Struktura, vlastnosti a chování p6-p4 a jejich sloučenin

p6 = vzácné nebo inertní plyny Helium He (ale není p-prvek), Neon Ne, argon Ar, krypton Kr, xenon Xe, radon Rn, ununoctium Uuo Mají plně obsazené valenční orbitaly (ns2np6), takže jsou v atomárním stavu stabilní a nereaktivní (přestože jde o plyny, nevytvářejí dvouatomové molekuly) Tvoří jednoatomové molekuly, poutané navzájem velmi slabými van der Waalsovými silami. Proto mají extrémně nízké teploty varu a jsou obtížně zkapalnitelné. S rostoucím Z se jejich tv zvyšuje. Ve svých periodách dosahují maximální velikosti ionizační energie a mají neměřitelně nízké až endotermní afinity k elektronům, u argonu a těžších vzácných plynů vede vzrůstající atomový poloměr ke snížení ionizační energie, mohou být ve sloučeninách s pozitivním oxidačním stavem (záporný je nemožný) Mají malé elektrické průrazné napětí, snadno se ionizují a dobře vedou elektrický proud. Toho se využívá při výrobě výbojek. Všechny jsou bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu
Fyzikální a chemické vlastnosti:
HELIUM – Inertní, nerozpustný. Má ze všech známých látek nejnižší bod varu, v tekutém skupenství je supratekuté (to znamená, že má velmi malou viskozitu a tření) a v pevném stavu lze získat jen při velmi nízkých teplotách a zvýšeném tlaku. Je taktéž supravodivé, nemá téměř žádný elektrický odpor. NEON – Naprosto inertní, nerozpustný. ARGON – Reaktivnější než He a Ne, dobře se rozpouští ve vodě (dokonce lépe než kyslík), lze adsorbovat na aktivním uhlí. KRYPTON – Téměř inertní, dobře se rozpouští ve vodě, ještě lépe v nepolárních rozpouštědlech. XENON – Stejné jako ostatní vzácné plyny, nejpodobnější je kryptonu. RADON – Radon je rozpustný ve vodě (okolo 51 % svého objemu) a ještě lépe se rozpouští v organických rozpouštědlech. Vzniká jako produkt radioaktivity radia a uranu a sám je radioaktivní také. UNUNOCTIUM – Předpokládají se vlastnosti podobné radonu.
Výskyt:
HELIUM – Je to druhý nejrozšířenější prvek ve vesmíru, vznikl (malé množství) prvotní nukleosyntézou a vzniká ve hvězdách hlavní posloupnosti při slučování vodíku. Na Zemi přítomno jen velmi vzácně. V zemské atmosféře se vyskytuje jen ve vyšších vrstvách a díky své nízké hmotnosti z atmosféry vyprchává do meziplanetárního prostoru (tvoří 0,000524 obj.%, tj. 5,24 ppm). Najdeme ho v zemním plynu a některých minerálech (smolinec) jako produkt radioaktivních přeměn.
NEON – V zemské atmosféře je v koncentraci cca 0,0018% (Ve 100 litrech vzduchu je přibližně 1,82 ml neonu), je tedy po argonu druhým nejrozšířenějším vzácným plynem v zemské atmosféře a pátým nejrozšířenějším plynem v suchém vzduchu.
ARGON – Tvoří asi 1% zemské atmosféry (nejrozšířenější ze všech).
KRYPTON – Krypton je přítomen v zemské atmosféře v koncentraci přibližně 0,0001%. Vzniká jako jeden z produktů radioaktivního rozpadu uranu a lze jej nalézt v produktech jaderných reaktorů.
XENON – Xenon je přítomen v zemské atmosféře v koncentraci přibližně 5×10-6%, byl nalezen i v některých pramenech minerálních vod, kam se dostává jako produkt rozpadu uranu a plutonia.
RADON – Koncentrace radonu v zemské atmosféře je již téměř nezměřitelná. Radon se nejčastěji
nalézá ve vývěrech podzemních minerálních vod, kam se dostává jako produkt rozpadu jader radia,
thoria a uranu.
