Elementi IV grupe PSE

Elementi četvrte grupe PSE imaju specifičan položaj. Na sredini su između izrazitih metala i izrazitih nemetala. Ugljenik je klasičan nemetal, mada ponekad pokazuje osobine metala (grafit ima metalni sjaj). Silicijum je slabiji nemetal ili amfoter (metaloid). Sličan silicijumu je germanijum (metaloid), mada je kod njega nemetalni karakter iščezao i javlja se slab metalni. Kalaj i olovo su slabi metali ili amfoterni elementi. Poslednji element grupe je nedavno sintetisan i ne nalazi se u prirodi.

 

Ugljenik

• atomski broj: 6
• A_r: 12,011
• grupa: 4
• perioda: L
• blok: p
• osobine: nemetal (metaloid)
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 5100 K
• T.T: 3773 K
• gustina: 2,26(grafit) - 3,51 (dijamant)g/cm³
• elektronegativnost: 2,5
• otkriće: poznat od davnina
• lat. naziv: carboneum
• oksidaciona stanja: +4, -4, +2
• raspored elektrona po nivoima:2, 4
• elektronska konfiguracija: [He]2s²2p²
• atomski poluprečnik: 70 pm
• alotropske modifikacije:
  • amforni
  • grafit, heksagonalni - provodnik el. struje, metalni sjaj (slabije vezani elektroni)
  • dijamant, tetragonalni
  • fuleren, oblik "fudbalske lopte", obično C₆₀ mada može C_20-72
  • Pronađeno je joše nekoliko, manje bitnih, alotropskih modifikacija ugljenika
• jačina nekih kovalentnih veza (kJ/mol):
  • C-H, 411
  • C-C, 348
  • C=C, 614
  • C=O, 745
  • CC, 839
  • C=N, 615
  • CN, 891
• izotopi:
  1. C-12
     • zastupljenost u prirodi: 98,9%
     • raspad: stabilan
  2. C-13
     • zastupljenost u prirodi: 1,1%
     • raspad: stabilan
  3. C-14
     • zastupljenost u prirodi: u tragovima
     • raspad: beta^-
     • vreme poluraspada: 5730 godina
     • raspada se na: N-14

Silicijum

• atomski broj: 14
• A_r: 28,05
• grupa: 4
• perioda: M
• blok: p
• osobine: metaloid
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 3538 K
• T.T: 1687 K
• gustina: 2,33g/cm³
• elektronegativnost: 1,8
• otkriće: J. Berzelius, 1823.
• lat. naziv: silicium
• oksidaciona stanja: +4, (ređe +2)
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 4
• elektronska konfiguracija: [Ne]3s²3p²
• atomski poluprečnik: 110 pm
• jačina nekih kovalentnih veza (kJ/mol):
  • Si-H, 326
  • Si-C, 301
  • Si-O, 486
  • Si-F, 582
  • Si-Cl, 391
  • Si-Si, 226
• izotopi:
  1. Si-28
     • zastupljenost u prirodi: 92,23%
     • raspad: stabilan
  2. Si-29
     • zastupljenost u prirodi: 4,67%
     • raspad: stabilan
  3. Si-30
     • zastupljenost u prirodi: 3,1%
     • raspad: stabilan
  4. Sintetisan je radioaktivan izotop Si-32.

Germanijum

• atomski broj: 32
• A_r: 72,59
• grupa: 4
• perioda: N
• blok: p
• osobine: amfoteran element ili metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 3103 K
• T.T: 1210 K
• gustina: 5,32g/cm³
• elektronegativnost: 1,8
• otkriće: C. Winkler, 1886.
• lat. naziv: germanium
• oksidaciona stanja: +4, +2
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 4
• elektronska konfiguracija: [Ar]4s²3d¹⁰4p²
• atomski poluprečnik: 125 pm
• brzina zvuka: 5400 m/s
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Ge -> Ge⁺, 762
  • Ge⁺ -> Ge²⁺, 1537
  • Ge²⁺ -> Ge³⁺, 3302
  • Ge³⁺ -> Ge⁴⁺, 4410
• izotopi:
  1. Ge-70
     • zastupljenost u prirodi: 21,23%
     • raspad: stabilan
  2. Ge-72
     • zastupljenost u prirodi: 27,66%
     • raspad: stabilan
  3. Ge-73
     • zastupljenost u prirodi: 7,73%
     • raspad: stabilan
  4. Ge-74
     • zastupljenost u prirodi: 35,94%
     • raspad: stabilan
  5. Ge-76
     • zastupljenost u prirodi: 7,44%
     • raspad: stabilan
  6. Sintetisani su izotopi germanijuma atomskih masa 68 i 71.

