14. skupina Flashcards
elementi 14. skupine
značilnosti
C ogljik
Si silicij
Ge germanij
Sn kositer
Pb svinec
-po skupini navzdol narašča kovinski značaj (Si in Ge polprevodnika, Sn in Pb kovinske lastnosti)
-pomembni skupini spojin: organske spojine (C) in silikati (Si + O)
razlog: močne enojne vezi C-C (najmočnejša za H-H) in Si-O
tvorba vezi
4 valenčni elektrini s2p2
1) sprejem elektronov: le pri C in Si (edina dovolj nekovinska) z močno elektropozitivnimi elemeti (C2”2- , C”4-, Si”4-)
2) oddajanje elektronov: pri C ni znano, Si Ge redko, Sn in Pb obstajata kot dvo in štirivalentna kationa
3) kovalentne vezi: praviloma 4 (sp3 hibridizacija=, od Si navzdol možnih 6 kovalentnih vezi (oktaedrična koordinacija)
vezi lahko tudi dvojne ali trojne
C viri in pridobivanje
viri ogljika: premog, nafta, les, minerali
suha destilacija lesa → amorfni ogljik (oglje, koks, saje)
iz tega dobimo grafit v elektropečeh preko SiC
Si + C(saje) → SiC (2 000 C)
SiC → Si + C(grafit) (2 200 C)
uporaba grafita za elektrode
Si viri in pridobivanje
Si za kisikom drugi najpogostejši element zemeljske skorje
pridobivanje iz dioksida po redukciji z ogljikom pri 2 500C → amorfni silicij
SiO2 + 2C → Si + 2CO
aluminotermična reakcija (kristalični Si, ki se ne topi v kislinah)
SiO2 + Al → Si + Al2O3
čiščenje za pridobivanje izredno čistega polprevodniškega Si
Si + Cl2 → SiCl4
čiščenje z destilacijo, nato reducirajo nazaj do Si
SiCl4 + H2 → Si + HCl
sledi še consko taljenje/ conska rafiniracija, klado Si predalijo v obročasti peči po celi dolžini, nečistoče se koncentrijajo v talini, dobijo Si kot čist monokristal
Si značilnosti
Si kristalizira v diamantnem strukturnem tipu
nereaktiven element
v kislinah se ne raztaplja (razen HF → plin SiF4)
pri višjih temp. reagira z razt. ali talino ionskih hidroksidov
Si + NaOH + H2O→ Na2SiO3 + H2
Si zrcalo
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Ge viri in pridobivanje
Ge v naravi zelo razpršen
pridobivajo iz germanita (Cu6FeGe2S8)
iz njega v zmesi HNO3 + H2SO4 → GeO2
ta se pri 1000C reducira z vodikom do germanija
čiščenje poteka preko GeCl4
z vodo pretvorba do GeO2 in redukcija z vodikom
Ge ima podobne lastnosti kot Si
Sn pridobivanje
alotropne modifikacije
Iz kasiterita SnO2 z redukcijo z ogljikom
SnO2 + 2C → Sn + 2CO
alotropne modifikacije:
alfa Sn: sivi prah (diamantna struktura) 13C
beta Sn: kovinsko bele barve, uporaben v tej obliki
gama Sn: zelo krhek 161C
zlitine kositra
Cu + Sn → bron
91% Cu, 9%Sn, sledovi P
Pb + Sn → cin
30% Pb, 60% Sn
reaktivnost Sn
HCl
NaOH
Sn bolj reaktiven kot Si in Ge
reagira z močnimi kislinami in ionskimi hidroksidi
Sn + HCl → SnCl2 + H2
Sn + NaOH + H2O → Na2[Sn(OH)6] + H2
Pb viri in pridobivanje
Pb je kovina pridobivanje iz galenita (PbS) s praženjem
rezultat ni oksid kot običajno! ampak PbO in PbSO4
PbS + O2 → PbO + SO2
PbS + O2 → PbSO4
PbS + PbO → Pb + SO2
