Tetrely – prvky IV.A skupiny

Prezentace na téma: "Tetrely – prvky IV.A skupiny"— Transkript prezentace:

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 + 2CO SiC → 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
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: výroba:
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: největším výrobcem diamantů jako drahokamů je Jižní Afrika (nejvíce vyrábí Zaire) největší nalezený diamant ( ) 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 přírodní - šperky (nejdražší drahokam)
- 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 využití – palivo ve vysokých pecích saze
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 využití: živočišné 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 vzniká nedokonalou oxidací uhlíku: 2C + O2 → 2CO
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 + 2CO Si + 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 hydroxidech SiO2 + 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 alkalické křemičitany jsou ve vodě rozpustné,ostatní nerozpustné
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

51 kaolinit

52 slída

53 mastek

54 živec

55 zeolit Obecný název zeolit se používá pro přírodní tetragonální hlinitokřemičitan sodný s čistotou alespoň 80%. Nečistoty v něm obsažené pak tvoří uhličitan vápenatý a oxidy železa. Jedinečnost spočívá v tom, že prostorové uspořádání atomů vytváří kanálky a dutiny konstantních rozměrů. V těchto kanálcích se mohou zachytávat látky tuhého, kapalného a plynného skupenství. Některé kationty nejsou ve struktuře zeolitu pevně vázány a mohou být za určitých podmínek vyměňovány za jiné. Zeolit je proto hojně využíván v iontově -výměnných procesech.

56 cínovec (kassiterit) - SnO2 průmyslová výroba:
cín (50Sn) historie: cín patří k nejstarším známým kovům, v podobě bronzu byl používán již v prvních dobách lidské kultury (doba bronzová – let př. n. l.) výskyt: cínovec (kassiterit) - SnO2 průmyslová výroba: získává se redukcí cínovce uhlím (t = °C): SnO2 + 2C → Sn +2CO

57 cínovec

58 fyzikální vlastnosti: stříbrobílý lesklý kov
nepříliš tvrdý, tažný - staniol vyskytuje se ve třech modifikacích cín čtverečný cín kosočtverečný cín krychlový – šedý, práškový vzniká dlouhodobým působením teploty pod 13 °C z cínu čtverečného na cínových předmětech v muzeích nebo na varhanách způsobuje značné škody (předměty se postupně rozpadají na prach) – tento jev se nazývá cínový mor

59 cínový mor

60 kovový cín není jedovatý, protože je prakticky nerozpustný
chemické vlastnosti: při zahřívání na vzduchu nebo v kyslíku vzniká oxid cíničitý se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou a sírovou nereaguje reaguje s horkou koncentrovanou HCl, vzniká chlorid cínatý: 2HCl + Sn → SnCl2 + H2 s horkou koncentrovanou H2SO4 vzniká síran cínatý: 2H2SO4 + Sn → SnSO4 + SO2 + 2H2O reaguje se zředěnou kyselinou dusičnou: 10HNO3 + 4Sn → 4Sn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O snadno tvoří slitiny kovový cín není jedovatý, protože je prakticky nerozpustný

61 využití: bílý plech slitiny staniol
železný plech se omyje zředěnou kyselinou sírovou a pak se ponoří do roztaveného cínu bílý plech na konzervové krabice - k pocínování se smí používat cín, prostý olova často se vnitřek konzervových nádob, určených pro ovoce, pokrývá pro lepší ochranu tenkou vrstvou laku, který barví stříbrobílý plech zlatožlutě slitiny pájka - Sn/Pb bronz - Cu/Sn Sn/Sb/Cu (dekorativní a užitková slitina – kávové a čajové servisy, svícny atd.) slitina 90 až 95 % Sn s Pb s dalšími prvky je pro zvukové vlastnosti velmi ceněna při výrobě varhanních píšťal (např. varhany v londýnské koncertní síni Royal Albert Hall mají píšťal a obsahují 150 t Sn) staniol

62 sloučeniny: sulfid cíničitý - cínový bronz pevná látka světle zlaté barvy využití – nátěry ( zlacení rámů, dřevěných ozdob )

63 patří k nejdéle známým kovům, prokazatelně ho znali již staří Egypťané
olovo (82 Pb) historie: patří k nejdéle známým kovům, prokazatelně ho znali již staří Egypťané výskyt: nejrozšířenější těžký kov toto rozšíření souvisí s faktem, že tři ze čtyř přirozených izotopů olova (206Pb, 207Pb a 208Pb) vznikají jako stabilní produkty přirozených rozpadových řad galenit - PbS

64 olovo

65 galenit

66 PbS + 3/2O2 → PbO + SO2 PbO + C → Pb + CO PbO + CO → Pb + CO2
průmyslová výroba: olovo se obvykle získává z PbS praží se za omezeného přístupu vzduchu na PbO a ten se po přidání koksu a tavidla např. vápence, redukuje v šachtové peci: PbS + 3/2O2 → PbO + SO2 PbO + C → Pb + CO PbO + CO → Pb + CO2 ve všech případech olovo obsahuje nežádoucí nečistoty především Cu, Ag, Zn, Sn, As, a Sb, z nichž mnohé jsou velmi cenné

67 fyzikální vlastnosti:
kujný, modrošedý těžký jedovatý kov, nejměkčí z těžkých kovů pro jeho malou tvrdost a velkou tažnost lze olovo snadno válcovat na plech tepelná a elektrická vodivost je poměrně malá chemické vlastnosti: tvoří slitiny, se rtutí tvoří amalgám, který je při menším obsahu olova kapalný s kyselinou HCl reaguje pomalu, vzniká málo rozpustný chlorid olovnatý (PbCl2) s H2SO4 za chladu téměř nereaguje s kyselinou dusičnou reaguje prudce za uvolnění oxidů dusíku a tvorby rozpustného dusičnanu olovnatého (Pb(NO3)2)

68 využití: potrubí, obaly kabelů kyselinovzdorné povlaky nádrží a nádob ochrana proti rentgenovým paprskům a záření gama slitiny výroba akumulátorů výroba munice - jádra střel, broků, kde se slévá s malým množstvím arsenu (asi 0,3 %) závaží

69 nábojnice

70 sloučeniny: jodid olovnatý´- vylučuje se z horkých roztoků ve formě zlatolesklých šupinek tzv. „zlatý déšť“ suřík - Pb3O4 = 2PbO·PbO2 dusičnan olovnatý - dobře rozpustný ve vodě, prudký jed chroman olovnatý - chromová žluť, ve vodě velmi málo rozpustný, nátěrová hmota na značení silnic