Kalaj

• atomski broj: 50
• A_r: 118,69
• grupa: 4
• perioda: O
• blok: p
• osobine: amfoteran element ili metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 2875 K
• T.T: 505 K
• gustina: 5,769(sivi) - 7,265g/cm(beli)³
• elektronegativnost: 1,8
• otkriće: poznat od davnina
• lat. naziv: stannum
• oksidaciona stanja: +4, +2
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 18, 4
• elektronska konfiguracija: [Kr]5s²4d¹⁰5p²
• atomski poluprečnik: 145 pm
• brzina zvuka: 2730 m/s
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Sn -> Sn⁺, 709
  • Sn⁺ -> Sn²⁺, 1412
  • Sn²⁺ -> Sn³⁺, 2943
  • Sn³⁺ -> Sn⁴⁺, 3930
• izotopi:
  1. Sn-112
     • zastupljenost u prirodi: 0,97%
     • raspad: stabilan
  2. Sn-114
     • zastupljenost u prirodi: 0,65%
     • raspad: stabilan
  3. Sn-115
     • zastupljenost u prirodi: 0,34%
     • raspad: stabilan
  4. Sn-116
     • zastupljenost u prirodi: 14,54%
     • raspad: stabilan
  5. Sn-117
     • zastupljenost u prirodi: 7,68%
     • raspad: stabilan
  6. Sn-118
     • zastupljenost u prirodi: 24,23%
     • raspad: stabilan
  7. Sn-119
     • zastupljenost u prirodi: 8,59%
     • raspad: stabilan
  8. Sn-120
     • zastupljenost u prirodi: 32,59%
     • raspad: stabilan
  9. Sn-122
     • zastupljenost u prirodi: 4,63%
     • raspad: stabilan
  10. Sn-124
      • zastupljenost u prirodi: 5,79%
      • raspad: stabilan
  11. Sintetisani je izotop kalaja atomske mase 126. Kalaj je element sa najviše stabilnih izotopa - čak 10.
• alotropske modifikacije:
  • sivi - ispod 18⁰C
  • beli - preko 18⁰C

Olovo

• atomski broj: 82
• A_r: 207,2
• grupa: 4
• perioda: P
• blok: p
• osobine: amfoteran element ili metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 2022 K
• T.T: 600 K
• gustina: 11,34g/cm³
• elektronegativnost: 1,8
• otkriće: poznato od davnina
• lat. naziv: plumbum
• oksidaciona stanja: +2, +4
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 32, 18, 4
• elektronska konfiguracija: [Xe]6s²4f¹⁴5d¹⁰6p²
• atomski poluprečnik: 180 pm
• brzina zvuka: 1190 m/s
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Pb -> Pb⁺, 715
  • Pb⁺ -> Pb²⁺, 1450
  • Pb²⁺ -> Pb³⁺, 3081
  • Pb³⁺ -> Pb⁴⁺, 4083
• izotopi:
  1. Pb-204
     • zastupljenost u prirodi: 1,6%
     • raspad: alfa
     • vreme poluraspada: 1,4 * 10¹⁷ godina
     • raspada se na: Hg-200
  2. Pb-206
     • zastupljenost u prirodi: 24,1%
     • raspad: stabilan
  3. Pb-207
     • zastupljenost u prirodi: 22,1%
     • raspad: stabilan
  4. Pb-208
     • zastupljenost u prirodi: 52,4%
     • raspad: stabilan
  5. Pb-210
     • zastupljenost u prirodi: u tragovima
     • raspad: beta^-, alfa
     • vreme poluraspada: 22,3 godine
     • raspada se na: Hg-206, Bi-210
  6. Poznat je sintetički izotop olova atomske mase 205.

Ununkvadijum

• atomski broj: 114
• A_r: 288
• grupa: 4
• perioda: Q
• blok: p
• osobine: slab metal
• agregatno stanje: verovatno čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: ? K
• gustina: ?g/cm³
• elektronegativnost: ?
• otkriće: Dubna, 1999.
• lat. naziv: ununquadium
• oksidaciona stanja: ?
• raspored elektrona po nivoima:2, 8, 18, 32, 32, 18, 4
• elektronska konfiguracija: [Rn]7s²5f¹⁴6d¹⁰7p²
• atomski poluprečnik: ? pm
• izotopi:
  1. Sintetisan je samo jedan atom elementa 114.

Dobijanje

Svi elementi IV grupe (osim sintetskog - Uuq) nalaze se u znatnijim količinama u zemljinoj kori.

Ugljenik ulazi u sastav svih organskih jedinjenja, u atmosferi ga ima u obliku CO₂. U zemljinoj kori nalazi se između ostalog u nafti i ugljevima. Kao grafit dolazi ređe, a najređe kao dijamant.

