Uhlíková skupina - Carbon group
Skupina uhlíku (skupina 14) | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|||||||||||
|
|||||||||||
↓ Období | |||||||||||
2 |
Uhlík (C) 6 Ostatní nekovové |
||||||||||
3 |
Metalloid křemíku (Si) 14 |
||||||||||
4 |
Germanium (Ge) 32 Metalloid |
||||||||||
5 |
Cín (Sn) 50 Ostatní kov |
||||||||||
6 |
Olovo (Pb) 82 Ostatní kov |
||||||||||
7 |
Flerovium (Fl) 114 Ostatní kov |
||||||||||
Legenda
|
|||||||||||
Skupina uhlík je periodická tabulka skupina sestávající z uhlíku (C), křemík (Si), germanium (Ge), cínu (Sn), olova (Pb), a flerovium (Fl). Leží v p-bloku .
V moderní notaci IUPAC se nazývá skupina 14 . V oblasti fyziky polovodičů se jí stále všeobecně říká skupina IV . Tato skupina byla kdysi také známá jako tetrely (z řeckého slova tetra , což znamená čtyři), vycházející z římské číslice IV v názvech skupin, nebo (ne náhodou) ze skutečnosti, že tyto prvky mají čtyři valenční elektrony (viz níže ). Jsou také známé jako krystalogeny nebo adamantogeny .
Charakteristika
Chemikálie
Stejně jako ostatní skupiny, členové této rodiny vykazují vzory v konfiguraci elektronů , zejména v nejvzdálenějších obalech, což má za následek trendy v chemickém chování:
Z | Živel | Počet elektronů/obal |
---|---|---|
6 | Uhlík | 2, 4 |
14 | Křemík | 2, 8, 4 |
32 | Germanium | 2, 8, 18, 4 |
50 | Cín | 2, 8, 18, 18, 4 |
82 | Vést | 2, 8, 18, 32, 18, 4 |
114 | Flerovium | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (předpovězeno) |
Každý z prvků v této skupině má ve vnějším plášti 4 elektrony . Izolovaný atom neutrální skupiny 14 má v základním stavu konfiguraci s 2 p 2 . Tyto prvky, zejména uhlík a křemík , mají silný sklon ke kovalentní vazbě , která obvykle přivede vnější obal na osm elektronů . Dluhopisy v těchto prvcích často vedou k hybridizaci, kde jsou vymazány zřetelné s a p znaky orbitálů. U jednoduchých vazeb má typické uspořádání čtyři páry elektronů sp 3 , ačkoli existují i jiné případy, například tři páry sp 2 v grafenu a grafitu. Pro uhlík jsou charakteristické dvojné vazby ( alkeny , CO
2...); totéž pro π-systémy obecně. Tendence ke ztrátě elektronů se zvyšuje se zvyšováním velikosti atomu , stejně jako se zvyšujícím se atomovým číslem. Samotný uhlík tvoří negativní ionty ve formě karbidových (C 4− ) iontů. Křemík a germánium , oba metaloidy , každý může tvořit +4 ionty.
Cín i olovo jsou kovy , zatímco flerovium je syntetický, radioaktivní (jeho poločas rozpadu je velmi krátký, pouze 1,9 sekundy) prvek, který může mít několik vlastností podobných vzácným plynům , přestože je to s největší pravděpodobností post -přechodný kov. Cín a olovo jsou schopné vytvářet +2 ionty. Ačkoli je cín chemicky kov, jeho alfa alotrop vypadá spíše jako germanium než jako kov a je to špatný elektrický vodič.
Uhlík tvoří tetrahalogenidy se všemi halogeny . Uhlík také tvoří mnoho oxidů, jako je oxid uhelnatý , suboxid uhlíku a oxid uhličitý . Uhlík tvoří disulfidy a diselenidy.
Křemík tvoří několik hydridů; dva z nich jsou SiH 4 a Si 2 H 6 . Křemík tvoří tetrahalogenidy s fluorem, chlorem, bromem a jodem. Křemík také tvoří oxid a disulfid . Nitrid křemíku má vzorec Si 3 N 4 .
