14. skupina

Skupiny a prvky

14. skupina: významné prvky

• Uhlík (C) a křemík (Si): Mají klíčovou roli v organické chemii a materiálech.

  • Uhlík je základem organických molekul a tvoří širokou škálu sloučenin, od jednoduchých (např. methan) po složité biomolekuly (např. DNA).

• Křemík je důležitý pro polovodičové technologie a také se vyskytuje v silikátech, které tvoří základní stavební bloky mnoha geologických materiálů.

Alotropní modifikace uhlíku

• Různé formy uhlíku a jejich vlastnosti:

  • Grafit: Má strukturu vrstveného uspořádání, což dovoluje snadné klouzání vrstev, což přispívá k jeho vlastnostem jako maziva. Teplota tání: 3650 °C.

  • Fullereny: Zvláštní struktury, které mají molekulární formu a vynikající schopnost stabilního uložení elektronů. Teplota tání: 600 °C.

  • Diamant: Nejkvalitnější forma uhlíku s extrémně silnými vazbami, což mu dává jeho tvrdost. Teplota tání: 3820 °C.

Vazebné energie a energie řetězení

• Porovnání vazebných energií různých prvků:

  • Uhlíkové vazby jsou energeticky velmi stabilní.

  • Ukazatelé vazebných energií:

    • C—C: 350 kJ·mol−1

    • Si—Si: 200 kJ·mol−1

    • Ge—Ge: 160 kJ·mol−1

    • Sn—Sn: 151 kJ·mol−1

• tendence k řetězení – C >> Si ≈ Ge > Sn ≈ Pb

Oxidy uhlíku

• Různé formy oxidů uhlíku:

  • CO (oxid uhelnatý): jedovatý plyn, který vzniká při nedokonalém spalování uhlíku.

    • HCOOH → CO + H2O (katalýza H2SO4)

    • CO + OH- → HCOO-

  • CO2 (oxid uhličitý)

    • CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

Funkční deriváty kyseliny uhličité

• Důležité sloučeniny zahrnují fosgen (COCl2) a močovinu (NH2CONH2), které hrají klíčovou roli ve farmaceutickém průmyslu.

Freony

• Zvláštní skupina sloučenin, které se dříve používaly jako chladící prostředky, ale byly nahrazeny kvůli své destrukci ozonové vrstvy.

• CCl4 + HF → CFCl3 + HCl

Karbidy a acetylidy

• Obsahují elektropozitivní prvky a mají různé aplikace ve výrobě a syntézách v chemickém průmyslu.

• Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

• CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + H–C≡C–H

Srovnání CO2 a SiO2

• Analýza vazebných energií:

  • C—O: 340 kJ, C=O: 800 kJ

  • Si—O: 370 kJ, Si=O: 640 kJ

Struktura SiO2

• Různé formy oxidu křemičitého: Může existovat v různých krystalických strukturách jako křemíkový oxid (SiO) nebo v amorfní formě.

• Diamantová a křemíková struktura: SiO, β-kristobalit.

Silikagel

• granulovitá, pórovitá forma oxidu křemičitého (SiO2) vyráběná synteticky z křemičitanu sodného. Je vysoce porézní, kolem 800 m2/g, což mu umožňuje snadno adsorbovat vodu.

• Na2SiO3 + H2SO4 + H2O → Na2SO4 + H4SiO4 → SiO2 x H2O

Křemičitany (silikáty)

• Základní stavební jednotka: Tetraedr SiO4 2-, jejich struktura závisí na spojení Si-O-Si.

• Různé struktury: Může mít řetězovité (pyroxeny) a vrstevnaté struktury (azbesty), což ovlivňuje vlastnosti silikátů.

Polysiloxany

• Me2SiCl2 + 2H2O Me2Si(OH)2 + 2HCl

• konjugací Me2Si(OH)2 za odštěpení vody vznikají polymery

• funkčnost monomeru = počet funkčních (reaktivních) skupin

Význam Si a jeho sloučenin

• silikony (materiály na bázi siloxanů)

• Si - polovodiče

• hlinitokřemičitany živce (KAlSi3O8), jíly (keramika), zeolity (molekulová síta apod.

• cementy

Skla

• složení běžného skla přibližně: Na2O . CaO . 6SiO2

• přísady ovlivňují

  • teplotní roztažnost - B2O3, Al2O3

  • chemickou odolnost - B2O3, K+

  • zbarvení - FeIII, CrIII, CoII

• účinek HF: SiO2 + 6HF → SiF62− + 2H3O+

Inertní pár

• Inertní elektronový pár je koncept, který vysvětluje nižší tendenci prvků šesté a sedmé periody dosahovat vyšších oxidačních čísel. Lze to ilustrovat např. na stabilitě sloučenin prvků 13. skupiny v oxidačním stavu I.

• Toto je způsobeno tím, že 6s elektrony jsou silněji poutány k atomovému jádru a jejich excitace je proto energeticky náročnější