Елементи од IV B група на П.С

14-та група на елементи

Проф. д-р Руменка ПетковскаДоц. д-р Лилјана Анастасова

Институт за применета хемија и фармацевтски анализи,Фармацевтски факултет, УКИМ, Скопје

14 –та (IV B) група на Периодниот систем ја сочинуваат следните елементи:

Јаглерод (C) Силициум (Si) Германиум (Ge) Калај (Sn) Олово (Pb)

14-та група на П.С

Олово (Pb)

Јаглерод е основата на животот на Земјата (централен елемент воорганската хемија)

Силициум, сврзан заедно со алуминиум и кислород, е доминантнакомпонента во минералите од Земјината кора

Елементите од 14-та група се од фундаментално значење заиндустијата и природата

Силициум и германиум се неопходни за модерната високатехнологија, особено како спроводници и оптички влакна


Јаглерод и силициум (најлесните елементи од групата) се неметали,германиум е семиметал, додека калај и олово се метали со делумноамфотерен карактер

зголемувањето на металните својства надолу по групата е зголемувањето на металните својства надолу по групата екарактеристично за р-блокот на елементи (долж група се зголемувајонскиот радиус, но се намалува енергијата на јонизација)

енергијата на јонизација на потешките елементи е ниска, металитерелативно лесно формираат катјони


Електронската конфигурација на последниот слој е ns2np2 - поседуваатдва неспарени електрони, во две полупополнети p – орбитали → восоединенијата доминира оксидациски степен +4 (можни оксидацискисостојби -4 до +4), освен кај оловото со карактеристична оксидацискасостојба +2 (ефект на инертен електронски пар)

Јаглерод и силициум покажуваат силен афинитет кон кислород ифлуор

Сите елементи од групата имаат барем една цврста форма чијаструктура е слична на структурата на дијамантот


Елементите од оваа група се карактеризираат со способност замеѓусебно поврзување на повеќе атоми од ист елемент → појава накатенација Катенацијата е особено изразена кај јаглерод поради малиот

атомски радиус (можност за странично препокривање на p-орбиталите и формирање на двојни и тројни врски)

Tипичен пример за катeнација се среќава кај алканите (соединенијана C) и силаните (соединенија на Si)


Јаглерод претставува главен елемент на севкупниот жив свет на планетата

Елемент што има најголем број на соединенија споредено со сите други елементи во П.С

Во литосферата се среќава воелементарен облик (дијамантелементарен облик (дијаманти графит) или во сврзан облик(карбонати на Ca и Mg)

Во атмосферата се среќава вооблик на CO2, додека вохидросферата е застапен вооблик на растворливихидроген карбонати на Ca иMg

Јаглерод

јаглерод се јавува во облик на три стабилни изотопи

одредување на релативна атомска и молекулска маса

Јаглерод

Јаглерод се јавува во облик на две природни алотропски модификации: дијамант и графит

дијамантот претставува безбојна, провидна и крта супстанција совисока точка на топење (3500 ˚С) што не спроведува електричнаенергија (изолатор) според Moss-вата скала за цврстина на минерали, дијамантот енајцврст минерал во природата и се користи за изработка на разни

според Moss-вата скала за цврстина на минерали, дијамантот енајцврст минерал во природата и се користи за изработка на разнивидови на сечива и абразиви дијамантот се одликува со висока вредност за густината (голем бројС-атоми во единица волумен) обработен дијамант се користи како накит (скапоцен камен) –неговата вредност се определува со користење на специјална единицаза вредност на скапоцени камења – карат дијамантот има највисока вредност за термичка спроводливост –мерење на термичка спроводливот се користи за идентификација нафалсификувани дијаманти

Јаглерод

особините на дијамантот се должат на неговата карактеристичнаструктура

секој C-атом во кристалната решетка е sp3 – хибридизиран и поврзан со 4 други sp3 хибридизирани C-атоми (правилен тетраедар) со што се

постигнува максимално препоклопување на атомските орбитали (должина на С-С врска = 154 nm)

Јаглерод

секој кристал на дијамантот претставува еден џиновски молекул на собна температура и притисок, дијамантот постепено преминува вографит, но при обични услови оваа претворба оди мошне споро (од овиепричини, од некои метеорити може да се изолираат дијаманти постариод Сончевиот систем) за да се изработат вештачки дијаманти (абразиви) се користат реакциипод високи притисоци и температури, како и d-метал како катализатор

