Si posle kiseonika najrasprostranjeniji SiO 2 i silikati

Transcript

1 GRUPA UGLJENIKA

2 GRUPA UGLJENIKA Si posle kiseonika najrasprostranjeniji SiO 2 i silikati C na 17. mestu po rasprostranjenosti u litosferi jedan od osnovnih bioloških elemenata Ge retki minerali Pb, Sn u obliku mineralnih ruda

3 GRUPA UGLJENIKA Grupa velikog kontrasta između 1. i 2. člana Nemetal Metaloidi Metali C, Si, Ge, Sn, Pb χ = 2,5 1,8

4 GRUPA UGLJENIKA Elektronska konfiguracija ns 2 np 2 maksimalni oksidacioni broj IV Tipični oksidacioni brojevi IV kod C isključivo (izuzetak CO), Si, Ge kovalentne veze II, IV Pb, Sn ne postoje joni E 4 i E 4+ C jedini gradi višestruke veze

5 GRUPA UGLJENIKA Tipični oksidacioni brojevi Oksidaciono stanje IV C, Si, Ge grade kovalentne veze ne postoje joni E 4 i E 4+ C jedini gradi višestruke veze hidridi + sposobnost katenacije energija veze C C 348 kj/mol C n H 2n+2 Si n H 2n+2 (n=8) Ge n H 2n+2 (n=5) Sn n H 2n+2 (n=2) (izuzetno veliko n) ugljovodonici stabilni nestabilni, sponatno se pale (veći radijus atoma i polarnost veze E H) hidridi 14. grupe su neutralne supstance

6 GRUPA UGLJENIKA Tipični oksidacioni brojevi Oksidaciono stanje II sa porastom Z raste stabilnost ovih jedinjenja Sn II i Sn IV podjednako stabilni Pb II mnogo stabilniji od Pb IV (jaka oksidaciona sredstva) pretažan udeo kovalentnog karaktera E(OH) 2 hidroksidi su amfoterni (mada više bazni)

7 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ALOTROSKE MODIFIKACIJE UGLJENIKA dijamant grafit grafen amorfni C fuleren C nanocev

8 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ALOTROSKE MODIFIKACIJE UGLJENIKA dijamant sp 3 hibridizacija uglenika C ostvaruje četiri veze trodimenzioni raspored 154 pm tetraedar bezbojan tvrd (10 po Mosovoj skali) dobro provodi toplotu ne provodi struju PRIMENA nakit (1 karat 0,200 g) rezni alati

9 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ALOTROSKE MODIFIKACIJE UGLJENIKA grafit 335 pm 142 pm šestočlani prstenovi PRIMENA grafitne elektrode čvrsto mazivo olovke sp 2 hibridizacija uglenika C ostvaruje tri veze delokalizacija π elektrona slojevita struktura svaki drugi sloj se preklapa mekan metalnog sjaja anizotropna svojstva (različita u različitim pravcima) dobar provodnik elektriciteta reaktivniji od dijamanta (kinet.) nešto stabilniji od dijamanta

10 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ALOTROSKE MODIFIKACIJE UGLJENIKA Grafen 2D nanomaterijal (debljine 1 atom) neobična električna, mehanička, termička i dr. svojstva DOBIJANJE raslojavanjem grafita (Scotch tehnika) Nobelova nagrada za fiziku Andre Gaim i Konstantin Novoselov

11 Nobelova nagrada za hemiju Harold Kroto, Robert Curl i Richard Smalley GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ALOTROSKE MODIFIKACIJE UGLJENIKA Bakminister fulereni ili fulareni (prema arhitekti Buckminister Fuller) C 70 Postoje i C 20, C 24,C 76, C 80, C petougla (C 5 prstena) 20 šestougla (C 6 prstena) sp 2 hibridizacija C atoma DOBIJANJE u električnom luku između dve grafitne elektrode u inertnom gasu rastvorljivi u benzenu ne provode električnu struju dopovani npr. alkalnim metalima provodni

