14. skupina

14. skupina
 ns2 np2
 
 
 
        
        
                  
                  
                                
                                
IUPAC skupina14
CAS skupinaIV. A
Typická elektronová konfiguracens2 np2
Počet valenčních elektronů4

Prvky 14. skupiny (také 4. hlavní skupina, skupina uhlíku nebo tetrely) jsou uhlík (C), křemík (Si), germanium (Ge), cín (Sn), olovo (Pb) a flerovium (Fl). Tato skupina leží v bloku p periodické tabulky a její prvky mají čtyři valenční elektrony. Elektronová konfigurace jejich valenční elektronové slupky je ns2np2. Díky tomu preferují tvorbu sloučenin v oxidačním stavu II. a IV.

Prvky této skupiny mají velmi odlišné chemické a fyzikální vlastnosti, protože skupina je rozdělena na dvě části dělící čárou mezi kovy, polokovy a nekovy. První prvek skupiny uhlík je nekov, následující dva křemík a germanium jsou polokovy a zbylé cín, olovo a flerovium jsou kovy.

Uhlík, cín a olovo byly dobře známé již ve starověku spolu se sírou, železem, mědí, rtutí, stříbrem a zlatem.

Chemie uhlíku, především sloučeniny jejichž skelet tvoří řetězce C-C, je z velké částí předmětem studia organické chemie. U křemíku je ochota k řetězení nižší.

Etymologie

  • Název skupiny tetrely je odvozen z latinské předpony tetra (čtyři) a odkazuje na čtyři valenční elektrony, které všechny tyto prvky mají ve svých valenčních slupkách.
  • Název uhlíku (latinsky carbonium nebo carboneum) pochází z latinského slova carbo, což znamená dřevěné uhlí.
  • Křemík (latinsky silicium) pochází z latinského slova silex nebo silicis, což znamená pazourek.
  • Germanium pochází ze slova germania, což je latinský výraz pro Německo, kde bylo germanium objeveno.
  • Cín se latinsky nazývá stannum.
  • Olovo se latinsky nazývá plumbum.  
  • Flerovium bylo pojmenováno na počest svého objevitele ruského fyzika Georgije Nikolajeviče Fljorova.

Historie

  • Uhlík byl známý ve formě sazí a dřevěného uhlí již v nejranějších civilizacích. Ve formě dřevěného uhlí byl vyráběn již za římských časů stejným postupem jako dnes - zahříváním dřeva v kupoli pokryté hlínou bez přístupu vzduchu. Diamanty byly známy pravděpodobně již v roce 2500 př. n. l. v Číně. V roce 1722 René Antoine Ferchault de Réaumur demonstroval, že železo bylo přeměněno na ocel absorpcí nějaké látky, nyní známé jako uhlík. V roce 1772 Antoine Lavoisier ukázal, že diamanty jsou formou uhlíku. V roce 1786 francouzští vědci Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge a C. A. Vandermonde ve své publikaci navrhli název carbone (latinsky carbonum) pro prvek v grafitu. Antoine Lavoisier pak uvedl uhlík jako prvek ve své učebnici z roku 1789.
  • Křemík ve formě skalního křišťálu (bezbarvá odrůda křemene) byl znám již starým Egypťanům, kteří ho používali pro na korálky a malé vázy. Výroba skla obsahujícího oxid křemičitý byla prováděna Egypťany a Féničany již v roce 1500 př. n. l. Mnoho přirozeně se vyskytujících sloučenin nebo silikátových (křemičitých) minerálů bylo lidmi používáno v různých druzích malty pro stavbu obydlí již od starověku. Amorfní elementární křemík byl poprvé získán čistý v roce 1824 švédským chemikem Jönsem Jacobem Berzeliusem. Krystalický elementární křemík byl získán až v roce 1854 jako produkt elektrolýzy.
  • Germanium je jedním ze tří prvků, jejichž existence byla předpovězena v roce 1869 ruským chemikem Dmitrijem Ivanovičem Mendělejevem. Již v roce 1885 objevil horník ve stříbrném dole vzorek nového minerálu, který byl předán Clemensi A. Winklerovi. Ten určil ze 75 % stříbro, z 18 % síry a ze 7 % dosud neobjevený prvek. Po několika měsících prvek izoloval a určil, že se jedná o 32 prvek v periodické tabulce prvků - germanium.
  • Historie cínu úzce souvisí s bronzem, neboť slitiny mědi a cínu byly používány prehistorickým člověkem ještě před izolací čistého kovu. Bronzy byly běžné v rané Mezopotámii, údolí Indu, Egyptě, na Krétě, v Izraeli a Peru. Většina cínu používaného ranými středomořskými národy zřejmě pocházela z ostrovů Scilly a Cornwallu na Britských ostrovech.Cínové doly existovaly také v inckých i aztéckých oblastech Jižní a Střední Ameriky ještě před objevem Španěly.
  • Olovo je často zmiňováno v raných biblických záznamech. Sloučenina známá jako bílé olovo byla zřejmě připravena jako dekorativní předmět již v roce 200 př.nl. Babyloňané používali kov jako desky, na které se zaznamenávaly nápisy. Římané používali olovo na vodní dýmky nebo mince. Jako kuchyňské náčiní způsobovalo otravu již v době Augusta Caesara.
  • První pokus o objev flerovia, tehdy označovaného jako prvek 114, byl proveden v roce 1969 ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů v Dubně, ale byl neúspěšný. V roce 1977 výzkumníci téhož ústavu bombardovali atomy plutonia 244 vápníkem 48, ale opět neúspěšně. Až v roce 1998 byla proveden úspěšná jaderná reakce za vzniku flerovia. V roce 2012 byl tento prvek nazván flerovium na počest svého objevitele ruského fyzika Georgije Nikolajeviče Fljorova.