Germánium tvoří pět hydridů. První dva hydridy germania jsou GeH 4 a Ge 2 H 6 . Germánium tvoří tetrahalogenidy se všemi halogeny kromě astatu a tvoří dihalogenidy se všemi halogeny kromě bromu a astatu. Germánium se váže na všechny přírodní jednotlivé chalkogeny kromě polonia a vytváří dioxidy, disulfidy a diselenidy. Nitrid germania má vzorec Ge 3 N 4 .
Cín tvoří dva hydridy: SnH 4 a Sn 2 H 6 . Cín tvoří dihalogenidy a tetrahalogenidy se všemi halogeny kromě astatu. Cín tvoří chalkogenidy s jedním z každého přirozeně se vyskytujícího chalkogenu kromě polonia a tvoří chalkogenidy se dvěma z každého přirozeně se vyskytujícího chalkogenu kromě polonia a teluru.
Olovo tvoří jeden hydrid, který má vzorec PbH 4 . Olovo tvoří s fluorem a chlorem dihalogenidy a tetrahalogenidy a tvoří dibromid a dijodid, ačkoli tetrabromid a tetrajodid olova jsou nestabilní. Olovo tvoří čtyři oxidy, sulfid, selenid a tellurid.
Nejsou známy žádné sloučeniny flerovia.
Fyzický
Body varu skupiny uhlíku mají tendenci klesat s těžšími prvky. Uhlík, nejlehčí prvek skupiny uhlíku, sublimuje při 3825 ° C. Teplota varu křemíku je 3265 ° C, germania je 2833 ° C, cínu je 2602 ° C a olova je 1749 ° C. Flerovium se předpovídá varu při -60 ° C. Teploty tání prvků skupiny uhlíku mají zhruba stejný trend jako jejich teploty varu. Křemík taje při 1414 ° C, germánium taje při 939 ° C, cín taje při 232 ° C a olovo taje při 328 ° C.
Krystalová struktura uhlíku je šestihranná ; za vysokých tlaků a teplot vytváří diamant (viz níže). Křemík a germánium mají diamantové krychlové krystalické struktury, stejně jako cín při nízkých teplotách (pod 13,2 ° C). Cín při pokojové teplotě má tetragonální krystalovou strukturu. Olovo má krychlovou strukturu zaměřenou na obličej .
Tyto hustoty prvků uhlík skupiny mají tendenci se zvyšovat s rostoucím atomovým číslem. Uhlík má hustotu 2,26 gramu na centimetr krychlový , křemík hustotu 2,33 gramu na centimetr krychlový, germanium hustotu 5,32 gramu na centimetr krychlový. Cín má hustotu 7,26 gramů na centimetr krychlový a olovo hustotu 11,3 gramů na centimetr krychlový.
Tyto atomové poloměry prvků uhlík skupiny mají tendenci se zvyšovat s rostoucím atomovým číslem. Atomový poloměr uhlíku je 77 pikometrů , křemíku je 118 pikometrů, germania je 123 pikometrů, cínu je 141 pikometrů a olova je 175 pikometrů.
Allotropes
Uhlík má více alotropů . Nejběžnějším je grafit , což je uhlík ve formě skládaných listů. Další formou uhlíku je diamant , ale ten je poměrně vzácný. Amorfní uhlík je třetím allotropem uhlíku; je to součást sazí . Dalším allotropem uhlíku je fulleren , který má formu listů atomů uhlíku složených do koule. Pátý allotrop uhlíku, objevený v roce 2003, se nazývá grafen a je ve formě vrstvy atomů uhlíku uspořádaných ve tvaru plástev.
Křemík má dvě známé alotropy, které existují při pokojové teplotě. Tyto alotropy jsou známé jako amorfní a krystalické alotropy. Amorfní allotrop je hnědý prášek. Krystalický allotrop je šedý a má kovový lesk .
Cín má dvě alotropy: α-cín, také známý jako šedý cín, a β-cín. Cín se obvykle nachází ve formě beta-cínu, stříbrného kovu. Při standardním tlaku se však β-cín mění na α-cín, šedý prášek, při teplotách nižších než 13,2 ° C/56 ° Fahrenheita. To může způsobit, že se cínové předměty při nízkých teplotách rozpadnou na šedý prášek v procesu známém jako cínový škůdce nebo cínová hniloba.
