14. GRUPA PERIODNOG SISTEMA - … hemija II/11_Ugljenik... · 14. GRUPA PERIODNOG SISTEMA SVOJSTVA Elektronska konfiguracija ns 2np Imaju četiri valentna elektrona: • maksimalni

14. GRUPA PERIODNOG SISTEMA14. GRUPA PERIODNOG SISTEMA


Ugljenik na 16. mestu po rasprostranjenosti: u obliku karbonata, fosilnih goriva (uglja, nafte, prirodnog gasa), CO2 i veoma

retko u elementarnom stanju (grafit i dijamant)Silicijum posle kiseonika najrasprostranjeniji element na Zemlji:

u obliku SiO2 i silikataGermanijum veoma malo zastupljenKalaj i olovo rasprostranjeniji od Ge:

u obliku minerala SnO2 (kasiterit) i PbS (galenit)

SVOJSTVA

Fizika i hemijska svojstva su veoma razliita.Granica izmeu metala i nemetala prolazi izmeu Si i Ge:

C nemetal, izolator Si i Ge semimetali, poluprovodnici Sn i Pb metali, provodnici


SVOJSTVA

Elektronska konfiguracija ns2np2

Imaju etiri valentna elektrona: maksimalni oksidacioni broj je IV drugo vano oksidaciono stanje je II ne postoje joni E4+ ni E4 jer je za njihov nastanak potrebna izuzetno

velika energija

Oksidacioni brojevi: C, Si, Ge IV (izuzetak CO); Pb, Sn II, IV

JEDINJENJA

Postoji veliki broj jedinjenja ugljenika (preteno organskih jedinjenja): najizraenija sposobnost katenacije zbog veoma jake CC veze (348 kJ mol1) jedino ugljenik gradi viestruke veze (ne samo izmeu C-atoma, ve i sa N i O)

JEDINJENJA


Grade hidride (EnH2n+2): ugljenik veoma stabilne ugljovodonike, kao alkane CnH2n+2 (n ), alkene... silicijum (n = 8), germanijum (n = 5), kalaj (n = 2) nestabilne supstance koje

se spontano pale na vazduhu imaju neutralna svojstva ne reaguju sa vodom

UGLJENIK

Postoji u vie alotropskih modifikacija: dijamant grafit fulereni grafen nanocevi (nanotube) amorfni ugljenik

dijamant grafit C60-fuleren

nanocevi amorfni ugljenikgrafen

ALOTROPSKE MODIFIKACIJE

UGLJENIKUGLJENIK

UGLJENIKUGLJENIK

DIJAMANT

Bezbojan, izuzetno tvrd (najtvra supstanca).Dobro provodi toplotu, ne provodi struju (izolator).Struktura:

trodimenzionalna mrea tetraedarski orijentisanih CC veza sp3 hibridizacija atoma (gradi etiri veze) preklapanje atomskih orbitala je optimalno, jaina veza je maksimalna

Koristi se za izradu: reznih alata (za seenje, bruenje, buenje, poliranje) nakita (1 karat = 0,200 g)

UGLJENIKUGLJENIK

GRAFIT

Siv, metalnog sjaja, mekan.Dobro provodi struju.Struktura:

slojevita susedni slojevi su pomereni (svaki drugi sloj se nalazi jedan iznad drugog) i slabo vezani

atomi su povezani u estolane prstenove sp2 hibridizacija atoma (gradi tri veze) etvrti elektron je delokalizovan po celom

sloju; delokalizovani elektroni omoguavaju provoenje struje, ali samo du slojaKoristi se za izradu:

grafitnih elektroda, sredstava za podmazivanje, olovaka...

termootpornih sudova i kalupa (tm = 4100 C, najvia od svih elemenata)

UGLJENIKUGLJENIK

DIJAMANT I GRAFIT

Dijamant i grafit se dobijaju iz prirodnih nalazita, kao i vetakim putem: grafit reakcijom koksa sa SiO2

SiO2(l) + 3C(s) C(grafit) + Si(g) + 2CO(g)2500 C

dijamant na visokim pritiscima (5 GPa) i temperaturama (1600 oC) mogue je prevesti grafit u dijamant; dobijeni dijamanti su mali i dobri za izradu reznih alata, ali ne i nakita

C60(12 C-5 i 20 C-6 prstenova)

Slian fudbalskoj lopti.

C70

Niz struktura u kojima su atomi povezani u petolane i estolane prstenove i rasporeeni tako da obrazuju molekule sfernog ili elipsoidnog oblika:

C60, C70, C76, C80, C84, C36...