Vlastnosti

  • Všechny prvky 14. skupiny mají čtyři elektrony ve valenční vrstvě. Elektronová konfigurace jejich valenční elektronové slupky je ns2 np2. Díky tomu preferují tvorbu sloučenin s oxidačním číslem II. a IV.
  • Prvky v této skupině mají velmi odlišné chemické a fyzikální vlastnosti. První prvek skupiny uhlík je nekov, následující dva křemík a germanium jsou polokovy, cín, olovo a flerovium jsou kovy.
  • S rostoucím atomovým číslem se zvyšuje atomová hmotnost, atomový poloměr a iontový poloměr.
  • Hustota grafitu (C) a křemíku je cca 2,3 kg/dm3, olovo má 11,34 kg/dm3.
  • Pro tyto prvky existuje široká škála Mohsovy stupnice tvrdosti, od maximální 10 pro diamant až po minimální 1,5 pro cín.
  • Cín má nejvyšší elektrickou vodivost 9,17 MS/m, zatímco křemík má nejnižší 25,2 MS/m.
  • 1. ionizační energie klesá s rostoucím atomovým číslem z 11,26 eV pro uhlík na 7,34 eV pro cín. Olovo má opět mírně zvýšenou hodnotu 7,42 eV.
  • Elektronegativita má tendenci klesat s rostoucím atomovým číslem z 2,5 (C), 1,7 (Si) na 1,6 (Pb).
ElementAtomová hmotnostBod

tání (K)

Bod

varu (K)

Hustota

(kg /m3)

Mohsova tvrdostElektrická vodivost

(S/m)

Elektronegativita
Uhlík12,011382351002250 až 35100,5 až 10,010−4... 10+6,52,5
Křemík28,0861683262823306,52,52 · 10−41,7
Germanium72,591211309353231,452,0
Cín118,71505287573101,59,17 · 1061,96
Olovo207,206012022113401,54,81 · 1061,6

Chemické reakce

Základní reakce

Vzhledem k velkým rozdílům v rámci skupiny je obtížné specifikovat obecné chování těchto prvků při chemických reakcích. V následujících základních chemických rovnicích představuje E prvek ze skupiny uhlíku.

E + O2 → EO2

Nejdůležitější reakcí je tvorba příslušného oxidu uhličitého z uhlíku. Kromě čtyřmocných oxidů jsou známy také dvojmocné oxidy. Stabilita dvojmocných oxidů se zvyšuje s rostoucím atomovým číslem, zatímco stabilita čtyřmocných oxidů mírně klesá.