Silicijum je drugi najzastupljeniji element u zemljinoj kori (prvi je kiseonik) i čini oko četvrtine zemljine kore (uglavnom u obliku aluminosilikata i SiO₂). Silicijum se proizvodi iz SiO₂ redukcijom u električnom luku pomoću veoma istog grafita.

SiO₂ + C -> Si + O₂

Ovako se dobija silicijum sa 1-4% primesa. Pošto je za poluprovodničku industriju potreban izuzetno čist silicijum. Si se prečišćava pomoću dve metode. Prva je fizička i sastoji se u pomeranju bloka od nedovoljno čistog Si kroz peć na čejem je jednom delu temperatura dovoljna da se iztopi silicijum. Deo tečnog silicijuma koji nastaje pomeranjem nosi nečistoće pošto se naknadno odseče. Ova metoda izvodi se i sa nepokretnim blokom Si oko kog se pomera indukcioni kalem. Učinak je isti uz manje utrošene energije.

Druga metoda prečišćavanje Si je hemijska. Si se provodi kroz atmosferu HCl i stvara gasovite produkte (hlorsilani, a HSiCl₃, trihlorsilan, se izdvaja i prečišćava destilacijom) koji se zatim u atmosferi vodonika redukuju na 1200⁰C, a čist silicijum se sublimuje iz gasovitog stanja. Dobijena HCl se ponovo koristi za dobijanje HSiCl₃.

HSiCl₃ + H₂ -> Si + 3HCl

Germanijum se dobija pri prečišćavanju Pb, Zn, Cu, a dolazi i u rudama argiroditu i germanitu.

Kalaj dolazi kao kasiterit (SnO₂) u eruptivnom kamenju, uglavnom na malajskom poluostrvu. Iz rude se može izdvojiti relativno prostom redukcijom uz pomoć ugljenika pri povišenoj temperaturi.

SnO₂ + 2C -> Sn + 2CO

Osnovna ruda olova je galenit (PbS). Iz njega se izdvaja postupkom sličnim za sve sulfidne rude.

Prvi deo jeste koncentrisanje rude - flotacija (ona se primenjuje za koncentrisanje svake rude). Ruda se usitni, a zatim unosi u bazen sa vodom. Bazen ima mešalicu i pumpu za uduvavanje vazduha. Dodaju se tenzidi (površinski aktivne supstance) - "penušavac" (adsorbuje su na granici vazduh/voda - sastoji se od manjeg polarnog dela koji se vezuje za molekule vode, i većeg nepolarnog, koji se vezuje za molekule vazduha) i "kolektor" (polarni deo se selektivno veje za mineral, a nepolarni time čini mineral hidrofobnim). Baloni vazduha stabilizovani penušavcem i čestice minerala sa kolektorom se međusobno vežu i isplivavaju na površinu odakle se mineral sakuplja.

Galenit se prvo prži na oksid.

2PbS + 3O₂ -> 2PbO +2 SO₂

Koji se redukuje uz pomoć ugljenika.

PbO + C -> Pb + CO

Reakcije

Elementi IV grupe se međusobno razlikuju po osobinama.

Ugljenik je nemetal i kao takav ne reaguj sa kiselinama i bazama. Usijan reaguje sa vodenom praom i taj se postupak koristi za dobijanje vodonika (v. tekst o vodoniku). Zagrejan regauje sa kiseonikom. Ukoliko nema dovoljno kiseonika stvara se ugljenik(II)oksid.

C + O₂ -> CO₂

2C + O₂ -> 2CO

Reaguje i sa halogenima, najlakše sa fluorom (zatim Cl).

C + 2F₂ -> CF₄

Grafit reaguje i sa koncentrovanom HNO₃ dajući mezitilnu kiselinu ( v. tekst o produktima oksidacije polihidroksilnih alkohola) - 1,2,3,4,5,6-benzen-heksakiselina.

Si regauje s kiseonikom na 900⁰C, sa azotom na 1400⁰C, sa fluorom pri normalnim uslovima i sa ostalim halogenima  na oko 300⁰C. Reaguje samo sa HF od kiselina, a sa alkalijama gradi soli - silikate.

Si + O₂ -> SiO₂

3Si + 2N₂ -> Si₃N₄

Si + 2F₂ -> SiF₄

Si + 2I₂ -> SiI₄

Si + HF -> [SiF]^2- + 2H⁺ + 2H₂

Si + NaOH -> [SiO₄]^4- + 4Na⁺ + 2H₂

Germanijum, kalaj i olovo se ponašaju sličnije. Svi su zaštićeni tankim slojem oksida koji ih čini inertnim prema vodi. Kalaj reaguje sa vodenom parom.