Графит мека, непровидна супстанција со темно сива боја, метален сјај и високаточка на топење ( 4100 ͦС)одлично спроведува електрична енергија и топлина (постоење наделокализирани електрони) изграден од мноштво планарни слоеви во кои секој С-атом има тринајблиски соседи на расттојание од 142 nmсекој С-атом кај графитот е sp2– хибридизиран и поврзан со 3 С-атомипреку σ – врска (хибридните орбитали лежат во иста рамнина под агол од120 ˚)

исто така, секој С-атом кај графитот поседува по еден слободенелектронски пар што учествува во градење на двојна врска сите С-атоми формираат шестчлени прстени кои се групираат воголеми, паралелно поставени слоеви, меѓусебно поврзани со ван дерВаалсови сили

Графит

присуството на двојна врска во структурата условува поголемастабилност

графитот може да се однесува како донор или акцептор на електроникон атоми и јони што ќе навлезат во неговите слоеви при што се добиват.н интеркалатно соединение

најчесто овие соединенија ги градат јони на алкалните метали кои се„вметнуваат“ меѓу слоевите на графит во процес познат како „градењескеле“

Графит

скеле“

при загревање на графитот во смеса од азотна и сулфурна киселина седобиваат графитни бисулфати што се користат за добивање нависоко-флексибилни форми на графит

графитот реагира со халогените елементи и тоа реагира со флуор,реагира бавно со хлор, не реагира со јод, а со бром гради неколкуинтеркалатни соединенија

Фулерени

фулерените („баки топки“) се формираат при празнење со електриченлак меѓу две јаглеродни електроди, во инертна атмосфера секое теме е sp2 – хибридизиран С-атом најкарактеристичен фулерен е С60 и сродни фулерени како С70, С76 иС84 се раствораат во јаглеводороди и халогенирани јаглеводороди и можатда се разделат со примена на соодветни хроматографски постапкида се разделат со примена на соодветни хроматографски постапки отпорни на високи притисоци

C60 наночестички

Делумно кристален јаглерод, природни и вештачки облици на јаглерод

Форми на јаглерод со низок степен на кристалност (делумно кристален јаглерод) претставуваат црн јаглерод, активен јаглен и

јаглеродни влакна

„црниот јаглерод“ е фино спрашена форма на јаглерод што се добива со согорување на јаглеводороди во недостаток на кислород

Се користи како додаток во тонери и полнител на гумени производи Се користи како додаток во тонери и полнител на гумени производи (ја зголемува јакоста и отпорноста на гумата)

„активен јаглен“ се добива со контролирана пиролиза на органски материјал

Има голема активна површина и е ефикасен апсорбент

Јаглеродни влакна се добиваат со контролирано термичко разложување на асфалтни и синтетски влакна и се инкорпорираат во

разни пластични производи


Природен (камен) јаглен

настанал со јагленизација на растителни остатоци, во отсуство накислород, при ниски температури и високи притисоци камениот јаглен е богат со јаглерод (графитна структура) но содржипримеси од сложени органски соединенијапримеси од сложени органски соединенија

Вештачки облици на јаглен

кокс → се добива со сува дестилација на камен јаглен (извор натоплинска енергија) активен јаглен → се добива со согорување на дрво, коски и шеќери(голема специфична површина и голема адсорбциона моќ) чад→ се добива со непотполно согорување на јаглеводороди


Хемиски својства на јаглерод

на собна температура, јаглерод реагира единствено со елементотфлуор

на повишена температура, јаглерод реагира со голем број на неметалии водород (соединенија јаглеводороди)

со голем број на метали и металоиди гради соединенија наречени со голем број на метали и металоиди гради соединенија нареченикарбиди

јаглерод покажува голем афинитет кон кислород и со овој елементгради оксиди

од овие причини, на високи температури, јаглерод се користи какосилно редуктивно средство

сите елементи од групата градат прости бинарни соединенија соводород, кислород, халогени елементи и азот

Соединенија на јаглерод

Соединенија на јаглерод со негативен оксидациски степен

Најкарактеристични соединенија меѓу јаглерод и водород во коијаглерод има негативен оксидациски степен претставуваатјаглеводородите

Јаглеводородите (алкани, алкени и алкини) претставуваат молекулскихидридихидриди

јаглеродот има способност да гради силни С-С единечни иповеќекратни врски што овозможува создавање на хомологни низина голем број на органски соединенија

најголем дел од органските соединенија се изведени одјаглеводородите


Карбиди

Карбидите претставуваат бинари соединенија меѓу јаглерод и металите или металоидите во кои јаглерод има негативен

оксидациски степен Карбидите се класифицираат во следните категории:

Јонски (солни) карбиди – јонски соединенија во цврста агрегатна Јонски (солни) карбиди – јонски соединенија во цврста агрегатна состојба (метали од I, II група и алуминиум)

