černé uhlí, koks (není přírodní),

antracit

– kapalná paliva – ropa => benzín, nafta, petrolej, mazut, oleje

– plynná – zemní plyn – z 95% methan

3. Sloučeniny uhlíku

– binární:

1. bezkyslíkaté – C + H = uhlovodíky, viz organická chemie

– C je čtyřvazný, schopný tvořit dlouhé, pevné vazby všech typů => hodně

moc uhlovodíků

– zdroje – ropa, zemní plyn, uhlí

– karbidy: sloučeniny s elektropozitivnějšími prvky (kovy, B, Si)

tvrdé, pevné, vysoká Tt

1. acetylidy:  = acetylen (= plyn ke sváření)

– H jsou kyselé, chtějí se odštěpit

= soli od acetylenu: (C₂)^-II, (HC₂)^-I

Ag₂C₂ = acetylid stříbrný

                  CaC₂ = acetylid vápenatý = karbid – na svícení

CaC₂ + H₂O -> HCCH + Ca(OH)₂ – lab. příprava acetylenu

– sloučeniny hlavně I., II. skupiny => iontový charakter

2. polymerní karbidy – základ CH₄

– C^-IV

– SiC – nerozpustný ve vodě, hodně tvrdý, brousky

– kovalentní vazby

3. karbidy s intersticiálními uhlíky = vmezeřenými

– kryst. mřížky kovů jsou schopny přijímat

do svých meziatomových dutin relativně

malé atomy C

– kovová vazba nezaniká

– parametry kovové mřížky se nemění, ale

látka je velmi zpevněna

– tyto karbidy jsou extrémně tvrdé, těžko

                                                           tavitelné, odolné

– TiC, VC, MoC, ZrC

– práškový kov se zahřívá spolu s grafitem

na vysokou t, bez přístupu vzduchu

– využití – obráběcí stroje – nanesené na

řezné plochy – velká životnost

1. iontové karbidy – s alk. kovy a kovy alk. zemin

– Na₂C₂, CaC₂, AgC2, Cu₂C₂

– s vodou tvoří acetylen:

CaC₂ + H₂O -> HCCH + Ca(OH)₂

1. kovalentní karbidy – s p-prvky

– SiC = karborundum – brusný materiál, smirk. papír

– Al₄C₃, B₄C₃

– s vodou reagují za vzniku methanu:

Al₄C₃ + 12 H₂O -> 4 Al(OH)₄ + 3 CH₄

– halogenidy = halogenderiváty uhlovodíků

– CCl₄ – chlorid uhličitý, rozkladem vzniká fosgen COCl₂

                                                                                  – freony = fluorderiváty uhlíku: CF₂Cl₂

– CHCl₃ – chloroform

– pseudobinární – HCN = kyanovodík -> kyanidy (soli) – (CN)^–

– v malé koncentraci v rostlinách (pecky, plod)

– mandlová vůně, jedovatý plyn nebo kapalina

– kapalina těkavá

– CN^– se ochotně váže na Fe²⁺ v cytochromech =

= dýchací E v mitochondriích, brání ox. na +3

a přenosu O₂

– vodný roztok HCN – slabá, jednosytná kyselina

– výroba HCN: 2 KCN + H₂SO₄ -> K₂SO₄ + 2 HCN

– KCN = cyankáli

– NaCN – prudký jed

– smrtelná dávka – 1g – ochrnutí dých. centra

Ruský kníže Jusupov se snažil otrávit ruského potulného mnicha a léčitele Rasputina tím, že pro něj nechal upéct chleba a do něj zapéct KCN, ovšem:

H₂O (vlhké těsto) + CO₂ (vzniká při kvašení) + 2 KCN -> K₂CO₃ + 2 HCN

HCN těkal až vytěkal, i tak slabá kyselina jako uhličitá je silnější než HCN – silnější kyselina vytěsní slabší z její soli.                                                                  – HCN – ,,nevadský plyn“ – používán jako smrtící

plyn při popravách v USA

– využití CN^– – kyanidové loužení – při získávání

Au, Ag z málo vydatných ložisek

– komplexní kyanidy jedovaté nejsou

žlutá krevní sůl: K₄^+I[Fe^+II(CN)₃] + FeCl₃ -> Fe₄^+III[Fe^+II(CN)₆]₃ = berlínská modř

