IV.A skupina

Charakteristika skupiny a postavení v PSP (skupenství, kovový charakter).

• IV. A skupina (tetrely)
• ns 2, np 2
• C, Si (nekovy), Ge (polokov), Sn, Pb (kovy)
• pevné látky
• rozdílná struktura > vlastnosti
  • C, Si, Ge (tvrdé a křehké)
  • Sn (tažný)
  • Pb (kovové vlastbnosti)

Elektronová konfigurace – vyvození vaznosti a oxidačních čísel.

• s klesající elektronegativitou od C roste kovový charakter
• 4 valenční elektrony
• ns 2, np 2, vždy excitují
• 2 vazné > 4 vazné (obvykle)

oxidační čísla

• max +IV, +II
• min –IV (C, Si s kovy – karbidy a silicidy)
• ve skupině klesá stálost vyšších ox. čísel C^IV, Pb^II

Výskyt

volně

• C (diamant, grafit)

vázaně

• CaCO₃ – kalcit/aragonit
• MgCO₃ – magnezit
• CaCO₃* MgCO₃ – dolomit
• FeCO₃ – siderit
• SiO₂ – křemen, křemičitany (ametyst, záhněda, citrín, růženín, křišťál)
• SnO₂ – cínovec, kasiterit
• PbS – galenit

Charakteristika jednotlivých prvků.

C – uhlík

• biogenní prvek
• málo reaktivní
• redukční činidlo (výroba kovů z oxidů)
• max 4 vazný
• řetězení > tvorba násobných vazeb
• rozkladem organických sloučenin za nepřístupu vzduchu

Sn – cín

• SnO₂: cínovec (kasiterit)
• stříbrolesklý tažný kov, tenká fólie – staniol
• odolný proti vodě, kyselinám, zásadám
• z oxidu cíničitého
• pocínování, slitiny (bronz = cín + měď)
• oxid cíničitý – smalty

Pb – olovo

• PbS: galenit
• šedý měkký kov
• na vzduchu se pokrývá oxidem olovnatým
• nerozpouští se ve zředěných kyselinách a kyselině dusičné
• obaly kabelů, elektrody akumulátorů, ochranné obaly před RTG zářením
• jedovaté sloučeniny

Si – křemík

• křemen (oxid křemičitý)
• výroba skla
• tmavošedá, kovově lesklá, tvrdá, křehká krystalická látka
• struktura podobná diamantu – méně pevné vazby
• většinou 4 vazný
• málo reaktivní, rezistentní vůči kyslinám (x HF)
• křemičitany:
  • hlinitokřemičitany (živce) > zvětrávání kaolinit > kaolín – výroba porcelánu
  • tavením oxidu křemičitého s hydroxidy a uhličitany alkalických kovů
  • různé struktury
  • keramika, cement
• křemičitany + hlinitokřemičitany > 95% zemské kůry (Si, Al – sial)
• kyselina tetrahydrogenkřemčitá > gel > silikagel (absorpční vlastnosti, laboratoře)
• silicidy: sloučeniny křemíku s kovy (Li₃Si, CaSi₂)
• silany: sloučeniny křemíku s vodíkem, samozápalné a velmi reaktivní
• silikony: syntetické – polymerní, tepelná odolnost, hydrofobní, mazací oleje, nátěrové hmoty, izolační materiál
• křemičité halogenidy: těkavé, SiF₄
• oxid křemičitý SiO₂
  • pevná, tvrdá, chemicky odolná l.
  • prostorová struktura
  • odolný (x HF> leptá sklo)
  • písek: kristalicky znečištěný křemen

Krystalické a amorfní formy uhlíku a jejich využití.

1. krystalické

diamant

• kubická soustava
• leštěný > briliant
• 4stěny, tetraedrické uspořádání
• 4 kovalentní vazby – nejtvrdší látka na světě

grafit

• šesterečná soustava
• ve vrstvě 3 vazby, mezi vrstvami slabá Van der Walsova (stírání, psaní)
• zbývá 1 valenční elektron > vodivost
• tužky, elektrody, mazadla

fullereny

• složen ze 6 a 5ti členných cyklů, jako fotbalový míč,
• dovnitř lze zabudovat menší molekulu > nanovlákna, jako přenašeči látek

2. amorfní
   • saze: barvivo, výroba pryže
   • koks: palivo, vysoká výhřevnost, redukční činidlo při výrobě Fe
   • aktivní uhlí: velký absorpční povrch – nachytávání částic a mikroorganismů – filtry, živočišné uhlí (Carbosorb) – průjmy, otravy; čištění vody

Bezkyslíkaté sloučeniny uhlíku – karbidy. Významné oxidy uhlíku, jejich příprava.