UGLJENIKUGLJENIK

FULERENI

Dobijaju se reakcijom u elektrinom luku izmeu dve grafitne elektrode u inertnom gasu.Rastvorni su u nepolarnim rastvaraima (za razliku od dijamanta i grafita koji su nerastvorni).U njihovu strukturu mogu da se ugrade atomi, joni ili mali molekuli:

neka od ovih jedinjenja imaju svojstva superprovodnika (npr. sa Rb).

UGLJENIKUGLJENIK

GRAFEN

Dobija se razlistavanjem grafita sloj debljine jednog C atoma.Grafit debljine 1 mm sadri oko tri miliona slojeva grafena naslaganih jedan na drugi.Dvodimenzionalni nanomaterijal.Izuzetna i neobina elektrina, mehanika, termika i druga svojstva:

npr. najtanji i najjai poznati materijal

NANOCEVI

Grafitni slojevi uvijeni u cilindre debljine nekoliko nm nanocevi ili nanotube.

UGLJENIKUGLJENIK

AMORFNI UGLJENIK

Dobija se suvom destilacijom uglja (zagrevanjem u odsustvu vazduha).Pored ugljenika sadri malu koliinu mineralnih i organskih supstanci.Svetska proizvodnja je ogromna osnovno i najvanije redukciono sredstvo u metalurgiji.

KoksKoks

Dobija se nepotpunim sagorevanjem ugljovodonika.Sastoji se od sitnih estica ugljenika (fino spraeni ugljenik).Koristi se u gumarskoj industriji (kao punilo i za ojaavanje materijala).

aa

Aktivni ugljenikAktivni ugljenik

Aktivni ugalj.Dobija se kontrolisanim zagrevanjem organske materije (npr. drveta) u odsustvu vazduha.Ima veliku specifinu povrinu i veliku sposobnost adsorbovanja drugih supstanci.Koristi se kao adsorbens, npr. za preiavanje vode, u gas-maskama, u medicini...

UGLJENIKUGLJENIK

UGLJEN-MONOKSID, CO

Oksidacioni broj: II.

Trostruka veza velike jaine (1073 kJ mol1).Gas bez boje i mirisa, izuzetno otrovan.Neutralni oksid (ne reaguje sa vodom, niti sa kiselinama i bazama).U laboratoriji se dobija dehidratacijom mravlje kiseline:

C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)

HCOOH CO + H2OH2SO4 (konc.)

100 CU industriji se dobija:

nepotpunim sagorevanjem koksa

vodeni gas

generatorski gas2C(s) + O2(g) 2CO(g)

redukcijom vodene pare pomou koksa

UGLJENIKUGLJENIK

UGLJEN-MONOKSID, CO

Lako sagoreva do CO2 uz oslobaanje velike koliine toplote:

2CO(g) + O2(g) 2CO2(g)Koristi se:

za zagrevanje u industriji (generatorski gas) kao redukciono sredstvo

u reakcijama gde se koks koristi kao redukciono sredstvo CO ima aktivnu ulogu

rH = 566 kJ mol1

C(s) + CO2(g) 2CO(g) rH = 172 kJ mol1

Na visokim temperaturama dominira CO (na 1000 oC 99 vol.% CO).Na niim temperaturama dominira CO2 (na 550 oC 10 vol.% CO).Naglim hlaenjem smee CO i CO2 CO se disproporcionie inastaje a.

Gas bez boje i mirisa.Kiseli oksid.U laboratoriji se dobija:

arenjem karbonata ili hidrogenkarbonata

UGLJENIKUGLJENIK

UGLJEN-DIOKSID, CO2

Oksidacioni broj: IV.

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

CaCO3(s) + 2HCl(aq) CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)

reakcijom kiselina sa karbonatima ili hidrogenkarbonatima

C(s) + O2(g) CO2(g)

sagorevanjem ugljenika

U industriji se dobija daljom oksidacijom CO u vodenom gasu uvoenjem vodene pare:

UGLJENIKUGLJENIK

UGLJEN-DIOKSID, CO2

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)400 oCFe2O3

Koristi se: kao sredstvo za gaenje poara u prehrambenoj industriji (konzerviranje hrane, gaziranje pia) za superkritinu ekstrakciju kao sredstvo za hlaenje CO2(s), suvi led (sublimacija na 78,5 oC)

UGLJENIKUGLJENIK

UGLJENA KISELINA, H2CO3

Oksidacioni broj: IV.