červená krevní sůl: K₃^+I[Fe^+III(CN)₆^-I]

– CS₂ – sirouhlík – těkavá, jedovatá kapalina, zpracování a rozpouštění celulózy

– bezbarvý, snadno zápalný, nerozpustný ve vodě

– dobré nepolární rozpouštědlo (třeba pro síru)

– vznik z prvků za zvýšené teploty: 2 S + C -> CS₂

– výroba hedvábí, celofánu, rozpouštědlo tuků

1. b) kyslíkaté – CO: C + O₂ -> CO – neúplná oxidace

– je jedovatý, váže se na hemoglobin místo O => otrava, vazba je silnější než s O

– redukční činidlo – ve vysokých pecích, při výrobě kovů = nepřímá redukce

– výroba Fe z železné rudy

Fe + CO -> CO₂ + Fe

Fe₂O₃ + CO -> CO₂ + Fe₃O₄

Fe₃O₄ + CO -> CO₂ + FeO

– přímá redukce se provádí koksem:

Fe₂O₃ + C -> CO + Fe

FeO + C -> Co + Fe

Fe₃O₄ + C -> CO + Fe

– lab. příprava – rozklad kys. mravenčí: HCOOH -> CO + H₂O

– výroba – neúplné spalování C v generátorech, tzv. generátorový plyn

C + H₂O -> CO + H₂

– slučování s Cl₂ na jedovatý fosgen = dichlorido-oxid uhličitý: CO + Cl₂ -> COCl₂

– tvoří komplexní sloučeniny = karbonyly – s přechodnými kovy

– kapalné, pevné, snadno zápalné, rozpustné dobře

v nepolárních rozpouštědlech

– vznik koordinací CO na centrální atom kovu přes

volný el. pár na atomu C:

Fe + 5 CO -> Fe(CO)₅ – pentakarbonyl železa

Ni + 4 CO -> Ni(CO)₄ – tetrakarbonyl niklu

– využití při získávání kovů z jejích rud

– CO₂ – nepolární molekula, nerozpustný ve vodě

– bez chuti a zápachu, lehce zkapalnitelný

– při dýchání, tlení, hnití, kvašení

– přeprava v ocelových lahvích s černým pruhem

– do vody probublává pod tlakem: CO₂ + H₂O -> H₂CO₃

– H₂CO₃ neexistuje jako látka – spíše CO₂*H₂O

– sifon = sodová voda, sodovka = voda nasycená CO₂

– pH perlivé vody (s CO₂) je nižší (až na 6)

– vzniká dokonalým hořením: C + O₂ -> CO₂   – úplná oxidace

– je nedýchatelný

– pevný = suchý led – jako chladivo, netaje, ale hned sublimuje

– zkapalněný – bomby se značily černým pruhem

– v hasičských přístrojích (sněhový)

– nemá redox vlastnosti (max. slabé ox.)

– příprava: CaCO₃ (vápenec) + HCl -> CaCl₂ + CO₂ + H₂O

– průmyslová výroba – záměrná není (je ho všude dost)

– vedlejší produkt jiných technologií – výr. páleného vápna

CaCO₃ –t–> CaO (pálené vápno) + CO₂

– obsah ve vzduchu vyšší než 10% – ospalost až smrt

– skleníkový plyn

př.:

C + O₂ –t–> CO₂ (CO)

C + 2 F₂ –t–> CF₄

CO + Cl₂ -> COCl₂ = chlorid kyseliny uhličité = fosgen

– uhličitany: H₂CO₃ + soli

                                                H₂CO₃ – je nestálá, slabá, dvojsytná => CO₃^-2 – uhličitany

=> HCO₃^– – hydrogenuhličitany

CO₂ + H₂O (H⁺, CO₃^2-, HCO₃^–)

