14. GRUPA PSE
(GRUPA UGLJENIKA)
GRUPA UGLJENIKA
(14. grupa): C, Si, Ge, Sn i Pb
- ns2np2; 4 valentna e-, maksimalna valenca 4
- svi elementi NEREAKTIVNI na sobnoj T
- C NEMETAL
- Si i Ge SEMIMETALI (poluprovodnici!)
- Sn i Pb METALI
- oksidacioni brojevi
C, Si, Ge: IV (izuzetak CO!) - 4 kovalentne veze; kisela svojstva;
(ne postoje joni C4+, Si4+, Ge4+, niti C4-, Si4-, Ge4-);
Ge, Sn, Pb: II, IV
mali broj jedinjenja Ge(II);
Sn(II) i Sn(IV) jedinjenja su podjednako stabilna;
Pb(II) jed. stabilnija od Pb(IV) jed. (jaka O.S.);
- Jedino C gradi stabilne višestruke veze!
- Sposobnost KATENACIJE najizraženija kod ugljenika
zbog vrlo jake C–C veze E = 356 kJ mol-1
- Na ovoj osobini se zasniva cela ORGANSKA HEMIJA!
HIDRIDI
Hidridi ugljenika: alkani CnH2n+2, n = ∞; alkeni, ...
Hidridi: Si (n = 8), Ge (n = 5), Sn (n = 2) - nestabilni
- jedino su hidridi C stabilne supstance
- imaju neutralna svojstva
- ne reaguju sa vodom
- alkani imaju tetraedarsku geometriju (sp3 hibridizacija)
- ostala jedinjenja mogu imati sp2 i sp hibridizaciju
UGLJENIK – ALOTROPSKE
MODIFIKACIJE
a) dijamant;
b) grafit;
c) lonsdaleit
(„heksagonalni dijamant”);
d–f) fulereni
(C60, C540, C70);
g) amorfni ugljenik;
h) ugljenična nanocev i
grafen.
GRAFIT
GRAFIT
siv, metalnog sjaja,
mekan
● C atomi sp2 hibridizovani,
a 4. e- delokalizovan na
ceo sloj
● slojevita struktura – 2D
●
DIJAMANT
DIJAMANT
(susedni slojevi pomereni,
svaki drugi sloj se nalazi
jedan iznad drugog, slojevi
slabo vezani)
bezbojan, tvrd, dobro provodi toplotu
● C atomi sp3 hibridizovani – 3D
● dobro provodi struju
●
(maksimalna jačina veza)
●
ne provodi struju
(paralelno sa slojevima)
PRIMENA DIJAMANTA:
- za izradu reznih alata (za sečenje, brušenje, bušenje,
poliranje)
- za izradu nakita
(1 karat = 0,200 g)
PRIMENA GRAFITA:
- za izradu grafitnih elektroda, četkica za elektromotore,
sredstava za podmazivanje, olovaka
- za izradu termootpornih sudova i kalupa
(TT grafita: 4100 °C - najviša od svih elemenata!)
FULERENI
Otkriveni 1985;
Nobelova nagrada za hemiju 1996.
C60
Dobijanje: reakcijom u električnom luku sa ugljeničnim
elektrodama u inertnoj atmosferi
- u njihovu strukturu mogu da se ugrade atomi
ili mali molekuli
Potencijalno široka primena (kao provodnici, u medicini)!
GRAFEN
Nobelova nagrada
za fiziku 2010.
- „razlistavanjem” grafita dobija se planarni sloj atoma C
(debljine tačno 1 atom)
- idealni 2D materijal
- neobična električna, mehanička, termička i dr. svojstva
Potencijalna primena: efikasniji tranzistori, integralna kola i
kondenzatori
Dijamant i grafit se dobijaju iz prirodnih nalazišta i veštačkim
putem
Dobijanje grafita (reakcijom koksa sa SiO2):
2500 °C
SiO2(l) + 3C(s) ⎯⎯→ C(grafit) + Si(g) + 2CO(g)
Dobijanje dijamanta na visokim pritiscima ili specijalnim
postupcima depozicije iz gasovite faze (npr. CH4+H2)
AMORFNI UGLJENIK:
KOKS, ČAĐ, AKTIVNI UGALJ
KOKS
• dobija se suvom destilacijom uglja
• ogromna svetska proizvodnja!