12 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ALOTROSKE MODIFIKACIJE UGLJENIKA Ugljenične nanotube Bela tačka je heksagon ugljenika Može se zamisliti kao savijeni grafitni sloj Prečnika može biti od 1 do 3 nm, dužine i nekoliko stotina mikrona poluprovodničke ili metalne DOBIJANJE industrija Katalitički raspad gasovitog izvora ugljenika PRIMENA dosta primena u procesu istraživanja poboljšanje postojećih materijala Snop ugljeničnih NT

13 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ALOTROSKE MODIFIKACIJE UGLJENIKA Amorfni ugljenik koks, čađ, aktivni ugljenik Koks zagrevanje uglja u odsustvu vazduha (suva destilacija) redukciono sredstvo u metalurgiji Čađ nepotpuno sagorevanje ugljovodonika u obliku sitnih čestica amorfnog C gumarska industrija (za ojačavanje materijala) Aktivni ugljenik kontrolisano zagrevanje org. supstanci u odsustvu vazduha velika specifična površina ( m 2 po 1 g) primenjuje se kao adsorbens Aktivni C je absorbovao sav NO 2

14 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK HEMIJA UGLJENIKA sposobnost katenacije višestruke veze višestruke veze sa O i N Organska hemija Biohemija Polimerni materijali (veliki deo) KARBIDI OKSID UGLJENA KISELINA ORGANOMETALNA JEDINJENJA PSEUDOHALOGENA JEDINJENJA

15 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK KARBIDI binarna jedinjenja sa metalima i semimetalima (manje elektronegativni od C) dobijaju se direktno u reakciji metala ili njihovih oksida sa C dele se prema tipu veze Jonski sa najelektropozitivnijim metalima; reaktivni CaO + 3C CaC 2 + CO CaC 2 + 2H 2 O C 2 H 2 (g) + Ca(OH) 2 izvor acetilena, C 2 H 2 Metalni (intersticijalni) najvažniji karbid karbidi prelaznih elemenata kod kojih je C smešten u šupljine kristalne rešetke matala Kovalentni najpoznatiji karborundum, SiC, karbid izuzetne tvrdoće

16 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK OKSIDI Ugljenik(II) oksid Ugljen monoksid CO trostruka veza velike jačine energija veze 1073 kj/mol bezbojni gas bez mirisa izuzetno otrovan kao slabo polaran malo rastvorljiv u vodi neutralan

17 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK OKSIDI Ugljenik(II) oksid Ugljen monoksid CO DOBIJANJE u laboratoriji dehidratacija mravlje kiseline H 2 SO 4 (konc.) HCOOH CO + H 2 O u industriji 100 C C(s) + H 2 O(g) H 2 (g) + CO(g) generatorski gas 2C(s) + O 2 (g) 2 CO(g) vodeni gas ili sintetski gas

18 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK OKSIDI PRIMENA Ugljenik(II) oksid Ugljen monoksid CO kao redukciono sredstvo za zagrevanje (generatorski gas) 2CO + O 2 2CO 2 Δ r H = 566 kj mol 1 u reakciji sa hlorom CO + Cl 2 COCl 2 fozgen izocijanati

19 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK OKSIDI Ugljenik(IV) oksid Ugljen dioksid CO 2 bezbojni gas bez mirisa nije otrovan inertan rastvorljiv u vodi kiseo

20 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK OKSIDI Ugljenik(IV) oksid Ugljen dioksid CO 2 DOBIJANJE u laboratoriji žarenjem karbonata i hidrogenkarbonata CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) reakcijom kiselina sa karbonatima ili bikarbonatima 2HCl + CaCO 3 (s) CaCl 2 + H 2 O + CO 2 (g) sagorevanjem C C + O 2 CO 2 (g) u industriji tretiranje vodenog gasa vodenom parom kao sporedni proizvod pri proizvodji drugih supstanci

