Upload
votram
View
281
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
14. GRUPA PSE (GRUPA UGLJENIKA)
GRUPA UGLJENIKA(14. grupa): C, Si, Ge, Sn i Pb
- ns2np2; 4 valentna e-, maksimalna valenca 4
- 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.);
- C NEMETAL- Si i Ge SEMIMETALI (poluprovodnici!)- Sn i Pb METALI
- svi elementi NEREAKTIVNI na sobnoj T
- Jedino C gradi stabilne višestruke veze!
- Sposobnost KATENACIJE najizraženija kod ugljenikazbog vrlo jake C–C veze E = 356 kJ mol-1
- Na ovoj osobini se zasniva cela ORGANSKA HEMIJA!
- 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
Hidridi ugljenika: alkani CnH2n+2, n = ∞; alkeni, ... Hidridi: Si (n = 8), Ge (n = 5), Sn (n = 2) - nestabilni
HIDRIDI
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.
DIJAMANT
GRAFIT
● bezbojan, tvrd, dobro provodi toplotu
● siv, metalnog sjaja, mekan
● C atomi sp3 hibridizovani – 3D(maksimalna jačina veza)
● slojevita struktura – 2D (susedni slojevi pomereni, svaki drugi sloj se nalazi jedan iznad drugog, slojevi slabo vezani)
● ne provodi struju● dobro provodi struju
(paralelno sa slojevima)
● C atomi sp2 hibridizovani, a 4. e- delokalizovan na ceo sloj
GRAFIT
DIJAMANT
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
AMORFNI UGLJENIK:KOKS, ČAĐ, AKTIVNI UGALJ
KOKS• dobija se suvom destilacijom uglja• ogromna svetska proizvodnja! (osnovno i najvažnije R.S. u metalurgiji)
Dobijanje dijamanta na visokim pritiscima ili specijalnimpostupcima depozicije iz gasovite faze (npr. CH4+H2)
Dobijanje grafita (reakcijom koksa sa SiO2):
SiO2(l) + 3C(s) ⎯⎯→ C(grafit) + Si(g) + 2CO(g)2500 °C
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
- ili 1 jednostruku vezu i 1 trostruku vezu
(sp; linearna geometrija)
KARBIDI● jonski - karbidi elektropozitivnih metala (CaC2, Al4C3, ...)● kovalentni - karbidi nemetala (SiC, ...)● inersticijalni (metalni) - karbidi prelaznih elemenata (WC, VC, ...)
Najvažniji karbid: CaC2
Dobijanje: CaO + 3C → CaC2 + COCaC2 + 2H2O → C2H2 (g) + Ca(OH)2 burna hidroliza!
OKSIDICO, ugljenik(II)-oksid (ugljen-monoksid), C:II
CO2, ugljenik(IV)-oksid (ugljen-dioksid), C:IV- izuzetno otrovan
Oba oksida: gasovi bez boje, mirisa i ukusa
- dobar LIGAND (kompleksi: karbonili)
- neutralan oksid
CO, ugljen-monoksid
OTROVNI kao i sam CO!!!
Industrijsko dobijanje CO:
2C + O2 → 2CO ili C + H2O → CO + H2generatorski
gasvodeni
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
Laboratorijsko dobijanje CO:
HCOOH ⎯⎯⎯⎯→ CO + H2OH2SO4 (konc.)
100 °C
Laboratorijsko dobijanje CO2:• žarenjem karbonata (CaCO3 → CaO + CO2)• reakcijom kiselina sa karbonatima ili bikarbonatima(2HCl + CaCO3 → CaCl2 + H2O + CO2)
• sagorevanjem C (C + O2 → CO2)
400 oC⎯⎯ →⎯Fe2O3
CO + H2O H2 + CO2
Industrijsko dobijanje CO2:
PRIMENA:• proizvodnja gaziranih pića, zaštitna atmosfera• SUVI LED: CO2(s) - sredstvo za hlađenje
CO2, ugljen-dioksid
ODNOS CO i CO2C(s) + CO2(g) 2CO(g) ΔrHө = 172 kJ mol-1
[ ][ ]2
2
c COCO
=K Kc = 1 na 975 K (700 oC)
Pojava čađi (gara) i objašnjenje proizvoda reakcije kada se C (koks) koristi kao redukciono sredstvo.
UGLJENA KISELINA, H2CO3
- 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
H2CO3 + H2O H3O+ + HCO3- Ka,1= 2,5·10-4
HCO3- + H2O H3O+ + CO3
2- Ka,2= 4,8·10-11
CO2(aq) + H2O H2CO3(aq) K = 1,7·10-3
- HIDROLIZUJU i CO32- i HCO3
-!