PbS + PbSO4 →Pb + SO2
majhen izkoristek, povečamo z redukcijo z ogljikom ter dodatkom kremena in apna
PbSO4 + C → PbS + CO
PbO + CO → Pb + CO2
PbSO4 + SiO2 → PbSiO3 + SO2 + O2
PbSiO3 + CO + CaO →Pb + CaSiO3 → CO2
alotropije
C :
-saje
-grafit (plasti, polikondenziran sistem)
-diamant
-fulereni (vedno 12 petkotnikov + šestkotniki → žogica; topni v benzenu ali toluenu)
Sn tri modifikacije
pri ostalih elementih pa le po ena
reakcije fulerenov
hidrogeniranje → C60H18, C60H36
fluoriranje → C60F46, C60F48
reakcije fulerenov z alkalijskimi kovinami (vgradijo se v praznine, običajno poveča strukturo in prevodnost)
MnC60 (n=1 M=Rb, Cs; n=2,3,4,6 M= Na, K, Rb, Cs)
karbidi
sinteza
karbidi (ionski, kovalentni, intersticijski)
sinteza:
-direktna reakcija elementov na 2000C
-z reakcijo kovinskega oksida z C (visoka T)
-z reakcijo razžarjene kovine z ogljikovodikom
-z reakcijo etina s kovinami v tekočem NH3
ionski karbidi
C”4- karbidni ion
Be2C, Al4C3
sproščajo metan
Al4C3 + 12H2O → Al(OH)3 + CH4
C2”2- aacetilidni ion (iz acetilena)
elementi 1. in 2. skupine (razen Be in Mg) ter Zn in Cd
sproščajo acetilen
CaC2 + H2O → C2H2 + Ca(OH)2
kovalentni karbidi
SiC karborund
BC najtrša znana snov
intersticijski karbidi
-4d in 5d elementi prehoda
C atomi s vgradijo v oktaedrične praznine
povečajo gostoto, tališče, trdoto
-3d elementi prehoda
vrzeli premajhne za vgraditev C atomov
strukture so popačene
med kovino in C kovalentne vezi
silicidi
sinteza:
neposredno iz elementov
-z redukcijo SiO2 s kovino v prebitku
-silicidi reagirajo s kislinami
Si”4- ion : Mg2Si, Ca2Si
(Si”2-)x ion → verige CaSi
(Si”-)x ion → plasti CaSi2
spojine z vodikom- ogljikovodiki
priprava iz anorganskih spojin:
CaO + C → CaC2 (segrevanje apna z ogljem brez zraka)
CaC2 + H2O →CaO + C2H2 (CaC2 z vodo sprošča etin oz. acetilen)
spojine z vodikom- silani
nastanek
reakcija z vodo
reakcija na traku
silani SinH2n+2
iz silicidov v kislem:
Mg2Si + HCl → MgCl2 + SiH4 (na zraku se spontano vžgejo)
hidriranje klorida:
SiCl4 + Li[AlH4] → SiH4 + LiCl + AlCl3
vedno nastane zmes silanov
obstojnost pada z dolžino verige
reagirajo z vodo v alkalnih raztopinah
SiH4 + H2O → SiO2 + H2
na zraku se zmes silanov vžge
SiH4 + O2 → SiO2 + H2O
spojine z vodikom
Ge, Sn in Pb
germani (do n=5) in stanana (SnH4, Sn2H6) podoben nastanek kot silani (iz germanidov v kislem)
plumban PbH4 nastane le v sledovih na Pb elektrodi kjer se razvija vodik
oksidi in oksospojine ogljika
pri gorjenju na zraku nastaneta CO2 in CO
manj pogosti oksidi (anhidrida malonove in melitne kisline C3O2 in C12O9)
dve tehnološko pomembni ravnotežji:
2CO(g) ⇿ C(s) + CO2(g)
pri 400C prisoten samo CO2, pri 1000C pa samo CO
vodni plin:
C(s) + H2O(g) → H2(g) + CO(g)
CO(g) + H2O(g) → H2(g) + CO2(g)
ogljikov dioksid
z močnimi reducenti
topi v vodi
pridobivanje iz karbonatov
z močnimi reducenti reagira pri višjih temp.