  • Reakce s vodíkem (bez tvorby řetězců, není spontánní):
E + 2 H2 → EH4
  • Reakce s vodou. Žádný ze skupinových prvků nereaguje s vodou.
  • Reakce s halogeny, jako příklad s použitím chloru:
E + 2 Cl2 → ECl4
E + Cl2 → ECl2

Uhlík, křemík a germanium reagují pouze za vzniku tetrachloridů (uhlík vytváří tetrachlormethan). S cínem jsou možné chloridy SnCl4 a SnCl2. Olovo tvoří pouze dichlorid PbCl2.

Řetězení

Příklady modelů molekul uhlovodíků

Charakteristickým rysem prvků 14. skupiny je jejich schopnost tvořit vodíkové sloučeniny s dlouhým lineárním řetězcem se vzorcem:

XH3-(XH2)n-XH3

Kruhové formace jsou také možné a mají vzorec:

(XH2)n

Všechny atomy vodíku jsou v těchto sloučeninách kovalentně vázány. Jejich stabilita klesá s rostoucím atomovým číslem prvku. Sloučeniny s řetězci uhlíku a křemíku s vodíkem jsou důležité a mají své názvy, ostatní prvky skupiny tvoří nestabilní sloučeniny:

  • Uhlovodíky - skupina uhlovodíků je nejrozsáhlejší, protože neexistují téměř žádné limity pro počet vazeb uhlíku C-C, a tím i pro délku jejich řetězce. Další specifickou vlastností uhlíku je jeho schopnost vytvářet stabilní dvojné a trojné vazby. Uhlovodíky a jejich deriváty se zabývá organická chemie .
  • Silany - v případě křemíku je schopnost vytvářet řetězce omezena na maximálně 15 vazeb Si-Si. Dvojné nebo dokonce trojné vazby jsou nestabilní, a ani silany s jednoduchou vazbou nepatří mezi nejstabilnější sloučeniny.
  • Germanium je schopno vytvořit maximálně devět vazeb Ge-Ge. To samozřejmě výrazně omezuje možnosti sloučenin.
  • Cín je schopen pouze jedné vazby Sn-Sn. Proto existují pouze dvě sloučeniny této třídy SnH4 a SnH3-SnH3.
  • Olovo nemá schopnost vytvářet řetězce. Je známá pouze sloučenina PbH4, ale je nestabilní.

Výskyt v přírodě

Uhlík (grafit a diamant)

Zemská kůra se skládá z 27,7% prvků uhlíkové skupiny. Z toho 99,8% je křemík, druhý nejhojnější prvek v zemské kůře (po kyslíku).

Křemík

Zbývajících 0,2 % se dělí takto:

  • 99,1 % uhlíku
  • 0,94% olovo
  • 0,02% cín
  • 0,01% germanium

Jednotlivé prvky

Germanium
Olovo

Odkazy

Související články

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Carbon group na anglické Wikipedii a Kohlenstoffgruppe na německé Wikipedii.

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

SiliconCroda.jpg
Close up photo of a piece of purified silicon.
Polycrystalline-germanium.jpg
Autor: Jurii, Licence: CC BY 3.0
12 grams polycrystalline germanium, 2*3 cm.
Tin-2.jpg
Autor: Jurii, Licence: CC BY 3.0
Tin blob
Lead electrolytic and 1cm3 cube.jpg
Autor: Alchemist-hp (talk) (www.pse-mendelejew.de), Licence: FAL
Electrolytically refined pure (99.989 %) superficially oxidized lead nodules and a high purity (99.989 %) 1 cm3 lead cube for comparison.
Graphite-and-diamond-with-scale.jpg
Autor: Robert M. Lavinsky , Licence: CC BY-SA 3.0
Diamond and graphite shown side by side, for illustrating carbon. Scale is based on a rough approximation.
Diamond
Locality: South Africa
Size: 1.31 carats: 7 x 6 x 6 mm
An octahedral facetable crystal.
Graphite
Locality: El Cochi, Sonora, Mexico
Size: thumbnail, 2.5 x 2.4 x 1.2 cm
Crudely crystallized graphite, with a resinous luster.