Метални карбиди – се формираат во реакција со елементи од d-блокот и поседуваат метална спроводливост и сјај

Металоидни карбиди – ковалентни супстанции во цврста аграгатна состојба што се формираат со елементите бор и силициум

Едни од позначајните карбиди се волфрам карбид (WC) и силициум карбид (SiC), што се користат за изработка на сечива и цементит,

Fe3C, што е главна компонента на челикот и лиеното железо


Соединенија на јаглерод со позитивен оксидациски степен

Најзначајни соединенија од оваа група се: Јаглерод моноксид, C=O Јаглерод диоксид, O=C=O Јаглерод субоксид, O=C=C=C=O (релативно малку познат) Јаглеродна киселина и нејзините соли карбонати Јаглеродна киселина и нејзините соли карбонати

Јаглерод (II) оксид; јаглерод моноксид

Безбоен, токсичен гас без мирис и вкус Запален гори со синкав пламен Во вода не е растворлив, но во соодветни услови истиот реагира со

вода при што се формира мравја киселина (анхидрид на мравјакиселина)

СО + H2O → HCOOH

CO се користи к ако редукциско средство во металургијата, на високитемператури реагира со оксидите на металите

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3 CO2

Oдличен лиганд за метали со низок оксидациски степен Поради постоење на слободен електронски пар во неговата молекула,

се врзува за Fe (II) од хемоглобинот и ја спречува неговата функција да


се врзува за Fe (II) од хемоглобинот и ја спречува неговата функција дапренесува кислород

Јаглерод моноксид има 240 пати поголем афинитет да се врзе захемоглобинот во однос на афинитетот на О2 кон хемоглобинот

Труења што настануваат во затворени простори (на пр. во гаражи)


Јаглерод (IV) оксид; јаглерод диоксид

CO2 на собна температура претставува гас без боја, со слаб, остармирис

Добро се раствора во вода (растворливоста се зголемува созголемување на притисокот – газирање на пијалоци)

При повисоки рН вредности во воден раствор, со координира со При повисоки рН вредности во воден раствор, со координира сохидроксилните јони од водата при што се формира бикарбонатенанјон, HCO3

-

Оваа реакција е многу бавна и е од огромно значење за живиот свет –катализирана е од ензим јаглеродна анхидраза што ја забрзувареакцијата 109 пати

Значајна молекула во процесот на фотосинтеза, но и молекулаодговорна за т.н ефект на стаклена градина


CO2 на собна температура и притисок од 5-6 МРа преминува вобезбојна, лесно подвижна течност

доколку нагло се зголеми волуменот течниот јаглерод диоксид можеда се преведе во цврста агрегатна состојба

цврстиот јаглерод диоксид се користи како средство за ладење цврстиот јаглерод диоксид се користи како средство за ладење(познат е под името „сув мраз“) и во противпожарни апарати

За лабораториско добивање се користи Кипов апарат при штојаглерод диоксид се добива со дејство на киселина врз одреденикарбонати или хидрогенкарбонати

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O


индустриски, јаглерод диоксид се добива со термичко разложување накалциум карбонат

CaCO3 → CaО + CO2

во присуство на силни редукциски средства, се однесува какооксидациско средство

CO2 + C → 2COCO2 + C → 2CO

CO2 + 2Mg → 2CO + 2MgO


Јаглеродна киселина се добива со растворање на CO2 во вода

СО2 + H2O → H2CO3

претставува слаба, двопротонска киселина, стабилна само воразредени раствори што лесно се разложува до јаглерод диоксид иводанестабилноста потекнува од присуството на 2-OH групи, директновода

нестабилноста потекнува од присуството на 2-OH групи, директноповрзани за C- атомот

гради два вида на соли: карбонати и хидрогенкарбонати Комерцијално најважни соли се натриум хидроген карбонат, што

порано се користел како антацид и натриум карбонат Дисоцира во два степени:

H2CO3 H+ + HCO3-

HCO3- H+ + CO3

2-

Силициум

Според застапеноста во Земјината кора, силициум се наоѓа на второтоместо (27,7 % од масата на Земјината кора)

Се среќава во облик на песок, кварц, аметист, ахат и опал Игра значајна улога во минералниот свет (слично на јаглерод во

живиот свет), а од биолошки аспект, спаѓа во групата намикроелементи

Постои во два облика со структура што во голема мера се совпаѓа со Постои во два облика со структура што во голема мера се совпаѓа соструктурата на дијамант: аморфен (темен прашок) и кристален (тврдиигличести кристали)

Поради ваквата структура, силициум не спроведува електрична итоплинска енергија

Се добива се редукција на кварцен песок под дејство на јаглерод (кокс)на високи температури