(osnovno i najvažnije R.S. u metalurgiji)
ČAĐ (izgrađen od sitnih čestica različitog oblika)
• dobija se nepotpunim sagorevanjem ugljovodonika ili
pri naglom hlađenju gasova koji sadrže CO
• primena: u gumarskoj industriji kao punilo i sredstvo koje
povećava jačinu gumenih proizvoda
AKTIVNI UGALJ
• dobija se zagrevanjem organskih supstanci (drvo, kosti, ...)
bez prisustva vazduha
• primena: kao katalizator, adsorbens u gas-maskama,
sredstvo za prečišćavanje vode za piće, u medicini, ...
(ima ogromnu specifičnu površinu i veliku sposobnost
adsorbovanja drugih supstanci)
Elementarni C je vrlo poznato R.S.
Da se podsetimo:
C je najčešće četvorovalentan u svojim jedinjenjima, pa gradi
- ili 4 jednostruke veze (sp3; tetraedarski raspored veza)
- ili 2 jednostruke veze i 1 dvostruku vezu
(sp2; trougaoni raspored veza)
- ili 2 dvostruke veze
(sp; linearna geometrija)
- ili 1 jednostruku vezu i
1 trostruku vezu
● jonski
KARBIDI
- karbidi elektropozitivnih metala (CaC2, Al4C3, ...)
● kovalentni - karbidi nemetala (SiC, ...)
● inersticijalni (metalni) - karbidi prelaznih elemenata (WC, VC, ...)
Najvažniji karbid: CaC2
Dobijanje: CaO + 3C → CaC2 + CO
CaC2 + 2H2O → C2H2 (g) + Ca(OH)2 burna hidroliza!
OKSIDI
CO, ugljenik(II)-oksid (ugljen-monoksid), C:II
- izuzetno otrovan
CO2, ugljenik(IV)-oksid (ugljen-dioksid), C:IV
Oba oksida: gasovi bez boje, mirisa i ukusa
CO, ugljen-monoksid
- dobar LIGAND (kompleksi: karbonili)
OTROVNI kao i sam CO!!!
- neutralan oksid
Laboratorijsko dobijanje CO:
H2SO4 (konc.)
HCOOH ⎯⎯⎯⎯→ CO + H2O
100 °C
Industrijsko dobijanje CO:
2C + O2 → 2CO
generatorski
gas
ili
C + H2O → CO + H2
vodeni
gas
2CO + O2 → 2CO2 ΔrHê = -566 kJ mol-1
(zbog velike količine toplote koja se oslobađa,
generatorski gas se koristi za zagrevanje u industriji)
Vodeni gas se koristi za dobijanje H2 i dobijanje metanola
CO2, ugljen-dioksid
Laboratorijsko dobijanje CO2:
• žarenjem karbonata (CaCO3 → CaO + CO2)
• reakcijom kiselina sa karbonatima ili bikarbonatima
(2HCl + CaCO3 → CaCl2 + H2O + CO2)
• sagorevanjem C (C + O2 → CO2)
Industrijsko dobijanje CO2:
CO + H2O
400 oC
⎯⎯⎯→
Fe2O3
H2 + CO2
PRIMENA:
• proizvodnja gaziranih pića, zaštitna atmosfera
• SUVI LED: CO2(s) - sredstvo za hlađenje
ODNOS CO i CO2
C(s) + CO2(g) 2CO(g)
[
CO]
=
[CO ]
ΔrH ө = 172 kJ mol-1
2
Kc
Kc = 1 na 975 K (700 oC)
2
Pojava čađi (gara) i objašnjenje proizvoda reakcije kada se
C (koks) koristi kao redukciono sredstvo.
UGLJENA KISELINA, H2CO3
CO2(aq) + H2O H2CO3(aq)
K = 1,7·10-3
H2CO3 + H2O H3O+ + HCO3HCO3- + H2O H3O+ + CO32-
Ka,1= 2,5·10-4
Ka,2= 4,8·10-11
- soli: karbonati i hidrogenkarbonati
- osim karbonata alkalnih metala, svi ostali su teško rastvorljivi
- u prirodi velika nalazišta karbonata zemnoalkalnih metala - krečnjačke stene: kalcit (CaCO3), dolomit (CaMg(CO3)2) i
magnezit (MgCO3)
- svi hidrogenkarbonati su rastvorljivi
- HIDROLIZUJU i CO32- i HCO3-!
