p2 prvky a jejich sloučeniny - skupina uhlíku

Prvky p2-prvky IV.A skupiny periodické soustavy – jsou C, Si, Ge, Sn, Pb. Jejich atomy mají ve valenčních orbitalech čtaři elektrony v konfiguraci ns2np2 (n je 2 až 6). Všechny p2-prvky jsou pevné látky. Uhlík a křemík jsou nekovy, germanium je polokov, cín a olovo jsou kovy. Atomy p2-prvků poskytují k vytvoření kovalentních vazeb dva až čtaři elektrony. Atom uhlíku jako prvak 2. periody může být nejvýše čtyřvazný, atomy dalších p2-prvků mohou být v důsledku volných nd orbitalů až šestivazné. Stálost prvků s maximálním oxidačním číslem IV ve sloučeninách p2-prvků klesá se stoupajícím Z a naopak vzrůstá stálost sloučenin p2-prvků s oxidačním číslem II. Prvky C, Si, Ge a Sn mají v přírodních sloučeninách oxidační číslo IV, Pb oxidační číslo II. Zatímco sloučeniny s SnII působí redukčně, sloučeniny PbIV působí oxidačně. Sloučeniny p2-prvků s oxidačním číslem IV mají převážně kovalentní vazby; ve sloučeninách obsahujících SnII nabo PbII převažuje až iontový charakter vazeb.
Rozdíly ve struktuře látek podmiňují rozdílné vlastnosti, jako tvrdost a křehkost uhlíku, křemíku, germania, těžkost cínu a kovové vlastnosti olova. Uhlík jako jediný z p2-prvků může vytvářet řetězce uhlíkových atomů, spojených jednou, dvěma nebo třemi kovalentními vazbami. Rozmanitost uhlíkatých řetězců je příčinou obrovského počtu organických sloučenin (4000).
Uhlík se vyskytuje volný i ve sloučeninách, ostatní prvky jen ve sloučeninách. Uhlík krystaluje jako diamant a grafit, vázaný je obsažen v uhličitanech. V ovzduší a ve vodách je uhlék jako oxid uhličitý CO2, dále je vázaný v uhlí, ropě, zemním plynu a ve všech organických látkách. Počtem svých sloučenin patří uhlík mezi prvky na druhé místo (za vodík).
Křemík je po kyslíku druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře. Jeho sloučeniny s kyslíkem a hliníkem (oxid křemičitý, křemičitany, hlinitokřemičitany) jsou základem zemské kůry.
Germanium se v přírodě vyskytuje vzácně (stopově v zinečnatých rudách). Ze sloučenin cínu a olova je nejdůležitější oxid cíničitý SnO2 a sulfi olovnatý PbS.

Uhlík a jeho vlastnosti
Čistý uhlík se vyskytuje ve dvou alotropických modifikacích, jako diamant a jako grafit. V polymerní struktuře diamantu se uhlíkové atomy vzájemně vážou čtyřmi pefvnými kovalentními vazbami, proto je diamant nejtvrdší přírodní látka. Ve vrstevnaté struktuře grafitu jsou jednotlivé roviny uhlíkových atomů navzájem poutány jen slabými vazbami.

Proto je grafit měkký a vede elektrocký proud.
Uhlík je poměrně málo reaktivní, s jinými prvky většinou reaguje až při vyšší teplotě. K reakcím se místo čistého uhlíku používají jeho technocké formy –koks a uhlí. Oxidace uhlíku za vysoké teploty se v průmyslu využívá k přímé redukci oxidů, např. při výrobě železa ve vysoké peci: Fe2O3 + 3 C ® 3 CO + 2 Fe
Koks a uhlí se používají jako palivo, diamanty (po vybroušení brilianty) v malé míře v klenotnictví, většina přirodních a syntetických diamantů se používá k opracování tvrdých materiálů. Z grafitu se zhotovují elektrody a tužky, slouží jako moderátor do jaderných reaktorů.

Bezkyslíkaté sloučeniny uhlíku
S prvky o malé elektronegativitě tvoří uhlík karbidy (CaC2, SiC).
Sirouhlík CS2 vzniká z prvků zahřátím. Je to jedovatá, snadno zápalná kapalina, používá se jako nepolární rozpouštědlo.
Halogenidy uhlíku se připravují halogenací oxidů uhlíku, methanu, apod. Chlorid uhličitý CCl4 je kapalná kovalentní sloučenina, slouží jako nepolární rozpouštědlo. Je to nebezpečný jed.
Kyanidy MICN, sloučeniny uhlíku s dusíkem, jsou soli kyseliny kyanovodíkové HCN. Nejznámější je kyanid draselný KCN. Kyanidy jsou prudce jedovaté. Kyanidový anion CN- se může účastnit komplexotvorných reakcí. Donorem elektronového páru v CN- ligandu bývá atom uhlíku.