Příprava, výroba a použití:
HELIUM – Od roku 1917 se v Severní Americe získává helium z ložisek zemního plynu. Od methanu a
ostatních plynů se odděluje frakční destilací. Požívá se k plnění balónů a vzducholodí. Směsí helia,
kyslíku a dusíku se plní tlakové láhve s dýchací směsí, určenou pro potápění do velkých hloubek. Na
rozdíl od dusíku nezpůsobuje tzv. hloubkové opojení, takže potápěč je schopen pracovat v hloubkách
přes 300 m. Další použití: kryogenní techniky, výbojky (žlutá barva), zábavní průmysl (změna hlasu)…
NEON – Získává se frakční destilací zkapalněného vzduchu nebo frakční adsorpcí na aktivní uhlí, při
teplotách kapalného vzduchu. Používá se na výbojky (neonky, září oranžovo-červeně či šarlatově),
jako náplň laserů, na kryogenní techniky…
ARGON – Získává se frakční destilací zkapalnělého vzduchu. Používá se jako izolační plyn (při
sváření, tavení, růstu krystalů superčistého křemíku a germania pro výrobu polovodičových
součástek, …) nebo ve výbojkách (září při větší koncentraci červeně, při nižších přechází přes fialovou
a modrou až k bílé barvě).
KRYPTON – Je získáván frakční destilací zkapalněného vzduchu. Používá se v osvětlovací technice
(má zelenavě až světle fialovou barvu v el. výbojkách), datování stáří hornin nebo podzemních vod
(určením poměrů mezi jeho izotopy ve vzorku), plnění izolačních dvojskel, …
XENON – Zisk jako krypton. Využívá se k datování stáří jako krypton a do xenonových výbojek
(fialové a modré světlo, dezinfekční účinky, fotografování velmi rychlých jevů).
RADON – Získává se destilací minerál. vod. Používá se k určení stáří podzemních vod a v lázeňství
(Jáchymov).
UNUNOCTIUM – Údajně bylo vyrobeno touto reakcí:
Sloučeniny:
HELIUM – Helium nevytváří žádné v pravém slova smyslu sloučeniny (leda za radikálně změněných
podmínek), má však dostatečně malou velikost, aby mohlo být uzavřeno do sféry fullerenů.
NEON – Chemické sloučeniny neonu nejsou známy.
ARGON – Doposud se podařilo připravit pouze dvě chemické sloučeniny argonu na helsinské
univerzitě v roce 2000 – HArF a ArF.
KRYPTON – Chemické sloučeniny tvoří pouze vzácně s fluorem a kyslíkem, všechny jsou velmi
nestálé a jsou mimořádně silnými oxidačními činidly.
XENON – U xenonu známe několik sloučenin a osm z nich je za nízkých teplot stálých. Jedná se o
formy fluoridů, chloridů a oxidů, např.: trioxid xenonu XeO3, tetrafluorid xenonu XeF4 či xenoničelan
sodný Na4XeO6.
RADON – Chemické sloučeniny tvoří stejně jako krypton a xenon pouze vzácně s fluorem, chlorem a
kyslíkem, všechny jsou velmi nestálé a jsou mimořádně silnými oxidačními činidly.
UNUNOCTIUM – Kdyby existoval přirozeně, tvořil by na rozdíl od ostatních již stabilní oxidy, ve
kterých by se vyskytoval více než v plynném atomárním stavu.
p5 = halogeny nebo halové prvky
podle řeckého hals neboli sůl pro jejich schopnost tvořit celou řadu solí
fluor F, chlor Cl, brom Br, jod I, astat At, ununseptium Uus; mají 7 valenčních e- (ns2np5)
dvouatomové molekuly X2 tvoří ve všech skupenstvích
pro svou značnou reaktivitu jsou známy pouze ve sloučeninách – fluor má ox. číslo jen –I,
ostatní mají od –I do VII (kladná čísla vůči elektronegativnějším F a O)
halogen s menším protonovým číslem (lehčí) je schopen vytěsnit halogen s větším
protonovým číslem (těžší) z jeho halogenidu:
Fyzikální a chemické vlastnosti:
FLUOR – Fluor je plyn v silné vrstvě zelenožlutý s dráždivým zápachem, který připomíná chlorovodík.