21 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK OKSIDI Ugljenik(IV) oksid Ugljen dioksid CO 2 PRIMENA sredstvo za gašenje požara prehrambena industrija (konzerviranje hrane, gazirana pića) ekstrakcije nadkritičnim CO 2 suvi led (sublimacija čvrstog CO 2 na 78,5 o C)

22 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK UGLJENA KISELINA H 2 CO 3 CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 (aq) K a,1 = 1, (0,4 %) H 2 CO 3 + H 2 O H 3 O + + HCO 3 K a,1 = 2, K a,1 = 4, HCO 3 + H 2 O H 3 O + + CO 2 3 K a,2 = 4, Koristiti! slaba kiselina soli hidrolizuju

23 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK UGLJENA KISELINA H 2 CO 3 soli: karbonati, hidrogenkarbonati karbonati su teško rastvorljivi u vodi sem karbonata alkalnih metala u prirodi: kalcit CaCO 3 dolomit CaMg(CO 3 ) 2 magnezit MgCO 3 hidrogenkarbonati su dobro rastvorljivi u vodi sem NaHCO 3 Ravnoteža između karbonata i hidrogenkarbonata CO CO 2 (g) + H 2 O 2HCO 3 t

24 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK UGLJENA KISELINA H 2 CO 3 dobijanje Na 2 CO 3 i NaHCO 3 Solvejev postupak Na + + HCO 3 NaHCO 3 (s) I IV Taloženje NaHCO 3 Sušenje i žarenje Na 2 CO 3 2NaHCO 3 (s) Na 2 CO 3 (s) +CO 2 (g) + H 2 O(g) Uvođenje CO 2 i NH 3 Ca(OH) 2 + 2NH 4 Cl 2NH 3 (g) + CaCl 2 + 2H 2 O II (s) (aq) (g) III PRIMENA industrija stakla proizvodja sapuna

25 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK ELEMENTORGANSKA JEDINJENJA ORGANOMETALNA JEDINJENJA jedinjenja kod kojih postoji veza E C (pr. H 3 C Hg CH 3 ) na granici organske i neorganske hemije često nestabilna, zapaljiva, eksplozivna jedinjenja PSEUDOHALOGENA JEDNINJENJA sadrže grupu C N ili grupu E CN H CN cijanovodonična kiselina E: O, S, Se, Te pseudohalogenid joni su stabilniji od pseudohalogena CN cijanid jon OCN cijanat jon SCN tiocijanat jon otrovna jedinjenja

26 GRUPA UGLJENIKA UGLJENIK UGLJENIK U PRIRODI Kruženje ciklus C u prirodi uključuje biološki svet, organske i neorganske prirodne materije Zagađenje CO 2 povećana emisija ljudskom aktivnošću efekat staklene bašte

27 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM SILICIJUM srebrnastosivi, metalnog sjaja poluprovodnik dobijanje redukcija SiO 2 koksom SiO C Si + 2 CO čistoće 98 % za potrebe elektronike (primese < at.%) tretiranje sirovog Si 1) Si(s) + 3 HCl(g) SiHCl 3 (g) + H 2 (g) redukcija cinkom 2) Zagrevanje Sirovi Si Rastop Čisti Si T t = 1420 o C zonalana rafinacija

28 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV karakteristična je sp 3 hibridizacija i veza Si O silicijum(iv) oksid silicijum dioksid SiO 2 postoji u više kristalnih modifikacija najvažnija je α kvarc ne postoji u obliku pojedinačnih molekula; gradi trodimenzione mreže čvrsta, tvrda supstanca T t = 1600 o C (uporediti sa CO 2 ) piezoelektrični materijal Si O Ukoliko hlađenjem izostane formiranje pravilne kristalne strukture (npr. naglim hlađenjem) amorfni SiO kristalni SiO 2 2 Podhlađena tečnost STAKLO Staklasto, neuređeno stanje