1. bezkyslíkaté
   • uhlovodíky: nejrozšířenější
   • karbidy C^-IV: karbid vápenatý: CaC_{2 (nestechiometrický, nevycházejí ox.čísla),} > výroba acethylenu (CH—CH) svařování, SiC: karbid křemičitý – karborundum – brusné kotouče
   • sulfid uhličitý CS₂ – sirouhlík, rozpouštění nepolárních látek (saze, oleje), výroba viskózovaného hedvábí, bezbarvá jedovatá kapalina, nerozpustná ve vodě
   • kyanidy (CN)^-I: KCN – kyanid draselný – cyankáli, jedy, destilací z pecek meruněk/hořkých mandlí, HCN – kynovodík: bezbarvá kapalina rozpustná ve vodě, prudce jedovatý, ochrnutí dýchacího centra > kyselina kyanovodíková > kyanidy
   • halogenidy: CCl₄ chlorid uhličitý – nepolární rozpouštědlo
2. kyslíkaté
   • oxidy: CO, CO₂
   • kyseliny: H₂CO₃ > CO₂ ve vodě (sifon, bublinkové vody)
   • soli: uhličitany (CO₃)^-II, hydrogenuhličitany (HCO₃)^-I

oxidy

CO₂ (oxid uhličitý)

• vzniká při dokonalém spalování látek s obsahem C
• vydechuje člověk a zvířata
• fotosyntéza
• těžší než vzduch
• nejedovatý
• nedýchatelný
• nepodporuje hoření > hasící přístroje
• přechovává se v tlakových lahvích
• potravinářství (perlivé nápoje), chladivo – suchý led, hasící přístroje
• dobře rozpustný ve vodě

CO (oxid uhelnatý)

• vzniká při nedokonalém spalování látek s obsahem C
• bez zápachu
• velmi jedovatý
• H₂SO₄ + COOH >
• při spalování CO₂

kyseliny

H₂CO₃

• CaCO₃ Vápenec > t > pálené vápno CaO + CO₂
• CaO + H₂O > Ca(OH)₂ – hašené vápno
• tvrdnutí malty Ca(OH)₂ + CO₂ > CaCO₃ + H₂O
• hydrogenuhličitany, uhličitany
• hydrogen uhličitan vápenatý > odpařování vody > CaCO₃ krápníky: CaCO₃ + CO₂ + H₂O <> Ca(HCO₃)₂

Důkaz oxidu uhličitého.

• reakcí s vápennou vodou – vzniká bílá sraženina uhličitanu vápenatého
• Oxid uhličitý je těžší než vzduch, a proto ho můžeme přelévat z nádoby do nádoby. Vznikajíci oxid uhličitý

načerpáme do zkumavky a přelijeme do jiné zkumavky. Ke zkumavce přiložime hořící špejli, která by měla

účinkem CO2 zhasnout.

• Zavádí-li se oxid uhličitý do vody, vzniká kyselina uhličitá. Existenci kyseliny dokážeme vhodným

indikátorem.  H2O + CO2 → H2CO3

• Do zkumavky naplněné vodou ponoříme modrý lakmusový papír. Potom zavádíme připravený oxid uhličitý.

Lakmusový papír zčervená vznikající kyselinou. Při zavádění oxidu uhličitého do čirého roztoku hydroxidu

vápenatého nebo barnatého se vyloučí uhličitan vápenatý nebo barnatý a roztok se bíle zakalí.

Ca (OH)2 + CO2  → CaCO3 + H2O

• Hořící svíčku uhasíme proudem oxidu uhličitého (svíčku uložíme ve vyšší kádince na filtrační papír).
• Redukce oxidu uhličitého:

Do zkumavky naplněné oxidem uhličitým vsuneme hořící hořčíkovou pásku. Hořčík shoří na oxid hořečnatý

a vyloučí se uhlík jako saze: 2 Mg + CO2 → 2 MgO + C

Popis využití a zpracování vápence.