Je extrémně jedovatý a leptá dokonce i sklo. Díky své silné reaktivitě vytěsňuje většinu anionů ze
sloučenin a sám přechází v anion – sklo, které je chemickou podstatou oxidu křemičitého, reaguje s
fluorem za vzniku fluoridu křemičitého a kyslíku. Tvoří hlavně iontové vazby.
CHLOR – Tento jedovatý velmi reaktivní žlutozelený plyn (za norm. podm.) se ochotně slučuje s
většinou prvků periodické soustavy. Je asi dva a půlkrát těžší než vzduch.
BROM – Za normálních podmínek se jedná o toxickou červenohnědou kapalinu, je taktéž velmi
reaktivní, hlavně k organickým sloučeninám (alkenům, fenolům, aminům apod.). K anorganickým
látkám a elementárním kovům je bez přítomnosti vody méně reaktivní (ale suchý silně reaguje
např. s Al, Hg či alkalickými kovy), hydratací se jeho reaktivnost zvyšuje – hydratovaný je silným
oxidačním činidlem.
JOD – Tvoří tmavě fialové destičkovité krystalky. Za atmosférického tlaku přechází přímo do plynné
fáze, sublimuje. Jeho páry mají fialovou barvu a charakteristický dráždivý zápach. Jod je pouze
nepatrně rozpustný ve vodě, lépe se rozpouští v roztoku jodidu draselného za vzniku Lugolova
roztoku. Je také rozpustný v ethanolu nebo nepolárních rozpouštědlech jako sirouhlík CS2,
tetrachlormethan nebo benzen. Je méně reaktivní a vykazuje některé kovové vlastnosti.
ASTAT – Je to málo prozkoumaná radioaktivní pevná látka s krátkým poločasem rozpadu.
UNUNSEPTIUM – Umělý a málo prozkoumaný prvek, pravděpodobně pevného skupenství a
podobný astatu.
Výskyt:
FLUOR – Fluor se v zemské kůře vyskytuje jako 13. nejrozšířenější prvek. Voda oceánů obsahuje
pouze přibližně 1 mg F/l, tento nízký obsah je způsoben tím, že většina fluoridů je ve vodě
nerozpustná. Ani ve vesmíru není fluor příliš bohatě zastoupen. K jeho nejvýznamnějším minerálům
patří fluorit (neboli kazivec) CaF2 a kryolit Na3AlF6. Patří také k biogenním prvkům (kosti a zuby).
CHLOR – Většina ze sloučenin chloru je rozpuštěna v mořské vodě a ve vodě některých
vnitrozemských jezer (Mrtvé moře, Velké solné jezero a další). V mořské vodě tvoří chloridové ionty
nejvíce zastoupený anion, jejich koncentrace se pohybuje kolem 19 g/l. Je součástí minerálů, např.:
halit NaCl (velká ložiska chloridu sodného se nacházejí např. v Polsku a USA a geologicky vznikla jako
pozůstatek po odpaření slaných vnitrozemských jezer), sylvín KCl či karnalit KCl
.
MgCl2
.
6H2O, je
obsažen v krevní plasmě a žaludečních šťávách.
BROM – V malém množství doprovází sloučeniny chloru, je obsažen v mořské vodě, chaluhách či
slaných jezerech. Relativní zastoupení bromu v zemské kůře i ve vesmíru je velmi nízké.
JOD – Mineralogicky doprovázejí sloučeniny jodu analogické sloučeniny chloru a bromu, ovšem
pouze ve velmi nízkých koncentracích. Většina z nich je rozpuštěna v mořské vodě. Je zde přítomen
nejen jako jodid, ale také ve formě jodičnanu. Tvoří součást hormonu štítné žlázy thyroxinu.
ASTAT – V přírodě se vyskytuje jen v naprosto nepatrných množstvích jako člen některé z uranových,
popř. thoriové rozpadové řady, přičemž se sám velmi rychle dále radioaktivně přeměňuje.