CO2(aq) + H2O(l) H2CO3(aq)

Rastvaranjem CO2 u vodi:

Svega 0,4% H2CO3 gotovo potpuno u obliku hidratisanih molekula CO2.

Slaba kiselina:

Soli karbonati i hidrogenkarbonati (bikarbonati).

H2CO3 + H2O HCO3 + H3O+

HCO3 + H2O CO32+ H3O+1aK= 4,81011= 2,5104

2aK

UGLJENIKUGLJENIK


Karbonati teko rastvorni, osim karbonata alkalnih metala. Postoje velika nalazita karbonatnih minerala zemnoalkalnih metala:

kalcita, CaCO3 dolomita, CaMg(CO3)2 magnezita, MgCO3

Hidrogenkarbonati rastvorni u vodi.Ravnotea izmeu karbonata i hidrogenkarbonata:

CO32(aq) + CO2(g) + H2O(l) 2HCO3(aq)

CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) Ca(HCO3)2(aq)

uvoenjem CO2 u suspenziju karbonata bistar rastvor hidrogenkarbonata

zagrevanjem bikarbonata (vrstog ili rastvorenog) izdvajanje CO2 i nastanak karbonata

Ca(HCO3)2(aq) CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)

UGLJENIKUGLJENIK


Najvanije soli ugljene kiseline Na2CO3 i NaHCO3 dobijaju se Solvejevim postupkom.

Solvejev postupakSolvejev postupak

U koncentrovani rastvor NaCl uvodi se NH3 i CO2 nastali rastvor sadri jone Na+, Cl, NH4+ i HCO3.Od etiri soli koje mogu nastati kombinacijom ovih jona najmanje rastvorna je NaHCO3 pa se taloi jer je rastvor koncentrovan.NaHCO3 se sui i arenjem prevodi u Na2CO3:

2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)t

U preostali rastvor NH4Cl dodaje se Ca(OH)2da bi se regenerisao NH3:2NH4Cl + Ca(OH)2 2NH3(g) + CaCl2 + 2H2O

UGLJENIKUGLJENIK

KARBIDI

Binarna jedinjenja ugljenika sa elementima manje elektronegativnosti (izuzev vodonika).Dobijaju se reakcijom metala ili njihovih oksida sa ugljenikom na visokoj t.Prema tipu veze mogu se podeliti na:

jonske karbidi alkalnih i zemnoalkalnih metala i Al (CaC2, Al4C3...) kovalentne karbidi silicijuma i bora (SiC, B4C); malobrojni metalne (intersticijalne) karbidi prelaznih elemenata (Fe3C, TiC, VC...)

Najznaajniji karbid CaC2: dobijanje

burna reakcija sa vodom

CaC2(s) + 2H2O(l) C2H2(g) + Ca(OH)2(aq)

CaO + 3C CaC2 + CO

etin(acetilen)

UGLJENIKUGLJENIK

CIJANIDI, CIJANATI, TIOCIJANATI

Sadre ugljenik i azot povezane trostrukom vezom.Linearna struktura.Izuzetno otrovni.

cijanovodonik(cijanovodonina kiselina)

C NH C NH C N:: C N::C N::CN (cijanid-jon )

O C N:O C N:OCN (cijanat-jon )

S C N:S C N:SCN (tiocijanat-jon )

UGLJENIKUGLJENIK

CIKLUS UGLJENIKA

U prirodi ugljenik se nalazi u obliku: CO2 (gas u atmosferi) CO2 i HCO3 (rastvoreni u vodi) CaCO3, MgCO3 (karbonatne stene i koralni grebeni) uglja, nafte i prirodnog gasa (nastali raspadanjem organizama na visokim

pritiscima i temperaturama) organske materije u zemljitu (npr. humus)

Kruenjem ugljenika u prirodi ovi oblici se neprekidno transformiu jedan u drugi: U procesu fotosinteze biljke koriste CO2 i stvaraju organsku materiju. ivotinje koriste organsku materiju u ishrani i u procesu varenja je razgrauju.

U procesu respiracije (disanja) stvaraju CO2. Mikrobiolokom razgradnjom biomase (truljenjem), ugljenik se vraa u

atmosferu kao CO2 (aerobna razgradnja) ili CH4 (anaerobna razgradnja). Erozijom karbonatnih stena nastaje CO2, ali i rastvorni hidrogenkarbonati. Sagorevanjem fosilnih goriva nastaje CO2.