Uhličitan vápenatý (vápenec), CaCO₃

Vápenec je v přírodě nejrozšířenější sloučeninou vápníku. Vyskytuje se ve dvou krystalových modifikacích. Nejčastěji jako kalcit (šesterečná krystalová struktura), méně často jako aragonit (kosočtverečná krystalová struktura). (Pozn.: mramor je technické pojmenování pro vápenec, který lze leštit, křída je vápenec vzniklý ze schránek mořských organismů). Uhličitan vápenatý se rozpouští ve vodě obsahující oxid uhličitý:

CaCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(l) <—–> Ca(HCO₃)₂(aq)

Obě reakce (přímá i zpětná) jsou rozhodující pro oběh vápníku v přírodě a vznik krasových útvarů (vápencová pohoří, krasové jeskyně s krápníky apod.).

Vápenec má použití jako stavební kámen, je surovinou pro výrobu páleného vápna. Jemně rozemletý vápenec se používá k úpravě těžkých a kyselých zemědělských půd.

Vápenec spolu s křemičitanem vápenatým (CaSiO₃) a hlinitokřemičitanem vápenatým (Ca(AlSi₃O₈)₂ ) je surovinou pro výrobu cementu. Cement je směs látek (vápenec, křemičitan a hlinitokřemičitan vápenatý), která po smísení s vodou a pískem nebo štěrkem tvrdne v beton. Beton je důležitý stavební materiál.

Hydrogenuhličitan vápenatý, Ca(HCO₃)₂

Způsobuje přechodnou tvrdost vody.

Některé vápenaté sloučeniny se používají jako průmyslová hnojiva, např. Ca(NO₃)₂ – vápenný ledek, Ca(H₂PO₄)₂ – superfosfát.

Výroba sody (uhličitanu sodného)

• z roztoku NaCl (Solanky) Solvayovým způsobem
• NaCl + H₂O + NH₃ + CO₂ > NaHCO₃ (jedlá soda) + NH₄Cl
• NaHCO₃ > t > Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Krasové jevy.

• CaCO₃ + CO₂ + H₂O <> Ca(HCO₃)₂
• vápenec – vodou obohacenou o oxid uhličitý > hydrogenuhličitan – rozpustný > krápníky CaCO₃ – nerozpustný

Skleníkový efekt.

• zvýšené množství oxidu uhličitého v atmosféře > zvyšování teploty povrchu Země
• 60% vodní pára, oxid uhličitý 26%, další skleníkové plyny (methan, oxid dusný, ozón)

Použití oxidu křemičitého a křemičitanů pro výrobu skla, porcelánu a keramiky.

1. Sklo.

Sklo se vyrábí tavením směsi křemenného písku, uhličitanů alkalických kovů (soda, potaš), vápence a dalších přísad. Ochlazená ztuhlá tavenina je amorfní. Vlastnosti skla a z nich vyplývající použití závisejí na složení směsi, ze které se příslušný druh skla vyrábí.

2. Porcelán.

Vyrábí se ze směsi kaolínu, rozemletého živce a křemene. Po vytvarování se předměty vypalují v peci. Vypálením směs ztrácí vodu, zvyšuje se mechanická pevnost a odolnost. Kromě porcelánu se podobně vyrábějí i cihly, střešní krytiny, kameninové výrobky a hrnčířské zboží. Tyto výrobky kromě kaolínu obsahují především jíly (usazené horniny obsahující především křemičitany a hlinitokřemičitany).

3. Cement.

Cement je jemně rozemletá směs vápenatých hlinitanů, hlinitokřemičitanů a hlinitoželezitanů (obsahuje např. CaSiO₃, Ca₃Si₃O₉, Ca(AlSi₃O₈)₂). Vyrábí se pálením směsi vápence s uvedenými hlinitany, hlinitokřemičitany a hlinitoželezitany. Cement se používá ve stavebnictví k přípravě betonu, který je důležitým stavebním materiálem. Beton je směs cementu, písku nebo štěrku a vody.

Výpočet množství uvolněného oxidu uhličitého.