Příprava, výroba a použití:
Obecně se připravují oxidací halogenidů nebo halogenvodíků silnými oxidačními činidly:
a vyrábějí elektrolýzou roztoků či tavenin jejich solí.
FLUOR – Výroba plynného fluoru je technicky značně obtížná a vzhledem k reaktivitě volného fluoru i
poměrně riziková. Vzhledem k vysoké elektronové afinitě fluoru lze jeho výrobu uskutečnit pouze
elektrolyticky. Dnes se výroba fluoru provádí ve dvou typech elektrolyzérů. V prvním se elektrolýza
provádí při teplotě 72 °C a elektrolyzuje se dihydrofluorid draselný KH2F3 a v druhém se elektrolýza
provádí při 240 °C a elektrolyzuje se hydrofluorid draselný. Elementární fluor se používá jako
surovina v chemickém průmyslu pro výrobu plastů (teflon) a freonů (omezováno).
CHLOR – Výroba plynného chloru je založena na elektrolýze vodného roztoku chloridu sodného –
solanky. Elementární chlor se používá k desinfekci pitné vody, protože i v malých koncentracích hubí
bakterie a jeho nadbytek lze z vody snadno odstranit pouhým probubláním vzduchem. Slouží i jako
bělící prostředek a v chemické syntéze pro výrobu plastů (PVC), kyseliny chlorovodíkové atd.
BROM – Brom se průmyslově vyrábí chlorováním mořské vody, popř. solanky (koncentrovaného
roztoku mořské soli) při pH kolem 3,5. Vyloučený elementární brom se z vody odstraňuje
probubláním proudem vzduchu a následnou kondenzací ochlazením par. Využití má např. při výrobě
léčiv, barev a fotografického materiálu.
JOD – Základní surovinou pro výrobu jodu jsou mořské řasy, v jejichž pletivech se jod koncentruje.
Oxidací jodidů, obsažených v popelu ze spálených řas, se získá elementární jod, který se rafinuje
sublimací, tedy přeměnou látky z pevného do plynného skupenství. Využití má např. při výrobě léčiv
a barev, 5% roztok jodu ve směsi ethanol-voda je nazýván jodová tinktura a slouží v medicíně jako
dezinfekční činidlo.
Sloučeniny:
FLUOR – Kyselina fluorovodíková, dodávána na trh často jako 40% roztok, leptá a rozpouští sklo a
uplatňuje se proto ve sklářském průmyslu (leptání a matování skla) i při chemických rozkladech
odolných silikátových hornin. Paradoxně je ale nejslabší halogenovodíkovou kyselinou, stabilizují ji
vodíkové můstky.
CHLOR – Kyselina chlorovodíková je silná kyselina vyráběná působením kyseliny sírové na chlorid
sodný nebo častěji přímou reakcí plynného vodíku a chloru. Značné množství vzniká i jako odpadní
produkt při chloraci uhlovodíků. Komerčně se dodává v roztocích o koncentraci kolem 35%. Je
důležitou složkou žaludečních šťáv. Směs kyseliny chlorovodíkové a dusičné v poměru 3:1 se nazývá
lučavka královská. Tato směs rozpouští i velmi odolné drahé kovy jako zlato nebo platinu. Chlorid
sodný je nezbytnou složkou potravy, je obsažen v krvi i krevní plasmě. Jeho příjem v potravě je však
třeba udržovat v rozumných mezích, protože jeho přebytek zvyšuje riziko infarktu myokardu. Chlorid
sodný a chlorid vápenatý CaCl2 se v zimním období rozprašují na vozovky, aby z nich odstranily
námrazu. Kyselina chlorná HClO je poměrně slabá kyselina a chemicky značně nestálá sloučenina.
Větší význam mají její soli chlornany. Směs chloridu a chlornanu sodného je tzv. chlorové vápno a
používá se jako bělící a dezinfekční prostředek.
BROM – Praktický význam mají pouze soli některých z jeho kyselin. Např. nerozpustný bromid
stříbrný, nachází využití ve fotografickém průmyslu.