– fosgen – bojová látka, plyn, chlorid kyseliny uhličité

– uhličitany alk. kovů a (NH₄)CO₃ – rozpustné dobře

– ostatní ve vodě nerozpustné

– uhličitany – tepelný rozklad: CaCO₃ –t–> CaO + CO₂

– hydrogenuhličitany – ve vodě rozpustné

– soli: K₂CO₃ – potaš, při výrobě skla se využívá

Na₂CO₃ – soda, zákl. surovina pro tech. – sklářství, textil, papírnictví

NaHCO₃ – jedlá soda – zažívací problémy

                                                         (NH₄)₂*CO₃ – součástí prdopeče

CaCO₃ – v přírodě ve formě vápence (leštěný – mramor, krystalická

látka – aragonit)

– surovina pro výrobu páleného vápna: CaCO₃ –t–> CaO + CO₂

– u nás Moravský a Český kras

– vznik krápníků: CaCO₃ + H₂O + CO₂ <-> Ca(HCO₃)₂

– tvrdnutí malty: Ca(OH)₂ (hašené vápno) + CO₂ -> CaCO₃ + H₂O

– vodní tvrdost, vodní kámen:

CaCO₃ (nerozpustný) + H₂O + CO₂ –t–> Ca(HCO₃)₂ (rozpustný)

– výr. Fe – struskotvorný materiál

– výr. skla – sodnovápenaté – běžné sklo

– výroba sody – tzv. Solvayův způsob

– do solanky (slaná voda, roztok NaCl) nasycené NH₃ se za

studena zavádí CO₂ -> vznik NaHCO₃

– NaHCO₃ se filtrací separuje a zahřívá se pak v pecích a

rozkládá se za vzniku Na₂CO₃, H₂O a CO₂

roztok NaCl + NH₃ + CO₂ -> NaHCO₃ + NH₄Cl       NaHCO₃ –t–> Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

2 NH₄Cl + Ca(OH)₂ -> 2 NH₃ + CaCl₂ + 2 H₂O

– CaCO₃ – aragonit – krystaly tvořící paprsky, termální prameny

– kalcit (vápenec) – červený plamen kvůli Ca²⁺, do vysokých pecí

– stavební materiál, polarizační hranoly (islandský vápenec – čirý), sklářství

– křída

– mramor – leštěný vápenec

– travertin – pórovitý

4. Křemík

– polokov, slabší vazby mezi Si – je 2x menší než C – netvoří řetězce

– biogenní prvek

– vlastnosti + využití –jako polovodič = látka, jejíž el. vodivost prudce stoupá s teplotou a znečištěním

– místo atomu Si například 1 atom Ge – 1 el. navíc

– tmavě šedý, kovově lesklý, tvrdý, křehký, krystalický

– polokov – vlastnosti podobné kovům – vzhled, sloučeniny s nekovy – menší X

                                                          než nekovy -> elektropozitivnější člen (SiC, Si₃N₄, SiCl₄)

– vlastnosti podobné nekovům – sloučeniny s kovy – vyšší X -> el. neg.

členem (Mg₂Si, Ni₂Si)

– odolný působení kyslíku i vody (pasivace na SiO₂)

– odolný vůči kyselinám, kromě HF:

SiO₂ + 6 HF -> H₂SiF₆ + 2 H₂O nebo vznik SiF₄ + H₂O

– snadno se rozpouští v roztocích horkých hydroxidů:

Si + 4 NaOH -> Na₄SiO₄ + 2 H₂

– výroba – elementárního náročná – zonální tavba

– redukcí SiO₂ karbidem vápenatým nebo uhlíkem = koksem v el. pecích:

SiO₂ + CaC₂ -> Si + Ca + 2 CO   SiO₂ + 2 C -> Si + 2 CO   t=2000°C, čistota 97%

– použití Si – přísada do ocelí, výroba silikonů, elektronika (integrované obvody, čipy)

– postup:

1. získat SiCl₄ = kapalina s nízkou Tv = 58°C

Si (s) + 2 Cl₂ (g) -> SiCl₄ (g) nebo SiO₂ (s) + 2 Cl₂ (g) + 2 C (s) –t=800°C-> SiCl₄ (g) + 2 CO (g)