Sn + 2H₂O -> SnO₂ + 2H₂

Svi reaguju sa kiseonikom (premda nisu korozivni) i halogenima pri zagrevanju gradeći četvoro i dvovalentna jedinjenja. Kod germanijuma preovlađuju 4-valentna, kod kalaja i četvoro i dvovalenta jednako, a kod olova su stabilnija dvovalentna jedinjenja.

Ge + O₂ -> GeO₂

Sn + 2Cl₂ -> SnCl₄

Sn + Cl₂ -> SnCl₂

2Pb + O₂ -> 2PbO

Kao amfoterni elementi reaguju i sa kiselinama i sa bazama. Sa kiselinama najlakše reaguje kalaj, germanijum ne reaguje. Ovi elementi slabije reaguju sa kiselinama, jer ih štiti prevlaka oksida.

Sn + 2HCl -> SnCl₂ + H₂

Pb + 4NaOH + 4H₂O -> Na₄Pb(OH)₈ + 2H₂

Jedinjenja elemenata četvrte grupe su većinom kovalentna. Kalaj i olovo, posebno dvovalenti, grade jonska jedinjenja.

Primena

Ugalj se koristi kao gorivo, grafit za olovke, a dijamant za sečenje stakla (tehnički) i kao dragi kamen. Ugljenik (koks) se koristi i kao redukciono sredstvo u metalurgiji. Ugalj je nastao truljenjem organske materije u zemljinoj kori. Nekoliko je vrsta uglja, čija se vrednost meri kalorijama (ona je proporcionalna procentu ugljenika). Najstariji i najbolji su antracit i kameni ugalj, zatim drvni, treset... Koks se dobija industrijski.

Silicijum je navažnija sirovina u proizvodnji poluprovodnika.

Germanijum se takođe koristi u industriji poluprovodnika.

Kalaj ulazi u sastav legura - lem (33%, 67% Pb), bronza (20%, 80% Cu). Beli lim se koristi za konzerve. To je čelik (pretodno očišćen pomoću H₂SO₄) prevučen slojem kalaja (čelik se uroni u rastopljeni kalaj). Kalaj legurama i belom limu daje potrebnu otpornost prema oksidaciji i delovanju organskih kiselina (kojih naročito ima u proizvodima koji se konzerviraju).

Olovo se koristilo za tanad. Danas se najviše koristi za akumulatore.

Jedinjenja

Budući da se elementi četvrte grupe znatno razlikuju po osobinama, grade različite tipove jedinjenja. Jedinjenja imaju značajnu primenu.

Neorganska jedinjenja ugljenika su oksidi (CO i CO₂), ugljena kiselina H₂CO₃ i njene soli karbonati (CO₃^2-) i hidrogen(bi)karbonati (HCO₃^-).

Silicijumova najvažnija jedinjenja su SiO₂ (u prirodi kvarc, kremen - u sastavu nekog dragog kamenja - ametist), ortosilikatna kiselina (H₄SiO₄) koja dehidratacijom:

H₄SiO₄ -> H₂O + H₂SiO₃

prelazi u metasilikatnu i njihove soli (silikati). To su izuzetno slabe kiseline, koje grade koloidne rastvore u vodi.

Najzastupljenija jedinjenja Si u prirodi su aluminosilikati (kao gline, zeoliti...). Obično su hidratisani. To su jedinjenja koja sadrže aluminosilikatni anjon (AlSiO₄^-) za koji su vezani katjoni, obično alkalnih i zemnoalkalnih metala.

Zanimljiva su jedinjenja silicijuma - silani, koji su slični alkanima, samo su mnogo reaktivniji. Opšta formula im je Si_nH_2n+2. Prvi čaln je (mono)silan, zatim disilan...

Mg₂Si + 4H⁺ -> 2Mg²⁺ + SiH₄

Silani sa halogenima grade jedinjenja slična halidima.

Silicijum gradi još zanimljivih jedinjenja - silikone. Jedan od prostijih je metilsilikon.

Germanijum, kalaj i olovo grade sličnija jedinjenja. Veći značaj imaju jedinjenja kalaja i olova. Mogu se podeliti na okside, hidrokside (ili kiseline, dok Pb(OH)₂ pokazuje i bazan karakter) i soli - sulfate, hloride, karbonate, soli organskih kiselina. Takođe postoje soli olovne, odnosno kalajne kiseline (Pb(OH)₄ i Sn(OH)₄), jer su ti hidroksidi amfoterni.

Literatura:

• Mini Periodic Table
• PSE sa Sveta Hemije
• "Hemijska čitanka", Živorad Čeković