JOD – Nejstálejší z kyselin jodu je kyselina jodičná HIO3, za normálních podmínek pevná látka. S
amoniakem tvoří jod velmi nestálou sloučeninu – jododusík NI3, která se v suchém stavu explozivně
rozkládá i při velmi slabém podnětu – zábavní pyrotechnika.
ASTAT – Mnoho sloučenin astatu bylo připraveno a studováno v mikroskopickém množství, protože
se velmi rychle rozpadají vlivem radioaktivity. Využití těchto sloučenin je hlavně pro teoretické
studie, ale předpokládá se i možné využití v nukleární medicíně.
p4 = chalkogeny
Prvky 16. skupiny, kyslík O, síra S, selen Se, tellur Te, polonium Po, livermorium Lv
mají 6 valenčních elektronů (ns2np4), kyslík se od ostatních svými vlastnostmi liší (viz
otázka č.4)
Fyzikální a chemické vlastnosti:
SÍRA – Je to žlutá pevná látka, nerozpustná ve vodě, ale rozpustná v nepolárních rozpouštědlech, špatný vodič
tepla i elektřiny. Síra je poměrně reaktivní prvek; přímo se slučuje se všemi prvky kromě vzácných
plynů, dusíku, telluru, jodu, iridia, platiny a zlata. Na rozdíl od kyslíku může síra zasahovat do orbitalu
d. Atomy síry můžou existovat v excitovaném stavu prvního stupně S* (čtyř-vazný s oxidačním číslem
+IV) a druhého stupně S** (šesti-vazný s oxidačním číslem +VI). Síra nejčastěji tvoří kovalentní vazby.
SELEN – Jedná se o polokov významný svými fotoelektrickými vlastnostmi. Je prakticky nerozpustný
ve vodě, poměrně dobře se rozpouští v sirouhlíku. Je důležitý pro správnou kardiovaskulární činnost,
ale dávky nad 900 mikrogramů denně jsou již toxické, způsobují poruchy trávení, vypadávání vlasů,
změny nehtů a deprese. Elementární selen je za normálních podmínek stálý, poměrně snadno se
slučuje s kyslíkem a halogeny. Ve sloučeninách se selen vyskytuje v mocenství Se2–, Se2+, Se4+ a Se6+.
TELLUR – Je to polokovový stříbřitě lesklý prvek, patří spíše mezi kovy, ale jsou známy i kyseliny
telluru a jejich soli, v nichž chemicky připomíná spíše síru nebo selen.
POLONIUM – Nestabilní radioaktivní kov. LIVERMORIUM – Umělý prvek.
Výskyt:
SÍRA – Jako čistý prvek se vyskytuje především v oblastech s bohatou vulkanickou činností nebo v
okolí horkých minerálních pramenů. Vyskytuje se v mnoha minerálech – např. sádrovec CaSO4 ×2H2O,
anhydrit CaSO4, baryt BaSO4, sfalerit ZnS, galenit PbS nebo Glauberova sůl Na2SO4×10H20. Je to
biogenní prvek, je součástí například bílkovin.
SELEN – Selen obvykle doprovází síru a tellur v jejich rudách. Selen je v potravě nejvíce obsažen v ořeších, vnitřnostech a mořských rybách.
TELLUR – Tellur obvykle doprovází síru a selen v jejich rudách. Má značnou afinitu ke zlatu a v mnoha zlatých ložiscích se vyskytuje jako příměs. Z minerálů jsou známy například tellurid zlata calaverit AuTe2 nebo tellurid olova altait PbTe.
POLONIUM – Polonium je členem uran-radiové, neptuniové i thoriové rozpadové řady a v přírodě se proto vyskytuje v přítomnosti uranových rud. Právě z uranové rudy – jáchymovského smolince bylo polonium poprvé získáno jako elementární prvek, přestože se jeho koncentrace pohybuje v množství 0,1 mg na tunu.