2. chlorid se opakovaně destiluje – nečistoty pryč
3. redukce: SiCl₄ (g) + 2 H₂ (g) -> Si (s) + 4 HCl (g)
4. zonální tavení v atmosféře Ar

– porovnání s C – struktura – obdoba diamantu (vazby méně pevné – křehčí)

– méně ochotně tvoří řetězce – ve vazbě C-C je uloženo více E -> stabilnější než Si-Si

– H-Si slabší než H-C – uhlovodíkům podobné silany jsou méně stálé, rozklad teplem

– silany – SiH₄ = monosilan, relativně stálý, nanášení polovodivé křemíkové vrstvy při

výrobě slunečních baterií

– Si₂H₆, Si₃H₈ – obdoba ethanu a propanu, málo stálé

– vazba S-O silnější než C-O -> křemičitany

– výskyt – vázaný – 2. nejrozšířenější v zemské kůře

– SiO₂ – křemen, křišťál, záhněda, růženín, ametyst, morion, citrín

– může tvořit řetězec => jeden z nejtvrdších materiálů, velmi stálý

– polymerní struktura

– Si tvoří s O tetraedr a ty jsou vzájemně pospojovány přes atom O

– různé modifikace – určuje to úhel mezi tetraedry SiO₄

– křemen, tridimit

– křemičitany – granáty, olivín, turmalín – skupina klencových minerálů

– hlinitokřemičitany – slídy, živce

– koloidní roztok – opál, chalcedon (jaspis, onyx, achát), pazourek

– křemelina = rozsivková zemina – vznik nahromaděním zbytků pravěkých mořských

řas –rozsivek, pórovitý materiál, stabilizátor výbušnin (dynamitu)

5. Sloučeniny

křemen α,β-70°C-> tridimit α, β -1400°C-> krystovalit α, β -> amorfní křemenné sklo (bez krys. mřížky)

1. bezkyslíkaté:
2. silicidy = sloučeniny Si s kovy

– obdoba karbidů, Mg₂So

2. silany = sloučeniny Si s H

– tvoří jako alkany řadu Si_nH_2n+n

                 – monosilany, disilany – plyny, vyšší kapaliny

– samozápalné, reaktivní

3. halogenidy křemičité – těkavé

– SiF₄ – vzniká jako produkt při zpracování fluoroapatitů při leptání

skla HF, důležitý při výrobě čistého Si

– s vodou H₂SiF₆ – kyselina hexafluorokřemičitá – soli

hexafluorkřemičitany

1. kyslíkaté
2. oxidy – SiO₂ – pevná, tvrdá, chemicky odolná a obtížně tavitelná látka, vysoký Tt

– prostorová struktura

– využití:

1. stavební materiál – písek (hlinitý, ostrý, říční)
2. výroba skla
3. výroba porcelánu

– SiO₃ – slídy – biotit, bílá

– mastek, kaolinit, azbest

2. kyseliny – vznik okyselením vodných roztoků alkalických křemičitanů

– H₂SiO₃, H₄SiO₄

– delším stáním nebo zahřátím -> rosolovitý gel -> vysušením amorfní tvrdý gel =

                                      = silikagel – díky pórovitosti dobré adsorpční vlastnosti

– sušidlo – drobné kuličky u bot, …

3. křemičitany – tvoří zemskou kůru

– vznik tavením SiO₂ s hydroxidy a uhličitany alkalických kovů:

SiO₂ + 2 NaOH -> Na₂SiO₃ + H₂O

– ve struktuře tetraedry SiO₄

–  hlitinokřemičitany – některé Si nahrazené Al

– hlinito/křemičitany – nerosty, součástí hornin

– živce, kaolinit, azbest, slídy

– výroba keramiky a cementu – viz silikáty

– vodní sklo – vodný roztok křemičitanů a alk. kovů

– viskózní charakter, vznik tavením písku se sodou nebo potaší

– konzervační prostředek, tmelící, impregnační látka

4.    silikony = syntetické organokřemičité polymerní sloučeniny obsahující v mlk pravidelně se

