Tetrely – prvky IV.A skupiny

1. 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

2. 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

3. 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

4. kalcit

5. aragonit

6. dolomitové skály

7. vápenec

8. těžba mramoru

9. 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 + 2COSiC → 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

10. vlevo šesterečná krystalová mřížka grafitu, vpravo grafit

11. 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

12. 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

13. těžba diamantů – Mirna, Rusko

14. průměr dolu 1,25 km, hloubka 525 m

15. letecký pohled na lokalitu

16. pohled na lokalitu z družice

17. - 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

18. vlevo kubická krystalová mřížka diamantu, vpravo diamant

19. 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

20. 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

21. sloučeniny: • chlorid uhličitý • bezbarvá kapalina příjemného zápachu • využití – rozpouštědlo

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

23. 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

24. acetylid vápenatý • vyrábí se endotermickou reakcí vápna s koksem:CaO + 3C → CaC2 + CO ( t = 2200 – 2250°C) • bezbarvá pevná látka • využití - výroba acetylenu

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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)

29. kyselina uhličitá • vzniká reakcí vody s oxidem uhličitým:CO2 + H2O → H2CO3 • čistá kyselina není známa • vodný roztok se chová jako slabá dvojsytná kyselina

30. 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

31. křemík (14 Si) • výskyt: • druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře • nachází se ve sloučeninách s kyslíkem viz minerály, horniny

32. křemík

33. 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

34. fyzikální vlastnosti: • modrošedý polokov, velmi tvrdý • chemické vlastnosti: • odolává vodným roztokům kyselin • lučavkou královskou je oxidován na kyselinu křemičitou

35. využití: • solární články

36. solární článek – zvětšeno, solární panely – vpravo

37. 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

38. karbid křemíku - karborundum • vyrábí se redukcí SiO2 přebytkem koksu v elektrické obloukové peci při 2000 až 2500°C: SiO2 + 2C → Si + 2COSi + C → SiC • tepelně stálý, tvrdý • využití – brusný materiál

39. brusný kotouč z karborundu

40. 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 hydroxidechSiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

41. křišťál

42. růženín

43. ametyst

44. citrín

45. opál

46. 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.)

47. silikagel používaný jako vysoušecí látka

48. 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)

49. 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

50. 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