Nukleární
Nejméně dva z prvků skupiny uhlíku (cín a olovo) mají magická jádra , což znamená, že tyto prvky jsou běžnější a stabilnější než prvky, které nemají magické jádro.
Izotopy
Existuje 15 známých izotopů uhlíku . Z toho tři se přirozeně vyskytují. Nejběžnější je stabilní uhlík-12 , následovaný stabilním uhlíkem-13 . Carbon-14 je přírodní radioaktivní izotop s poločasem rozpadu 5 730 let.
Bylo objeveno 23 izotopů křemíku . Pět z nich se přirozeně vyskytuje. Nejběžnějším je stabilní křemík-28, následovaný stabilním křemíkem-29 a stabilním křemíkem-30. Křemík-32 je radioaktivní izotop, který se přirozeně vyskytuje v důsledku radioaktivního rozpadu aktinidů a spallací v horních vrstvách atmosféry. Křemík-34 se také přirozeně vyskytuje v důsledku radioaktivního rozpadu aktinidů.
Bylo objeveno 32 izotopů germania . Pět z nich se přirozeně vyskytuje. Nejběžnějším je stabilní izotop germanium-74, následovaný stabilním izotopem germanium-72, stabilní izotop germanium-70 a stabilní izotop germanium-73. Izotop germanium-76 je prvotní radioizotop .
Bylo objeveno 40 izotopů cínu . 14 z nich se vyskytuje v přírodě. Nejběžnější je cín-120, následovaný cínem-118, cínem-116, cínem-119, cínem-117, cínem-124, cínem-122, cínem-112 a cínem-114: všechny jsou stabilní. Cín má také čtyři radioizotopy, ke kterým dochází v důsledku radioaktivního rozpadu uranu. Tyto izotopy jsou cín-121, cín-123, cín-125 a cín-126.
Bylo objeveno 38 izotopů olova . 9 z nich je přirozeně se vyskytujících. Nejběžnějším izotopem je lead-208, následovaný lead-206, lead-207 a lead-204: všechny jsou stabilní. 4 izotopy olova pocházejí z radioaktivního rozpadu uranu a thoria. Tyto izotopy jsou olovo-209, olovo-210, olovo-211 a olovo-212.
Bylo objeveno 6 izotopů flerovia (flerovium-284, flerovium-285, flerovium-286, flerovium-287, flerovium-288 a flerovium-289). Žádný z nich se přirozeně nevyskytuje. Nejstabilnějším izotopem Flerovium je flerovium-289, které má poločas rozpadu 2,6 sekundy.
Výskyt
Uhlík se hromadí v důsledku hvězdné fúze ve většině hvězd, dokonce i malých. Uhlík je v zemské kůře přítomen v koncentracích 480 dílů na milion a v mořské vodě je přítomen v koncentracích 28 dílů na milion. Uhlík je v atmosféře přítomen ve formě oxidu uhelnatého , oxidu uhličitého a metanu . Uhlík je klíčovou složkou uhličitanových minerálů a je v hydrogenuhličitanu , který je běžný v mořské vodě. Uhlík tvoří 22,8% typického člověka.
Křemík je v zemské kůře přítomen v koncentracích 28%, což z něj činí druhý nejhojnější prvek. Koncentrace křemíku v mořské vodě se může pohybovat od 30 dílů na miliardu na povrchu oceánu do 2000 dílů na miliardu hlouběji dolů. Křemíkový prach se ve stopovém množství vyskytuje v zemské atmosféře. Silikátové minerály jsou nejběžnějším druhem minerálů na Zemi. Křemík tvoří v průměru 14,3 dílu na milion lidského těla. Pouze největší hvězdy produkují křemík hvězdnou fúzí.
Germanium tvoří 2 části na milion zemské kůry, což z něj činí 52. nejhojnější prvek. V průměru tvoří germanium 1 díl na milion půdy . Germanium tvoří 0,5 dílu na bilion mořské vody. Organogermaniové sloučeniny se nacházejí také v mořské vodě. Germánium se v lidském těle vyskytuje v koncentracích 71,4 ppm. Bylo zjištěno, že Germanium existuje v některých velmi vzdálených hvězdách.