Kyslíkaté sloučeniny uhlíku
Oxid uhelnatý CO vzniká spalováním uhlíku za dostetečného přístupu vzduchu nebo ze vysokých teplot. Zprvu vznikající oxid uhličitý se přitom uhlíkem redukuje: CO2 (g) + C(s) ® 2CO (g)
Oxid uhelnatý je značně reaktivní plyn se silně redukčními účinky; odnímá oxidům kyslík, což se využívá při nepřímé redukci oxidů železa: Fe2O3 +3CO ® 2 Fe + 3 CO2
Oxid uhelnatý je složkou průmyslově důležitých plynů, např. generátorového a vodního plynu. Je jedovatý – při vdechování se váže na krevní barvivo pevněji než kyslík, a zabraňuje tak přenosu O2 v organismu. Je také součástí výfukových plynů spalovacích motorů a značně přispívá ke znečišťování životního prostředí.
Oxid uhličitý CO2 vzniká dokonalým spalováním uhlíku, dále při dýchání, kvašení, tlení, hoření uhlí a je konečným produktem spalování každé organické látky. Jeho stále stoupající obsah v ovzduší značně přispívá ke skleníkovému efektu. Oxid uhličitý je bezbarvý plyn, bez zápachu, rozpustný ve vodě, těžší než vzduch, nehoří a působí dusivě. Na rozdíl od oxidu uhelnatého je podstatně méně reaktivní, za obvyklé teploty stálý. Silným ochlazením CO2 se získá pevný oxid uhličitý (suchý led) s molekulovou strukturou.

Směs suchého ledu a acetonu nabo methanolu slouží jako chladicí směs pro teploty až do -76°C.
Oxid uhličitý se získává tepelným rozkladem uhličitanů nebo reakcí uhličitanů se silnými kyselinami:
CaCO3 + 2 HCl ® CaCl2 + CO2 + H2O
Při rozpouštění oxidu uhličitého ve vodě jen nepatrná část jeho molekul reaguje s vodou a vzniká slabá kyselina uhličitá H2CO3. Zahříváním se zpětně rozkládá na vodu a oxid uhličitý. Od kyseliny uhličité se odvozují dvě řady solí: hydrogenuhličitany MIHCO3 a uhličitany M2ICO3 (karbonáty). Hydrogenuhličitany jsou ve vodě rozpustné. Uhličitany s vyjímkou uhličitanů sodného, draselného a amonného se ve vodě téměř nerozpouštějí. Všechny uhličitany se rozkládají působením kyselin silnějších než kyselina uhličitá a při zahřívání.

Křemík a jeho vlastnosti
Křemík se v přírodě vyskytuje pouze v oxosloučeninách s oxidačním číslem IV. Vlastnostmi se od uhlíku výrazně liší. Elementární křemík je podle podmínek přípravy hnědý prášek nebo temně šedá krystalická látka. Má diamantovou strukturu, vazby SiľSi jsou však slabší než vazby CľC, a proto je křehčí. Křemík je polovodič (jeho elektrická vodivost stoupá s teplotou). Je málo reaktivní, s ostatními prvky se slučuje až za velmi vysokých teplot. Surový křemík se používá v hutnictví k výrobě slitin a pro chemické výroby. Velmi čistý křemík, obsahující méně než 1×10-7% nečistot, je v elektrotechnice základním materiálem pro výrobu polovodičů a integrovaných obvodů; používá se též ve slunečních bateriích.

Sloučeniny křemíku
Sloučeniny křemíku s vodíkem – silany SinH2n+2 (n je 1 až 4 a 6), jsou uměle připravené značně reaktivní a nestálé látky.
Halogenidy křemičité SiX4 jsou těkavé. Fluorid křemičitý SiF4 je vedlejší produkt při zpracování fluoropatitů. Jeho reakcí s vodou vzniká velmi silná kyselina hexafluorokřemičitá H2SiF6, známá jen v roztoku. Její soli jsou hexafluorokřemičitany M2ISiF6.
S kovy poskytuje křemík silicidy.
Nejvýznamější jsou sloučeniny křemíku s kyslíkem. Základní jednotkou jejich struktury jsou křemíko-kyslíkové čtyřstěny SiO4 s atomem křemíku uprostřed a s pevnými vazbami mezi atomy Si a O.
Oxid křemičitý SiO2 je pevná látka s polymerní strukturou. Má velmi vysokou teplotu tání. Podle vzájemného uspořádání tetraedrů SiO4 v krystalu oxidu křemičitého se rozlyšují tři základní modifikace:
křemen®870°C®tridymit®1470°C®cristobalit
Oxid křemičitý je jedna z nejstálejších látek vůbec. Je odolný vůči vodě a kyselinám (s vyjímkou HF). V přírodě se vyskytuje zejména jako křemen. Mezi barevné odrůdy patří ametyst, záhněda, citrín, růženín, bezbarvý čirý se nazývá křišťál. Horniny s převahou SiO2 se používají jako technické suroviny (písek). Roztavením a rychlým ochlazením oxidu křemičitého se získá křemenné sklo.