29 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV silicijum(iv) oksid SiO silicijum dioksid 2 inertan i nerastvorljiv materijal reaguje sa HF: SiO 2 (s) + 4HF(aq) SiF 4 (g) + 2H 2 O(l) prevođenje u rastvor alkalno topljenje (reakcija sa rastopima baza i karbonata alkalnih metala) t SiO 2 (s) + 2NaOH(l) Na 2 SiO 3 (l) + H 2 O(l) Rastvorljiv silikat vodeno staklo natrijum silikat (ili kalijum silikat) dodatak kiseline SiO 2 xh 2 O dehidratacija silika gel silicijumna kiselina STAKLA (obična): amorfni silikat približne formule Na 2 O CaO 6SiO 2

30 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV SiO 2 xh 2 O silicijumna kiselina slabo rastvorljive slabe kisline H 4 SiO 4 lako kondenzuje dajući polimerne oblike anjoni su stabilni silikati čine 95 % Zemljine kore: zemlja, glina, pesak, stene osnovna strukturna jedinica silikata: SiO 4 4 silikat jon ortosilikat jon

31 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV SILIKATI Podela silikata Silikati sa pojedinačnim anjonima Silikati sa lančastim i trakastim anjonima Silikati sa slojevitom strukturom Silikati sa trodimenzionalnom strukturom

32 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV SILIKATI Silikati sa pojedinačnim anjonima SiO 4 4- nezosilikati Zr[SiO 4 ] cirkon Al 2 [(OH,F) 2 SiO 4 ] topaz Si 2 O 7 6- sorosilikati ciklični silikati Si 3 O 9 6- (SiO 3 ) n 2n

33 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV SILIKATI Silikati sa lančastim i trakastim anjonima inosilikati Osnovna jedinica [SiO 3 ] 2 Osnovna jedinica [Si 4 O 11 ] 6

34 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV SILIKATI Silikati sa slojevitom strukturom filosilikati Osnovna jedinica [Si 2 O 5 ] 2 između slojeva se mogu naći: voda, joni metala, oksidi, hidroksidi Mg 3 (Si 2 O 5 )(OH) 4 Mg 3 (Si 2 O 5 )(OH) 2 najvažnija grupa slojevitih silikata su gline mineral krizotil beli azbest talk

35 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV SILIKATI Silikati sa trodimenzionalnom strukturom Povezivanje tetraedara [SiO 4 ] 4 u trodimenzione strukture pri čemu jedan kiseonik dele dva tetraedra tektosilikati ALUMOSILIKATI Jedan deo Si zamenjen aluminijumom

36 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM OKSIDACIONI BROJ IV SILIKATI Silikati sa trodimenzionalnom strukturom feldspati pr. ortoklas K[AlSi 3 O 8 ] zeoliti Alumosilikati porozne strukture PRIMENA adsorbesi jonoizmenjivači nosači katalizatora

37 GRUPA UGLJENIKA SILICIJUM POLISILOKSANI SILIKONI Polimeri na bazi silicijuma Osnovna jedinica poli(dimetilsiloksani) viskozne tečnosti umreženi gume inertni hidrofobni elastični netoksični termički otporni

38 GRUPA UGLJENIKA KALAJ I OLOVO srebrnastobeli, meki metali niske temperature topljenja lako se pasiviraju (slojem oksida ili neke soli) OKSIDACIONI BROJ II SnO oksidi i hidroksidi imaju amfoterna svojstva PbO većina soli Pb(II) je slabo rastvorljiva u vodi jedinjenja olova, kao i olovo su vrlo toksični OKSIDI OLOVA Pb 3 O 4 PbO PbO 2

39 GRUPA UGLJENIKA KALAJ I OLOVO OKSIDACIONI BROJ IV OKSIDI OLOVA PbO 2 jako oksidaciono sredstvo PbO H + +2e Pb H 2 O E = 1,69 V primenjuje se kao oksidans Pb 3 O 4 minijum mešoviti oksid 2PbO PbO 2 Pb 3 O 4 (s) + 4HNO 3 (razbl.) 2Pb(NO 3 ) 2 (aq) + PbO 2 (s) + 2H 2 O(l) + I / Cl / SO 2 4 PbI 2 /PbCl 2 /PbSO 4 (s)