Cín tvoří 2 části na milion zemské kůry, což z něj činí 49. nejhojnější prvek. V průměru tvoří cín 1 díl na milion půdy. Cín existuje v mořské vodě v koncentracích 4 části na bilion. Cín tvoří 428 dílů na miliardu lidského těla. Oxid cínatý se v půdách vyskytuje v koncentracích 0,1 až 300 ppm. Cín se také vyskytuje v koncentracích jedné promile v vyvřelých horninách .
Olovo tvoří 14 dílů na milion zemské kůry, což z něj činí 36. nejhojnější prvek. V průměru olovo tvoří 23 dílů na milion půdy, ale v blízkosti starých olověných dolů může koncentrace dosáhnout 20 000 dílů na milion (2 procenta). Olovo existuje v mořské vodě v koncentracích 2 díly na bilion. Olovo tvoří 1,7 hmotnostních dílů na milion lidského těla. Lidská činnost uvolňuje do životního prostředí více olova než jakýkoli jiný kov.
Flerovium se vyskytuje pouze v urychlovačích částic .
Dějiny
Objevy a využití ve starověku
Uhlík , cín a olovo jsou některé z prvků dobře známých ve starověkém světě, spolu se sírou , železem , mědí , rtutí , stříbrem a zlatem .
Křemík jako oxid křemičitý ve formě skalního krystalu znali predynastičtí Egypťané, kteří jej používali na korálky a malé vázy; raným Číňanům; a pravděpodobně mnoha dalším ze starověku. Výrobu skla obsahujícího oxid křemičitý prováděli jak Egypťané - přinejmenším již v roce 1500 př. N. L. -, tak Féničané . Mnoho z přirozeně se vyskytujících sloučenin nebo silikátových minerálů bylo použito v různých druzích malty na stavbu obydlí nejstaršími lidmi.
Zdá se, že původ cínu je v historii ztracen. Zdá se, že bronz, což jsou slitiny mědi a cínu, používal prehistorický člověk nějakou dobu před izolováním čistého kovu. Bronzy byly běžné v rané Mezopotámii, údolí Indu, Egyptě, Krétě, Izraeli a Peru. Velká část cínu, který používaly rané středomořské národy, zjevně pocházela ze Scilly Isles a Cornwallu na Britských ostrovech, kde těžba kovu pochází zhruba z období 300–200 př. N. L. Cínové doly fungovaly v incké i aztécké oblasti Jižní a Střední Ameriky před španělským dobytím.
Olovo je často zmiňováno v raných biblických zprávách. Tyto Babyloňané použit kov jako desky, na kterých zaznamenat nápisy. Tyto Romans použil pro tablety, vodovodní potrubí, mince, a to i kuchyňského nádobí; vskutku, v důsledku posledního použití byla otrava olovem uznána v době Augusta Caesara . Sloučenina známá jako bílé olovo byla zjevně připravena jako dekorativní pigment nejméně již v roce 200 př. N. L.
Moderní objevy
Amorfní elementární křemík poprvé získal čistý v roce 1824 švédský chemik Jöns Jacob Berzelius ; nečistý křemík byl získán již v roce 1811. Krystalický elementární křemík byl připraven až v roce 1854, kdy byl získán jako produkt elektrolýzy.
Germánium je jedním ze tří prvků, jejichž existenci předpověděl v roce 1869 ruský chemik Dmitrij Mendělejev, když poprvé navrhl svou periodickou tabulku. Prvek však nebyl nějakou dobu skutečně objeven. V září 1885 objevil horník vzorek minerálu ve stříbrném dole a dal ho správci dolu, který určil, že se jedná o nový minerál, a minerál poslal Clemensovi A. Winklerovi . Winkler si uvědomil, že vzorek byl 75% stříbra, 18% síry a 7% neobjeveného prvku. Po několika měsících Winkler prvek izoloval a určil, že jde o prvek 32.