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Соединенија на силициум

Силиководороди, силани

Соединенија меѓу силициум и водород со општа формула, SinH2n +2(n= 1-8) што се аналогни со алканите

Помалку стабилни соединенија во однос на алканите, стабилностаопаѓа со ↑ на бројот на Si-атоми, бидејќи тенденцијата за катенацијаопаѓа одејќи од јаглерод кон оловоопаѓа одејќи од јаглерод кон олово

Силаните се пореактивни од алканите, но ниваната реактивност сенамалува со зголемување на должината на веригата

Самиот силан, SiH4, спонтано се пали на воздух, бурно реагира сохалогените елементи и хидролизира во допир со вода

Поголемата реактивност споредена со јаглеводородите се должи наголемиот атомски радиус на силициум (овозможува напад нануклеофили), зголемената поларност на Si-H врската и достапност наd – орбитали во пониско енергетско ниво што овозможуваатформирање на адукти.

Во водени раствори силанот е силно редукциско средство можна е реакција на супституција на еден или повеќе атоми идобивање на органосупституирани силани


SiH4 + 2O2 → SiO2 + H2O

SiH4 + 2H2O → SiO2 + 4H24 2 2 2

со полимеризација на органосилициумови соединенија се добиваатсоединенија – силикони, хемиски инертни соединенија отпорни нависоки температури (силиконите со пониски моларни маси секориста во шампони, гелови за коса, пасти за заби)

Силициди

Бинарни соединенија меѓу силициум и металите што можат дасодржат изолирани силициумови атоми

Ниската вредност за електронегативноста на силициум во однос наметалите условува присуство на ковалентна или метална врска

Меѓу позначајните силициди е феросилициум Fe3Si, значаен при


Меѓу позначајните силициди е феросилициум Fe3Si, значаен припроизводството на челик

во директна реакција на силициум со гасовит азот се добива силициумнитрид, Si3N4 – тврда и инертна супстанција што се користи запроизводство на керамички материјали отпорни на високатемпература

Други соединенија на силициум


Соединенија на силициум со позитивен оксидациски степен

Во оваа група на соединнеија спаѓаат халогениди на силициум (SiX4),оксидот на силициум (SiO2), киселини на силициум и соодветнитесоли

Најзастапени соединенија се силициум (IV) оксид и солите нареченисиликатисиликати

Силициум (IV) оксид (SiO2), во природата се среќава во двемодификации: кристален и аморфен SiO2


Основна структурна единка на овој оксид е SiO4 тетраедар Во центарот на тетраедарот се наоѓаат sp3 – хибридизирани атоми на

Si кои со силна ковалентна врска се поврзани со атомите на кислородпоставени на темињата на тетраедарот

Тетраедрите меѓусебно се поврзани преку атоми на кислород

Формулата (SiO2) го покажува стехиометрискиот однос меѓу атомитена Si и O

Вистинската формула на овој оксид е (SiiOi)x и тој претставувамакромолекулски полимер

Силната хемиска врска во структурата условува висока точка натопење и голема цврстина


топење и голема цврстина Хемиски, инертен е кон киселини (го раствора единствено HF), но

лесно стапува во реакција со бази (алкално топење со што се добиваатсиликати)

SiO2 + HF → SiF4 + 2H2O

SiO2 + NaOH → Na2SiO3 + H2O

Други соединенија на силициум

Алуминиумот може да го замени силициум во силикатниот скелет пришто се формираат алумосиликати → ја даваат голематаразновидност на минералниот свет

Молекулски сита = кристални алумосиликати што во структуратаимаат т.н отвори со молекуларни димензии (најзначајнипретставници се зеолитите)

Зеолитите се користат како омекнувачи на вода, во гасната Зеолитите се користат како омекнувачи на вода, во гаснатахроматографија и во голем број на реакции во органската хемија

Германиум

Редок елемент, неопходен за сите видови на модерна технологија Се добива со редукција на неговиот оксид со јаглерод моноксид или

водород Подобар полупроводник од силициум (со ↑ на температурата,

спроводливоста расте), производство на транзистори Гради две групи на соединенија: соединенија со оксидациски степен Гради две групи на соединенија: соединенија со оксидациски степен

+2 што спонтано преминуваат во соединенија со окс. степен +4 Гради хидрид герман (GeH4), што е постабилен во однос на останатите

хидриди од групата, станан и плимбан Формира неиспарливи дихалогениди Гради два оксиди и тоа германиум (II) оксид, GeO што се користи како

редукциско средтство и GeO2 – германиум (IV) оксид, со сличнаградба на силициум диоксид

Documents

Елементи од IV B група на П.С