Ravnoteža između CO32- i HCO3-:
CO32- + CO2(g) + H2O 2HCO
3
t
HCO3amfolit
CaCO3(s) + CO2(g) + H2O Ca(HCO3)2(aq)
Najvažnije soli ugljene kiseline:Na2CO3 i NaHCO3
dobijaju se SOLVEJEVIM (Solvay) POSTUPKOM
- U konc. rastvor NaCl uvodi se
NH3, pa CO2
- Nastali rastvor sadrži jone:
NH4+, HCO3-, Na+, Cl- NaHCO3 se taloži jer je
najmanje rastvorljiv, suši se,
žari i prevodi u Na2CO3
I
IV
II
III
t
2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O
(s)
(aq)
(g)
CIKLUS UGLJENIKA
CO2 u atmosferi
sagorevanje
ćelijsko disanje
fotosinteza
ugalj i
fosilna goriva
aerobno raspadanje
organskih supstanci
viši
potrošači
primarni
potrošači
raspadanje
PSEUDOHALOGENA JEDINJENJA
Sadrže C i N povezane TROSTRUKOM vezom!
Najpoznatija jedinjenja
i
HCN
(cijano-vodonik, cijanovodonična kiselina)
(CN)2 (dicijan)
-
joni:
CN(cijanid-jon)
OCN(cijanat-jon)
SCN(tiocijanat-jon)
(SCN)2
(tiocijan)
- CN-, OCN-, SCN- su LIGANDI
SVI OTROVNI!!!
Dokaz za prisustvo Fe3+-jona:
Fe3+ + 6 SCN- → [Fe(SCN)6]3- crvene boje
- svi pseudohalogeni su LINERNI!
SILICIJUM
• javlja se kao SiO2 (pesak) ili u obliku SILIKATA
• srebrnasto-sive boje, metalnog sjaja
• ali ima strukturu dijamanta (što nije
karakteristika metala)!
PRIMENA:
za proizvodnju komponenata
savremene elektronike –
POLUPROVODNICI!
Dobijanje Si ČISTOĆE 98 mas. %:
redukcijom SiO2 pomoću koksa u električnim pećima
t
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Dobijanje VRLO ČISTOG Si (za potrebe elektronike)
primese < 1·10-9 at. %:
I faza: Si(s) + 3HCl(g) → SiHCl3(l) + H2
II faza: redukcija SiHCl3(l) pomoću Zn ili Mg
„zonalna rafinacija”
TT 1420 °C
Šipka Si se propušta između grejača,
dolazi do topljenja Si u vrlo uskoj zoni;
nečistoće se koncentrišu u rastopu i
posle rafinacije nalaze se na jednom
kraju šipke koji se seče i odbacuje.
SiO2, SILICIJUM(IV)-OKSID
(SILICIJUM-DIOKSID)
• nekoliko kristalnih modifikacija, najvažnija: α-kvarc;
poznatije: tridimit i kristobalit
• trodimenzionalni raspored veza Si–O
(kvarc: čvrst, tvrd, visoka TT)
• pri hlađenju
rastopa SiO2
nastaje pothlađena
tečnost neuređene
strukture – staklo,
kvarcno staklo
(amorfni SiO2)
kristalni SiO2
amorfni SiO2
Si
O
- SiO2 nerastvorljiva, hemijski inertna supstanca;
- reaguje sa HF
SiO2(s) + 4HF(aq) → SiF4(g) + 2H2O(l)
- sporo reaguje sa rastopima baza („alkalno topljenje”)
t
SiO2(s) + 2NaOH(l) → Na2SiO3(l) + H2O(l)
natrijum-silikat
(ili kalijum-silikat)
- natrijum-silikat i kalijum-silikat su jedini silikati rastvorljivi u
vodi, pa se nazivaju VODENO STAKLO
- Obično staklo: Na2O·CaO·6SiO2 (SiO2 + Na2CO3 + CaCO3)
- dodatkom kiseline u rastvor vodenog stakla taloži se
silicijumna kiselina, SiO2·xH2O
PRIMENA SiO2·xH2O:
• kao sredstvo za sušenje (jer ima vrlo razuđenu površinu),
„silika-gel”
• kao adsorbens i nosač katalizatora
Silicijumna kiselina, SiO2·xH2O
- trebalo bi da ima formulu H4SiO4, ali molekuli se lako
kondenzuju dajući polimerne oblike!
- sve kiseline su slabe i loše definisane, anjoni su stabilni
- silikati čine 95 % Zemljine kore (stene, zemlja, gline, pesak, ...)