                                       opakující jednotku, kde R je uhlovodíkový zbytek

– tepelně odolné, hydrofobní

– použití: mazací oleje, nátěrové hmoty, izolační materiál, plastická chirurgie

 

 

 

– křemičitany -> silikáty – přírodní zdroj pro různé výrobky, souhrnně silikátové materiály

1. keramika – hlitinokřemičitany -> rozpad (loužení vodou) na kaolinit -> jeho naplavením

ložiska kaolínu -> pálení -> porcelán

K/Al(Si₃O₈) + H₂O -> Al/Si₃O₅/(OH)₄ + H₂SiO₃ + KOH

– vypalování – ztráta vody, spojování do složitých struktur

– vznik písku – žula = živec + slída + křemen

– rozpad živce -> rozpad žuly -> vznik písku

– tetraedry SiO₄^4– -> nakonec poměr Si:O = 1:3, s nábojem -2: (SiO₃)^2-

1. sklo = podchlazená tavenina

– SiO₂ má krystalovou mřížku, která se tavením rozruší

– tavenina má vysokou viskozitu a tuhne dřív, než se stačí znova uspořádat do mřížky

-> amorfní struktura

– výroba skla: suroviny – speciální sklářský písek (velký obsah SiO₂), soda – Na₂CO₃ (tavivo – snižuje

teplotu tavby), CaCO₃ – stabilizátor, střepy

= taví se -> získá se sklovina: SiO₂*Na₂O*CaO

– může se přidat PbO => olovnaté sklo – těžké, zvyšuje index lomu

– optická skla, broušená

– přidáním potaše (K₂CO₃) – vyšší Tt

– křemenné sklo – speciální skla, taví se křemen (1700°C), dražší

– přidáním kationtů kovů – zabarvení skla

– Au³⁺ (č.), Fe²⁺(z.), Fe³⁺(h.), Cu²⁺(m.), Co²⁺(m.), Cd²⁺(ž.), Sn⁺⁴ (mléčné sklo)

– sklovina:

1. lisování, foukání – formování skloviny
2. lití – na mokré pásy, tabulové sklo
3. barvení, broušení, tvrzení

– sklo simax – konvice, vysoce tavitelné sklo, přidává se B₂O₃ (SiBNa)

– sklo pyrex

– gotické sklo – zelené – nevyčištěné od oxidů železa

– sodnodraselné – český křišťál – tvrdost

– Petryho misky – Al₂O₃ se přidává – mechanická odolnost

– samozatmavovací brýle – přídavek AgCl – světlem se uvolňuje kovové Ag -> zčernání –

-> malé osvětlení -> Ag zpět do AgCl

– tvrzené sklo – za tepla tvar ze skla a prudce se to ochladí => napětí => nejsou střepy

při rozbití

– rozpouštění: SiO₂ + 2 NaOH -> Na₂SiO₃ + H₂O => pevné hydroxidy v plastových lahvích

SiO₂ + HF (rozpouští sklo) -> SiF₄ + H₂O

1. maltoviny = pojiva ve stavebnictví
2. cement – přírodní zdroj – hlinito/křemičitany, jíly, hlíny, břidlice

– průmyslový zdroj – odpad při výrobě Fe = vysokopecní struska (CaSiO₃)

– výroba: vytěžená surovina se mele –> vypaluje na 1300-1400°C -> mele-

-> přimísí se další látky upravující vlastnosti -> druhy betony

– princip: tuhnutím cementové směsi -> beton

= navázání vody -> nová křemičitanová struktura, velmi pevná

= tvrdne s vodou i pod vodou

2. sádra – přírodní zdroj – sádrovec -> pálení -> sádra:

CaSO₄*2 H₂O –t–> CaSO₄*1/2 H₂O

– průmyslový zdroj – produkt odsiřováním elektráren

3. hydroxid vápenatý – zdroj – vápenec ->pálení ve vápenkách 900°C->pálené vápno

CaCO₃ -> CaO + CO₂

–> hašením: CaO + H₂O -> Ca(OH)₂

– při tvrdnutí malty se voda uvolňuje (vyschnutí novostavby):

Ca(OH)₂ + CO₂ -> CaCO₃ + H₂O