První pokus o objevení flerovia (tehdy označovaného jako „prvek 114“) byl v roce 1969 ve Společném institutu pro jaderný výzkum , ale byl neúspěšný. V roce 1977 výzkumníci ze Společného institutu pro jaderný výzkum bombardovali atomy plutonia 244 vápníkem-48 , ale opět neuspěli. Tato jaderná reakce se opakovala v roce 1998, tentokrát úspěšně.
Etymologie
Slovo „uhlík“ pochází z latinského slova carbo , což znamená „dřevěné uhlí“. Slovo „křemík“ pochází z latinského slova silex nebo silicis , což znamená „pazourek“. Slovo „germanium“ pochází ze slova germania , což je latinsky Německo, země, kde bylo germánium objeveno. Slovo „cín“ pochází ze staroanglického slova cín . Slovo „lead“ pochází ze staroanglického slova lead . Flerovium bylo pojmenováno po Georgyi Flyorovovi a jeho institutu.
Aplikace
Uhlík se nejčastěji používá ve své amorfní formě. V této formě se uhlí používá k výrobě oceli , jako saze , jako náplň do pneumatik , do respirátorů a jako aktivní uhlí . Uhlík se také používá ve formě grafitu, který se běžně používá jako olovo v tužkách . Diamant , další forma uhlíku, se běžně používá ve šperkařství. Uhlíková vlákna se používají v mnoha aplikacích, jako jsou satelitní vzpěry, protože jsou velmi pevná, ale přesto elastická.
Oxid křemičitý má širokou škálu aplikací, včetně zubní pasty , stavebních plniv a oxid křemičitý je hlavní složkou skla . 50% čistého křemíku se věnuje výrobě kovových slitin . 45% křemíku se věnuje výrobě silikonů . Křemík se také běžně používá v polovodičích od 50. let minulého století.
Germánium se používalo v polovodičích až do 50. let minulého století, kdy bylo nahrazeno křemíkem. Radiační detektory obsahují germanium. Germaniumioxid se používá ve vláknové optice a širokoúhlých objektivech fotoaparátů. Malé množství germania smíchaného se stříbrem může způsobit, že stříbro bude odolné proti poškrábání. Výsledná slitina je známá jako argentium.
Pájka je nejdůležitější použití cínu; Do této aplikace jde 50% veškerého vyrobeného cínu. 20% veškerého vyrobeného cínu se používá v plechu . 20% cínu používá také chemický průmysl . Cín je také součástí mnoha slitin, včetně cínu . Oxid cínatý se v keramice běžně používá po tisíce let. Cobalt stannan je sloučenina cínu, která se používá jako cerulean modrý pigment .
80% veškerého vyrobeného olova jde do olověných akumulátorů . Mezi další aplikace olova patří závaží, pigmenty a stínění proti radioaktivním materiálům. Olovo se historicky používalo v benzínu ve formě tetraethylleadu , ale tato aplikace byla ukončena kvůli obavám z toxicity.
Výroba
Allotropní diamant Carbon vyrábí převážně Rusko , Botswana , Kongo , Kanada a Jižní Afrika , Indie . 80% všech syntetických diamantů vyrábí Rusko. Čína produkuje 70% světového grafitu. Dalšími zeměmi těžby grafitu jsou Brazílie , Kanada a Mexiko .
Křemík lze vyrábět zahříváním oxidu křemičitého s uhlíkem.
Existuje několik germaniových rud, jako je germanit , ale nejsou těženy, protože jsou vzácné. Místo toho se germánium extrahuje z rud kovů, jako je zinek . V Rusku a Číně se od ložisek uhlí odděluje také germania. Rudy obsahující germanium se nejprve zpracují chlórem za vzniku chloridu germania , který se smíchá s plynným vodíkem. Poté je germánium dále rafinováno zónovou rafinací . Ročně se vyrobí zhruba 140 metrických tun germania.
Doly produkují 300 000 metrických tun cínu ročně. Čína, Indonésie , Peru , Bolívie a Brazílie jsou hlavními producenty cínu. Metoda, kterou se vyrábí cín, je zahřívání cínového minerálu cassiterit (SnO 2 ) koksem .