Najvažnije soli ugljene kiseline:Na2CO3 i NaHCO3dobijaju se SOLVEJEVIM (Solvay) POSTUPKOM
- U konc. rastvor NaCl uvodi seNH3, pa CO2
- Nastali rastvor sadrži jone:NH4
+, HCO3-, Na+, Cl-
- NaHCO3 se taloži jer jenajmanje rastvorljiv, suši se,žari i prevodi u Na2CO3
Ravnoteža između CO32- i HCO3
-:CO3
2- + CO2(g) + H2O 2HCO3-
t
HCO3-
amfolit
(s) (aq) (g)
I
II III
IV
CaCO3(s) + CO2(g) + H2O Ca(HCO3)2(aq)
2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2Ot
CIKLUS UGLJENIKA
CO2 u atmosferi
fotosinteza
ugalj ifosilna goriva
sagorevanje
ćelijsko disanje
raspadanjeaerobno raspadanjeorganskih supstanci
primarni potrošači
višipotrošači
PSEUDOHALOGENA JEDINJENJASadrže C i N povezane TROSTRUKOM vezom!
- svi pseudohalogeni su LINERNI!
- CN-, OCN-, SCN- su LIGANDIDokaz za prisustvo Fe3+-jona:Fe3+ + 6 SCN- → [Fe(SCN)6]3- crvene boje
SVI OTROVNI!!!
Najpoznatija jedinjenja i joni:HCN CN-
(cijano-vodonik, cijanovodonična kiselina) (cijanid-jon)(CN)2 (dicijan) -
- OCN-
(cijanat-jon)(SCN)2 SCN-
(tiocijan) (tiocijanat-jon)
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
SiO2 + 2C → Si + 2COt
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)
Si
O
kristalni SiO2
• pri hlađenju rastopa SiO2
nastaje pothlađena tečnost neuređene strukture – staklo, kvarcno staklo (amorfni SiO2) amorfni SiO2
- SiO2 nerastvorljiva, hemijski inertna supstanca;- reaguje sa HFSiO2(s) + 4HF(aq) → SiF4(g) + 2H2O(l)
- sporo reaguje sa rastopima baza („alkalno topljenje”)
SiO2(s) + 2NaOH(l) → Na2SiO3(l) + H2O(l)t
natrijum-silikat (ili kalijum-silikat)
- natrijum-silikat i kalijum-silikat su jedini silikati rastvorljivi u vodi, pa se nazivaju VODENO STAKLO
- dodatkom kiseline u rastvor vodenog stakla taloži se silicijumna kiselina, SiO2·xH2OPRIMENA SiO2·xH2O:• kao sredstvo za sušenje (jer ima vrlo razuđenu površinu),
„silika-gel”• kao adsorbens i nosač katalizatora
- Obično staklo: Na2O·CaO·6SiO2 (SiO2 + Na2CO3 + CaCO3)
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, ...)
Podela silikata (prema broju i načinu povezivanja tetraedara):1. Silikati sa pojedinačnim anjonima2. Silikati sa lančastim i trakastim anjonima3. Silikati sa slojevitom strukturom4. Silikati sa trodimenzionalnom strukturom
Silikati se prikazuju pomoću tetraedarskih SiO4-jedinki
Si je u silikatima tetraedarski okružen sa 4 atoma O
1. Silikati sa pojedinačnim (diskretnim) anjonima
SiO44-
Si2O76-
Si3O96-
Si6O1812-
2. Silikati sa lančastim i trakastim anjonima
SiO32-
Si4O116-
Si2O52-
3. Silikati sa slojevitom strukturom (nastaju međusobnim povezivanjem traka Si4O11
6- ili traka Si2O5
2-)
• deo Si je često zamenjen Al: ALUMINOSILIKATI• između slojeva se mogu naći: voda, joni metala, oksidi,hidroksidi
Slojevita struktura KAl2[AlSi3O10][OH]2
AZBEST TALK
Raspored slojeva kod azbesta i talka
• 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
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 njihovapovršina prevlači zaštitnim slojem oksida (pasiviranje)
Alotropske modifikacije Sn: „sivi” i „beli” Sn„sivi” Sn „beli” Sn
13 °C
nemetalnasvojstva
metalnasvojstva
Primena:- Legure za lemljenje (niske TT), zaštita od zračenja- Beli lim (kalajisani gvozdeni lim za izradu konzervi)
Eө(Zn2+/Zn) = -0,76 V
Eө(Fe2+/Fe) = -0,44 V
Eө(Sn2+/Sn) = -0,14 V
Najznačajnija jedinjenja: OKSIDISnO2 – komponenta glazure u industriji keramikePbO – najstabilniji oksidPb3O4 – minijum (2PbO·PbO2), mešoviti oksidPbO2 – 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
PbO2(s)
Pb2+(aq)
Talog se tretira koncentrovanom HClPbO2(s) + 4HCl(konc.) → PbCl2 + Cl2(g) + 2H2O(l)
Rastvor se tretira I- ili Cl- ili CrO42- ili SO4
2--jonimaPb2+(aq) + 2I-(aq) → PbI2(s)Pb2+(aq) + 2Cl-(aq) → PbCl2(s)Pb2+(aq) + CrO4
2-(aq) → PbCrO4(s)Pb2+(aq) + SO4
2-(aq) → PbSO4(s)