Tetrely – prvky IV. A skupiny charakteristika

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)

• 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:

• 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

fyzikální vlastnosti:

• 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 + 2CO SiC → 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

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

• 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

• 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

koks

• 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

• 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:

• sloučeniny:

• chlorid uhličitý

• bezbarvá kapalina příjemného zápachu
• využití – rozpouštědlo

sirouhlík

• sirouhlík

• bezbarvá, těkavá, hořlavá kapalina
• jedovatá, může způsobit těžké poruchy nervového systému
• využití - výroba viskózového hedvábí,celofánu

kyselina kyanovodíková

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

výskyt:

• výskyt:

• druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře

• nachází se ve sloučeninách s kyslíkem viz minerály, horniny

průmyslová výroba:

• 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

fyzikální vlastnosti:

• fyzikální vlastnosti:

• modrošedý polokov, velmi tvrdý

• chemické vlastnosti:

• odolává vodným roztokům kyselin

• lučavkou královskou je oxidován na kyselinu křemičitou

využití:

• využití:

• solární články

sloučeniny:

• 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

• karbid křemíku - karborundum

• vyrábí se redukcí SiO2 přebytkem koksu v elektrické obloukové peci při 2000 až 2500°C:

• SiO2 + 2C → Si + 2CO Si + C → SiC

• tepelně stálý, tvrdý

• využití – brusný materiál

oxidy

• 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 hydroxidech SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

růženín

• 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

• 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

• 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

• 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

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

• 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.

historie:

• 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

fyzikální vlastnosti:

• fyzikální vlastnosti:

• 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

chemické vlastnosti:

• chemické vlastnosti:

• 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:

• 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:

• sloučeniny:

• sulfid cíničitý - cínový bronz

• pevná látka světle zlaté barvy

• využití – nátěry ( zlacení rámů, dřevěných ozdob )

historie:

• 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

průmyslová výroba:

• 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 + SO2 PbO + C → Pb + CO PbO + CO → Pb + CO2

• ve všech případech olovo obsahuje nežádoucí nečistoty především Cu, Ag, Zn, Sn, As, a Sb, z nichž mnohé jsou velmi cenné

fyzikální vlastnosti:

• fyzikální 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

• chemické vlastnosti:

• 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:

• 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

sloučeniny:

• 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