Si je u silikatima tetraedarski okružen sa 4 atoma O
Silikati se prikazuju
pomoću tetraedarskih
SiO4-jedinki
Podela silikata (prema broju i načinu povezivanja tetraedara):
1. Silikati sa pojedinačnim anjonima
2. Silikati sa lančastim i trakastim anjonima
3. Silikati sa slojevitom strukturom
4. Silikati sa trodimenzionalnom strukturom
1. Silikati sa pojedinačnim (diskretnim) anjonima
SiO44-
Si3O96-
Si2O76-
Si6O1812-
2. Silikati sa lančastim i trakastim anjonima
SiO32-
Si4O116-
Si2O52-
3. Silikati sa slojevitom strukturom
(nastaju međusobnim povezivanjem traka Si4O116- ili
traka Si2O52-)
• deo Si je često zamenjen Al: ALUMINOSILIKATI
• između slojeva se mogu naći: voda, joni metala, oksidi,
hidroksidi
Slojevita struktura KAl2[AlSi3O10][OH]2
• Najvažniji slojeviti silikati:
- minerali GLINA (npr. KAOLIN) – osnovna sirovina u proizvodnji
porcelana, keramike, cigle, ..., koristi se u industriji cementa, u proizvodnji
gume i hartije (kao punilo)
- LISKUNI (aluminosilikat; između slojeva nalaze se Mg2+ i K+;
koriste se kao izolatori i zamena za staklo u industrijskim pećima (visoka
termička i hemijska otpornost)
- TALK – mek, lako klizi; koristi se u kozmetici, ...
- AZBESTI – koristi se za ojačavanje cementa, izolacione materijale,
vatrogasna odela (visoka termička otpornost) - kancerogeni
AZBEST
Raspored slojeva
kod azbesta i talka
TALK
4. Silikati sa trodimenzionalnom strukturom
• Najvažniji minerali:
- FELDSPATI – čine 60 % Zemljine kore
- ZEOLITI – strukture u kojima postoje šupljine i kanali
različite veličine i oblika; u šupljine i kanale smeštaju se
molekuli ili joni (mogu biti i veštački)
Primena zeolita:
• sredstva za sušenje
• sredstva za selektivnu
adsorpciju jona ili molekula
• nosači katalizatora
• zamena za polifosfate
u deterdžentima
(za omekšavanje vode)
Silikoni
- polimerni materijali
- termička i hemijska stabilnost
- hidrofobnost
- izolacione i mazive osobine
- elastičnost
- netoksičnost
Linearni polimeri: silikonska ulja
Umreženi polimeri: silikonske smole i gume
Primena silikona u:
• nauci
• medicini i estetskoj hirurgiji
• tehnici
KALAJ I OLOVO
- srebrnastobeli, meki METALI, niske TT
- stabilni na vazduhu i otporni prema koroziji, jer se njihova
površina prevlači zaštitnim slojem oksida (pasiviranje)
Alotropske modifikacije Sn: „sivi” i „beli” Sn
13 °C
„sivi” Sn „beli” Sn
nemetalna
svojstva
metalna
svojstva
Primena:
- Legure za lemljenje (niske TT), zaštita od zračenja
- Beli lim (kalajisani gvozdeni lim za izradu konzervi)
E ө(Zn2+/Zn) = -0,76 V
E ө(Fe2+/Fe) = -0,44 V
E ө(Sn2+/Sn) = -0,14 V
Najznačajnija jedinjenja: OKSIDI
SnO2 – komponenta glazure u industriji keramike
PbO – najstabilniji oksid
Pb3O4 – minijum (2PbO·PbO2), mešoviti oksid
PbO2 – jako O.S; koristi se kod olovnih akumulatora
(videti u lekciji Redoks reakcije)
Sva jedinjenja Sn, i Sn2+ i SnIV, jako hidrolizuju:
SnCl2 + HCl → H[SnCl3]
SnCl4 + 2HCl → H2[SnCl6]
Inertan elektronski par!
Oksidi i hidroksidi M(II) su amfoterni:
M(OH)2(s) + OH- → [M(OH)3]M(OH)2(s) + 2H+ → M2+ + 2H2O
Kako se može dokazati da u minijumu, Pb3O4,
postoji Pb u dva oksidaciona stanja?
Pb3O4 ≡ 2PbO·PbO2
Pb3O4(s) + 4HNO3(razbl.) → 2Pb(NO3)2(aq) + PbO2(s) + 2H2O(l)
HNO3
Talog se tretira koncentrovanom HCl
PbO2(s) + 4HCl(konc.) → PbCl2 + Cl2(g) + 2H2O(l)
Rastvor se tretira I- ili Cl- ili CrO42- ili SO42--jonima
Pb2+(aq) + 2I-(aq) → PbI2(s)
Pb2+(aq) + 2Cl-(aq) → PbCl2(s)
Pb2+(aq) + CrO42-(aq) → PbCrO4(s)
Pb2+(aq) + SO42-(aq) → PbSO4(s)
Pb2+(aq)
PbO2(s)
Download

null