Písek se používá ve stavebnictví, při výrobě skla, porcelánu aj.
Kyselina trihydrogen křemičitá H4SiO4 existuje jen ve zředěných vodných roztocích. Z nich se postupně vylučuje polymerní sol (roztok obsahuje rozptýlené částice velikosti 10-7 až 10-9 m) a dalším stámím, zahřátím nebo okyselením roztoku rosolovitý gel. Vysušením gelu se získá pevný silikagel, který má schopnost vázat (absorbovat) do svých pórů velké množství vody a různých organických i anorganických látek. Používá se jako sušidlo zejména plynů, jako odstraňovač pachů, např. v chladničkách. Tavením oxidu křemičitého s uhličitany nebo hydroxidy alkalických kovů vznikají ve vodě rozpustné křemičitany:
SiO2 + M2ICO3 ® M2ISiO3 + CO2
Vlastnosti křemičitanů (silikátů) jsou závislé na struktuře. Podle stupně propojení tetraedrů SiO4 se rozlišují křemičitany s izolovanými tetraedry, s ostrůvkovou, řetězovou, vrstevnatou a trojrozměrnou strukturou. Náhradou některých atomů křemíku ve struktuře křemičitanů atomy hliníku vznikají hlinitokřemičitany.
Křemičitany jsou v přírodě rozšířeny jako samostatné nerosty i jako složky různých hornin. Zemská kůra je z 95% složena z oxidu křemičitého a křemičitanů.
Vodní sklo je vodný roztok křemičitanů alkalických kovů; obsahuje převážně soli M3IHSiO4, M2IHSiO4, MIHSiO4 (M je Na, K). Vyrábí se tavením písku se sodou (Na2CO3) nebo potaší (K2CO3). Vodní sklo se používá jako konzervační, tmelicí a impregnační prostředek.
Nejznámější křemičitany jsou živce. Zvětráváním živců vzniká kaolinit. Hlinitokřemičitany vápenaté jsou hlavní složkou cementů.
Polysilikany (R2SiO)n (R jsou např. alkyly) -silikony- jsou organokřemičité polymerní látky chemicky a tepelně odolné, se strukturními jednotkami: R3 ľ Si ľ O ľ Si ľ R3



Výroba a použití sloučenin křemíku
Sklo vzniká tavením křemenného písku se směsí uhličitanů alkalických kovů a dalších přísad a ztuhnutím teveniny, která je amorfní. Vlastnosti skla a jeho použití závisejí zejména na chemickém složení skloviny. Sodnovápenaté tzv. měkké sklo (tabulové a lahvové) vzniká tavením směsi křemenného písku, uhličitanu sodného a vápence při teplotě asi 1200°C a má složení Na2O×CaO×6 SiO2. Tepelně odolné je sklo draselné a zejména sklo křemenné. Chemické a varné sklaněné nádobí obsahuje oxid boritý. Olovnatá skla so používají do optických přístrojů a k výrobě broušeného dekoračního skla. Speciální skla vysoké čistoty se používají v optoelektronice.

Barevná skla vznikají přídavkem malého množství oxidů (např.: Fe, Cr) nebo některých prvků (Au,Se).
Jíly jsouusazené horniny komplikovaného složení, které obsahují zejména křemičitany a hlinitokřemičitany. Při výrobě keramiky, kameniny a stavebních materiálů jsou základní surovinou jíly, hlíny a kaolin. Vypálením materiál ztrácí vodu a mění strukturu a vlastnosti, zvyšuje se mechanická pevnost a odolnost.
Cement je jemně rozemletá směs dehydratovaných hlinitanů, křemičitanů a hlinitoželezitanů vápenatých.

Cín a olovo
Cín a olovo jsou kovové prvky IV.A skupiny.
Cín je stříbrolesklý kov, tažný a kujný, který lze válcovat do tenké fólie (staniol). Je odolný proti působení vzduchu, vody, zředěných kyselin a hydroxidů, proto jsou pocínované předměty odolné proti korozi. Sloučeniny cíničité (SnIV) jsou stálejší než cínaté (SnII). Cín se používá k pocínování železných plechů (bílý plech), k výrobě slitin, např.: bronzů (Sn + Cu), a jako pájecí kov (Sn + Pb) s nízkou teplotou tání.
Olovo je šedomodrý kujný kov, který lze válcovat na plechy. Snadno vytváří slitiny a je reaktivnější než cín. Sloučeniny olovnaté (PbII) jsou stálejší než olovičité (PbIV). Nejvíce olova se spotřebuje na výrobu akumulátorů a na výrobu organokovové sloučeniny tetraethylplumbium, která se používá jako antidetonační přísada do benzínu. S výfukovými plyny se však jedovaté olovnaté sloučeniny dostávají do ovzduší. Olovo se také používá na ochranné štíty rentgenových přístrojů a v jaderné technice.