UGLJENIKUGLJENIK

CIKLUS UGLJENIKA

UGLJENIKUGLJENIK

EKOLOKI PROBLEMI

Zbog prevelike upotrebe i sagorevanja fosilnih goriva, kao i izazivanja velikih umskih poara radi raiavanja zemljita u poljoprivredne svrhe (amazonske ume) koliina CO2 u atmosferi se poveava (od 19. veka za oko 20%, proseno 0,4% godinje).Poveanje koliine CO2 prouzrokuje efekat staklene bate zbog kojeg se temperatura na Zemlji poveava globalno zagrevanje:

Sunevo zraenje dospeva do Zemljine povrine i zagreva je. Zemlja, kao i svako zagrejano telo, reemituje zraenje nazad u atmosferu, ali kao

energetski nie zraenje. Gasovi prisutni u atmosferi mogu da apsorbuju odlazee zraenje nie energije, a

zatim ga i reemituju nazad ka povrini Zemlje koja se dodatno zagreva.Najznaajniji gasovi koji apsorbuju zraenje u atmosferi su CO2 (50%) i CH4 (20%).

SILICIJUMSILICIJUM

SILICIJUM, Si

Srebrnastosive boje, metalnog sjaja.U industriji se dobija redukcijom SiO2 pomou koksa Si istoe 98% (sirov):

Silicijum (veoma ist) se koristi za proizvodnju komponenata u elektronici jer je poluprovodnik.

SiO2 + 2C Si + 2COt

Da bi se dobio veoma ist Si (< 107 % primesa), sirov se dalje tretira: prevodi u SiHCl3 (trihlorsilan) koji se zatim redukuje pomou Zn ili Mg

Si(s) + 3HCl(g) SiHCl3(l) + H2(g)

ipka Si se proputa izmeu grejaa, dolazi do topljenja u vrlo uskoj zoni; neistoe se koncentruju u rastopu i posle rafinacije se nalaze na jednom kraju ipke koji se see i odbacuje (zonalna rafinacija)

SILICIJUMSILICIJUM

SILICIJUM-DIOKSID, SiO2

Oksidacioni broj: IV.Postoji vie kristalnih modifikacija najvanija -kvarc.Ne postoji u obliku pojedinanih molekula ve ima trodimenzionalni raspored SiO veza:

vrst, tvrd, visoka tm (1600 oC)Pri hlaenju rastopa esto ne dolazi do formiranja potpuno ureene kristalne strukture, pa umesto da kristalie prelazi u stanje pothlaene tenosti staklasto stanje (staklo):

neureeno, amorfno

SiO

kristalni SiO2kristalni SiO2 amorfni SiO2amorfni SiO2

hlaenje rastopa

SILICIJUMSILICIJUM

SILICIJUM-DIOKSID, SiO2

Hemijski inertan, nerastvoran.Reaguje samo sa:

fluorovodoninom kiselinom

SiO2(s) + 2NaOH(l) Na2SiO3(l) + H2O(g)t

natrijum-silikat (ili kalijum-silikat) su jedini silikati rastvorni u vodi vodeno staklo

Obino staklo nastaje topljenjem smee Na2CO3, CaCO3 i SiO2, a zatim hlaenjem amorfni Na2OCaO6SiO2.

rastopima baza ili karbonatima alkalnih metala (alkalno topljenje) prevodi se u rastvorna jedinjenja

SiO2(s) + 4HF(aq) SiF4(g) + 2H2O(l)

Dodatkom kiseline u rastvor vodenog stakla taloi se silicijumska kiselina, SiO2xH2O.

Trebalo bi da ima formulu H4SiO4, ali se molekuli lako kondenzuju dajui polimerne oblike.Svi oblici silicijumske kiseline su slabo rastvorni, a sve kiseline su slabe.Anjoni ovih kiselina su stabilni silikati:

ine 95% Zemljine kore (stene, zemlja, glina, pesak...) osnovna strukturna jedinica silikat-jon (SiO44)

SILICIJUMSILICIJUM

SILICIJUMSKA KISELINA, SiO2xH2O

SiO2xH2O se koristi kao sredstvo za suenje (silika-gel).