CO2 + Mg → C + MgO
v vodi se dobro topi
CO2 + H2O → H2CO3 počasna reakcija (H2CO3 nastane za zelo kratek čas, takoj reagira z vodo)
prva stopnja protolize te kisline je zelo hitra
H2CO3 + H2O ⇿ H3O+ + HCO3-
ogljikova kislina srednje mčna
glede celotne množine raztopljenega CO2 pa je šibka kislina
derivati ogljikove kisline
topnost
ravnotežje med karbonati in hidrogenkarbonati v vodi
karbonati (soli ogljikove kisline)
nastanek CO2 + baza
v laboratoriju uporabni za pridobivanje oksidov (če segrevamo) in pridobivanje raznih soli (s kislinami, ker je CO2 zelo šika kislina)
topni samo alkalijski karbonati in (NH4)2CO3
hidrogen karbonati topni razen NaHCO3
CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2
raztapljanje in odlaganje apnenca v naravi
natrijev karbonat (soda)
pridobivanje /ekonomični industrijski postopek)
vhodne surovine NaCl, CaCO3, NH3 (ki se ne porablja) in H2O (ki se tudi formalno ne porablja)
najprej iz apnenca dobio CO2 in gašeno apno
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + H2O → Ca(OH)2
CO2 uvajamo v nasičeno raztopino NaCl in amoniaka, slabo topni natrijev hidrogenkarbonat odfiltriramo
NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl
pri 200C nastaja soda, CO2 gre nazaj v postopek
NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2
regeneracija amoniaka, kalcijev klorid je odpadek
NH4Cl + Ca(OH)2 → NH3 + CaCl2 + H2O
sumarno:
NaCl + CaCO3 → Na2CO3+ CaCl2
ogljikov oksid
pridobivanje v laboratoriju
značilnosti
izosteričnost
reaktivnost (z Cl2 in H2)
CO: anhidrid mravljinčne kisline
laboratorijsko pridobivanje:
HCOOH → CO + H2O (75C + konc. H2SO4)
krvni strup
slabo topen v vodi
reducent
gori s svetlomodrim plamenom
CO izosteren z N2 (izosternost= enako št. atomov in elektronov)
CO bolj reaktiven kot N2, ker je polarna snov
CO + Cl2 → COCl2 fozgen
CO + 2H2 → CH3OH (visok tlak, ZnO + Cr2O3)
CO + H2 → zmes ogljikovodikov (180C, vplinjanje premoga)
silicijeve kisline
pridobivanje
značilnosti
pridobivanje:
-reakcija SiCl4 z vodo
SiCl4 + H2O → H4SiO4 + HCl
-reakcija topnih silikatov (npr. Na2SiO3, ki ga dobimo s taljenjem sode in SiO2) s kislino
Na2SiO3 + HCl +H2O → H4SiO4 + NaCl
H4SiO4
neobstojna
hitro polikondenzira: nastanejo verige, obroči, plasti…
posušen gel polisilicijevih kislin= silikagel
za sušenje plinov, vlago adsorbira, v kapilarah pa kondenzira
končni produkt polikondenzacije polisilicijevih kislin je SiO2
silicijev dioksid SiO2
reakcija s kislinami
reakcija s hidroksidi
polimorfne modifikacije
SiO2 (kremenčev pesk) zelo obstojna snov
-ne reagira s kislinami razen z HF
SiO2(s) + HF(g) → SiF4(g) + H2O(l)
-reagira s hidroksidi v talinah
SiO2(l) + NaOH(l) → Na2SiO3(l) + H2O(g)
polimorfne modifikacije:
alfa in beta kremen
alfa in beta tridimit
alfa in beta kristobalit
silikoni
silikoni imajo organski ostanek
silikat in silikoni hrbtenica enaka vendar:
silikat: še kisiki
silikoni: namesto kisikov organske spojine
OH skupine v polisilicijevih se zamenjajo z alkilnimi skupinami
-olje, guma, mehke in trdne mase
-zelo obstojne snovi uporabne tudi pri ekstremno visokih in nizkih temperaturah
(CH3)2SiCl2 + 2H2O → (CH3)2Si(OH)2 + 2HCl
(CH3)2Si(OH)2 + (CH3)2Si(OH)2 - H2O → veriga
silanoli
organski derivati silicijevih kislin
ena ali dve OH skupini se ohranita, ostale se zamenjajo z organskimi spojinami (CH3)
soli silicijevih kislin= silikati struktura
strukturno izredno raznovrstni
uporaba:
glina zmes silikatov in aluminosilikatov
keramika surovine za porcelan
cement
katalizatorji, ionski izmenjevalci- zeoliti
azbest iz silikatov
silikati: otočasti, verižni (enojne, dvojne verige), plastoviti, tridimenzionalni
trije tetraedri že lahko tvorijo obroč
steklo
steklo= amorfna podhlajena talina
sestava: Na- in Ca- silikati
dobimo s taljenjem Na2CO3/ CaCO3 + SiO2 (350-400C)
kremen sam zelo visoko tališče, če dodamo npr. CaCO3 in žgemo skupaj je tališče veliko nižje
kalijeva stekla: tališče nad 450
laboratorijska stekla: borovi in aluminijevi oksidi
okso spojine Ge
pridobivanje
lastnosti
GeO2 pridobivanje:
segrevanje germanija na zraku, oksidacija GeS
2 polimorfni modifikaciji: beta kristalobalit GeO4/2 in rutiln GeO6/3
Ge večji atom od Si, tudi koordinacija 6
bolj kovinski značaj od silicija
-se ne topi v kislinah, s konc. HCl tvori GeCl4
-reagira s hidroksidi v raztopini
-reagira s kovinskimi oksidi v talini
-tvori podobne spojine kot silicij
-ortogermaniti: verižni in plastoviti germaniti
okso spojine Sn
SnO2 kasiterit
rutilna struktura SnO6/3
delno amfoteren
SnO2 + H3O+ + Cl- → [SnCl6]’2- + H2O
SnO2 + Oh- + H2O → [Sn(OH)6]’2-
svinčevi oksidi
PbO
dve polimorfni modifikaciji
rdeča: tetragonalna- termodinamsko bolj obstojna
rumena: ortorombska
PbO2 rjave barve
Pb’4+ je že dovolj močan oksidant, obstojnost najvišjega oksidacijskega št. po skupini navzdol pada?