Alotropické modifikace:
SÍRA – Síra se vyskytuje v mnoha alotropických modifikacích. U krystalické síry rozlišujeme kosočtverečnou α-síru (nejstálejší, ostatní formy se na ní snaží přejít) a jednoklonnou β-síru. Amorfní síra má jednotlivých typů ještě více – sirný květ (vzniká rychlým ochlazením jejích par), plastická síra, polymerní síra, nerozpustná síra, bílá síra, supersublimovaná síra (tyto metastabilní alotropické směsi se připravují srážením síry z roztoků nebo ochlazením horké kapalné síry z teploty okolo 400 °C). Většina forem je tvořena kruhovými molekulami S8, některé molekulami S6 nebo S2, samostatné atomy se vyskytují až při teplotě 2 000 °C.
SELEN – V přírodě se vyskytuje nejméně v šesti alotropických modifikacích, ve třech červených monoklinických (jednoklonných) formách, v krystalické šedé, hexagonální (šesterečné) formě pak jako černý sklovitý selen. Tvoří molekuly jako síra.
Příprava, výroba a použití:
SÍRA – Pro průmyslové účely se síra těží Frashovou metodou, při které se do ložiska zavádí systémem trubek horká vodní pára a stlačený vzduch, který vytlačuje roztavenou síru potrubím na povrch. Získává se také pražením sulfidů. Síra byla známa již v dávnověku a např. ve starověké Číně sloužila jako jedna ze složek střelného prachu. Jako součást různých výbušnin a zábavní pyrotechniky se síra používá dodnes. V chemickém průmyslu se uplatňuje hlavně při výrobě kyseliny sírové, vulkanizaci kaučuku a je také složkou některých pesticidů a fungicidů.
SELEN – Obvykle je získáván z odpadů po spalování síry při výrobě kyseliny sírové nebo ze zbytků po elektrolytické výrobě mědi ze sulfidických rud. Technologický význam selenu spočívá v současné době ve výrobě fotočlánků. Jedná se o zařízení, která za využití fotoelektrického jevu po ozáření světlem přímo produkují elektrickou energii (hlavně solární panely kosmických sond).
TELLUR – Průmyslově se tellur získává nejčastěji z anodových kalů po elektrolytické výrobě mědi nebo ze zbytků po rafinaci zlata. Nízké koncentrace telluru zvyšují tvrdost a pevnost slitin olova i jejich odolnost vůči působení kyseliny sírové. Telurid gallia nalézá využití v polovodičovém průmyslu. Jako velmi perspektivní se jeví použití sloučenin telluru při výrobě fotočlánků (je to levné).
POLONIUM – Uměle se připravuje ozařováním bismutu 209Bi neutrony v jaderných reaktorech. Praktické využití nalézají izotopy polonia jako alfa zářiče v medicíně a při odstraňování statického
náboje v textilním průmyslu a výrobě filmů.
Sloučeniny a reakce:
SÍRA – Sulfan H2S je bezbarvý, nepříjemně páchnoucí jedovatý plyn, nachází se v technických plynech a dá se z něj syntetizovat síra nebo oxid siřičitý: , . Oxid siřičitý SO2 je bezbarvý, štiplavý, jedovatý plyn dráždící dýchací sliznici. Je nežádoucí složkou ovzduší (způsobuje kyselé deště). Používá se k výrobě kyseliny sírové, k odbarvování nebo jako konzervant. Kyselina sírová H2SO4 je viskózní kapalina, silná kyselina, ochotně se mísí s vodou za uvolnění tepla. Vyrábí se většinou kontaktním způsobem: oxid siřičitý se katalyticky oxiduje na oxid sírový (), ten se rozpouští ve zředěné kys. sírové až vzniká oleum H2S3O10, jehož ředěním vzniká kys. sírová požadované koncentrace. Používá se při výrobě hnojiv, barviv, léčiv, výbušnin, jako elektrolyt v olověných akumulátorech.
SELEN – Oxidy selenu vytváří reakcí s vodou příslušné kyseliny a existují i jejich soli s elektropozitivními prvky, nejstálejší z nich jsou selenany a seleničitany alkalických kovů. Selenidy mědi, galia a india se používají na zmiňované fotočlánky.