Nejčastěji těženou olověnou rudou je galenit (sulfid olovnatý). Nově se ročně vytěží 4 miliony metrických tun olova, většinou v Číně, Austrálii , USA a Peru. Rudy se mísí s koksem a vápencem a pražením se získává čisté olovo. Většina olova je recyklována z olověných baterií . Celkové množství olova, které kdy lidé vytěžili, činí 350 milionů metrických tun.
Biologická role
Uhlík je klíčovým prvkem celého známého života. Je ve všech organických sloučeninách, například v DNA , steroidech a bílkovinách . Důležitost uhlíku pro život je dána především jeho schopností vytvářet četná pouta s jinými prvky. V typickém 70kilogramovém člověku je 16 kilogramů uhlíku.
O životaschopnosti života na bázi křemíku se běžně diskutuje. Je však méně schopný než uhlík vytvářet propracované prstence a řetězce. Křemík ve formě oxidu křemičitého používají rozsivky a mořské houby k vytváření svých buněčných stěn a koster . Křemík je nezbytný pro růst kostí u kuřat a potkanů a může být také nezbytný u lidí. Lidé denně spotřebují v průměru 20 až 1200 miligramů křemíku, většinou z obilovin . V typickém 70kilogramovém člověku je 1 gram křemíku.
Biologická role germania není známa, přestože stimuluje metabolismus . V roce 1980 bylo Kazuhiko Asai oznámeno, že germánium prospívá zdraví, ale toto tvrzení nebylo prokázáno. Některé rostliny přijímají germánium z půdy ve formě oxidu germania . Tyto rostliny, které obsahují zrna a zeleninu, obsahují zhruba 0,05 dílu na milion germania. Odhadovaný příjem germania člověkem je 1 miligram denně. V typickém 70kilogramovém člověku je 5 miligramů germania.
Ukázalo se, že cín je nezbytný pro správný růst u potkanů, ale od roku 2013 neexistují žádné důkazy, které by naznačovaly, že lidé potřebují cín ve své stravě. Rostliny nevyžadují cín. Rostliny však shromažďují cín ve svých kořenech . Pšenice a kukuřice obsahují sedm, respektive tři díly na milion. Hladina cínu v rostlinách však může dosáhnout 2 000 dílů na milion, pokud se rostliny nacházejí v blízkosti huti na cín . V průměru lidé denně spotřebují 0,3 miligramu cínu. V typickém 70kilogramovém člověku je 30 miligramů cínu.
Olovo nemá žádnou známou biologickou roli a ve skutečnosti je vysoce toxické , ale někteří mikrobi jsou schopni přežít v prostředí kontaminovaném olovem. Některé rostliny, například okurky, obsahují až desítky dílů na milion olova. V typickém 70kilogramovém člověku je 120 miligramů olova.
Flerovium nemá žádnou biologickou roli a místo toho se nachází a vyrábí se pouze v urychlovačích částic.
Toxicita
Elementární uhlík není obecně toxický, ale mnoho z jeho sloučenin ano, například oxid uhelnatý a kyanovodík . Uhlíkový prach však může být nebezpečný, protože se ukládá v plicích podobným způsobem jako azbest .
Silikonové minerály nejsou typicky jedovaté. Prach z oxidu křemičitého, například ten, který emitují sopky, však může způsobit nepříznivé účinky na zdraví, pokud se dostane do plic.
Germánium může interferovat s takovými enzymy, jako je laktát a alkohol dehydrogenáza . Organické sloučeniny germania jsou toxičtější než anorganické sloučeniny germania. Germánium má u zvířat nízký stupeň orální toxicity. Silná otrava germaniem může způsobit smrt respirační paralýzou .
Některé sloučeniny cínu jsou toxické pro požití , ale většina anorganických sloučenin cínu je považována za netoxickou. Organické sloučeniny cínu, jako je trimethylcín a triethylcín, jsou vysoce toxické a mohou narušit metabolické procesy uvnitř buněk.
Olovo a jeho sloučeniny, jako jsou octany olovnaté, jsou vysoce toxické. Otrava olovem může způsobit bolesti hlavy , žaludku, zácpu a dnu .
Flerovium je příliš radioaktivní na to, aby bylo možné testovat, zda je toxické nebo ne, i když samotná jeho vysoká radioaktivita by byla toxická.