Prema broju i nainu povezivanja SiO44 tetraedara dele se na silikate sa: pojedinanim anjonima lanastim i trakastim anjonima slojevitom strukturom trodimenzionalnom strukturom

SILICIJUMSILICIJUM

SILIKATI

Silikati sa pojedinanim anjonima

SiO44

nezosilikati

Si2O76

sorosilikati

ciklosilikatiSi3O9

6

Si6O1812

SILICIJUMSILICIJUM

SILIKATI

Silikati sa lanastim i trakastim anjonima

osnovna jedinica Si4O116

osnovna jedinica SiO32

inosilikati

SILICIJUMSILICIJUM

SILIKATI

Silikati sa slojevitom strukturom

osnovna jedinica Si2O52

filosilikati

Nastaju meusobnim povezivanjem traka Si4O116.Izmeu slojeva se mogu nai: voda, joni metala, slojevi oksida ili hidroksida.Deo Si je esto zamenjen Al alumosilikati.Najvanija grupa slojevitih silikata su minerali glina:

npr. kaolinit

SILICIJUMSILICIJUM

SILIKATI

Silikati sa slojevitom strukturom

Male promene u strukturi slojevitog silikata velike posledice na svojstva jedinjenja: razliit raspored slojeva magnezijum-silikata i magnezijum-hidroksida kod

azbesta i talka

AZBEST TALK

Si2O52

OH

tektosilikati

SILICIJUMSILICIJUM

SILIKATI

Silikati sa trodimenzionalnom strukturom

Najvaniji minerali: feldspati ine 60% Zemljine kore zeoliti alumosilikati porozne strukture; u

upljine i kanale mogu da se smeste joni ili molekuli; koriste se kao:

sredstva za suenjesredstva za selektivnu adsorpciju jona ili molekulanosai katalizatora zamena za polifosfate u deterden-tima (za omekavanje vode)

SILICIJUMSILICIJUM

SILIKONI

Polisiloksani polimeri na bazi silicijuma: hemijski inertni hidrofobni elastini termiki otporni netoksini

Osnovna jedinica

Linearni poli(dimetilsiloksani) silikonska ulja, viskozne tenosti.Umreeni polimeri silikonske gume i smole.

KALAJ I OLOVOKALAJ I OLOVO

SVOJSTVA I JEDINJENJA

Srebrnastobeli, meki metali, niske tm.Stabilni na vazduhu i otporni prema koroziji jer se pasiviraju (prevlae zatitnim slojem oksida koji spreava dalju reakciju).Najznaajnija jedinjenja oksidi:

SnO i SnO2 PbO i PbO2 Pb3O4 (PbO22PbO), meoviti oksid minijum

PbOPbO2

Pb3O4


JEDINJENJA

Kalaj(II)-oksid i olovo(II)-oksid, kao i odgovarajui hidroksidi, su amfoterni:Pb(OH)2(s) + 2H+ Pb2+(aq) + 2H2OPb(OH)2(s) + OH [Pb(OH)3](aq)

Olovo(IV)-oksid je jako oksidaciono sredstvo:

PbO2 + 4H+ + 2e Pb2+ + 2H2O E = 1,69 VPostojanje dva oksidaciona stanja u minijumu (PbO22PbO) se moe dokazati:

Pb3O4(s) + 4HNO3(razbl.) PbO2(s) + 2Pb(NO3)2(aq) + 2H2O(l)IV II

Talog se tretira koncentrovanom HCl:PbO2(s) + 4HCl(konc.) PbCl2(aq) + Cl2(g) + 2H2O(l)

Rastvor se tretira I/CrO42/SO42-jonima:PbI2/PbCrO4/PbSO4(s) npr. Pb2+(aq) + CrO42(aq) PbCrO4(s)


PRIMENA

Kalaj se koristi: za proizvodnju belog lima (kalajisani gvozdeni lim za izradu konzervi), zbog

inertnosti i netoksinosti; ako se sloj kalaja oteti, poinje korozija gvoa jer je njegov standardni elektrodni potencijal (E = 0,44 V) nii od onog za kalaj (E = 0,14 V).

kao osnovni sastojak legura za lemljenje, zbog niske tm (oko 200 oC).Olovo se najvie koristi za izradu olovnih akumulatora. Zbog toksinosti, upotreba olova i njegovih jedinjenja je znaajno smanjena (olovne cevi, olovni benzin...).

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown

/Description >>> setdistillerparams> setpagedevice

Documents

14. GRUPA PERIODNOG SISTEMA - … hemija II/11_Ugljenik... · 14. GRUPA PERIODNOG SISTEMA SVOJSTVA Elektronska konfiguracija ns 2np Imaju četiri valentna elektrona: • maksimalni