Pb3O4 rdečeoranžne barve (minij)
PbO amfoteren oksid
pridobivanje: oksidacija Pb na zraku→ PbO
PbO + HCl →PbCl2 + H2O
PbO + OH- →[Pb(OH)3]- trihitroksidoplumbat(1-)
PbO2 pridobivanje
značilnosti
pridobivanje: oksidacija Pb2+ soli s Cl2 ali ClO-
močan oksidant: oksidira Mn2+ → MnO4-
ne topi se v kislinah (višja valenca, manj bazične lastnosti)
topi se v vodnih raztopinah hidroksidov → [Pb(OH)6]2- heksahidroksidoplumbat(2-)
topi v talinah ionskih hidroksidov (Na2PbO3, Ca2PbO4)
na traku pri segrevanju razpade:
PbO2 300C→ (Pb12O19, Pb12O17) 370C→ Pb3O4 600C → PbO
PbO2 + kisline
spojine z oksidacijskim +2 so obstojnejše od spojin z oksidacijskim +4
PbO2 se v vročih kislinah topi in hkrati oksidira do +2
PbO2 + H2SO4 → PbSO4 + H2O + O2
PbO2 + HNO3 →Pb(NO3)2 + H2O + O2
PbO2 + HCl → PbCl2 + H2O + O2
v hladni HCl →PbCl4
Pb3O4 mešan oksid (2+ in 4+) → Pb2PbO4 svinčev(2+)tetraoksidoplumbat(4-)
Pb3O4 + HNO3 →Pb(NO3)2 + PbO2 + H2O
dva pomešana: trik: HNO3 ju presortira, iz enega naredi sol, drudi PbO2
halogenidi ogljikove spojine
dokaj inertna CF4 in CCl4
sintezi:
CaCN2 + F2 (CsF/25C)→ CF4 + CaF2 + N2
CS2 + Cl2 (Fe)→ cCl4 + S2Cl2
pomemben tudi tetrafluoroeten, ki pri polimerizaciji tvori teflon
CHCl3 + HF (HF, SbF5)→ CHClF2 + HCl
CHClF2 (700C)→ C2F4 + HCl
kloriranje CO → fosgen (derivat ogljikove kisline)
CO + Cl2 (aktivno oglje)→COCl2
halogenidi Si
SiF4 je plin, v suhi atmosferi nereaktiven
SiO2 + HF → SiF4 + H2O
SiF4 + H2O → H2[SiF6] + SiO2
H2[SiF6] močna kislina, znana sabo v raztopini
iz vodnih razt kristalizira (H3O)2[SiF6]
SiO2 + C + Cl2 → SiCl4 + CO
hkrati oksidacija in redukcija
halogenidi Ge, Pb
GeCl4 tekočine + H2O → GeO2x xHO
SnCl4 enako
GeX4, SnX4, PbX4 obstojnost pada
GeX2, SnX2, PbX2 obstojnost narašča
PbCl4 segrevanje→ PbCl2 + Cl2
sulfidi elementov 14. skupine
CH4 + S (Al2O3, 700C) → CS2 + H2
SiS4 tetraedri- povezani prek robov
pseudohalogeni
vodikov cianid
pseudohalogeni
npe. plinast cianogen (CN)2
Hg(CN)2 + HgCl2 (200C) → (CN)2 + Hg2Cl2
(CN)2 + OH- →CN- + OCN- + H2O
vodikov cianid HCN: šibka kislina
CH4 + NH3 (1200-1300C)→ HCN + H2
HCN + Na2CO3 → NaCN + H2O + CO2
silicijev nitrid
Si3N4
ogljeodporen keramični material
SiCl4 + NH3 (- 4HCl)→Si(NH2)4 segrevanje→ Si(NH)2 sefrevanje→ Si3N4
