Kémiai alapismeretek 11. hét

Átírás

1 Kémiai alapismeretek 11. hét Horváth Attila Pécsi Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Kémia Intézet, Szervetlen Kémiai Tanszék november / /2012 I. félév, Horváth Attila c

2 SZÉN CSOPORT Szén: Őskorban is ismert (faszén, korom), de XVIII. századig nem azonosították. Egyiptomiak is használták írásra 1564 Ceruza kereskedelmi mennyiségű gyártása 1752 Black előállítja a CO2 -t (kréta hevítése, karbonát+sav reakció) 1771 Priestly növények anyagcseréje (CO 2 -O 2 ) 1779 Ingenhousz fotoszintézis alapelveinek tisztázása 1796 Tennant: gyémánt a C egy formája Kekülé: benzolgyűrű fogalmának megalkotása 1890 Mond első fém-karbonil vegyületek: Ni(CO) 4 és Fe(CO) Libby 14 C kormeghatározás C NMR-jelének észlelése 1985 Fullerének felfedezése Oláh György Nobel-díja karbokation kémiájáért. 2/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

3 Szilícium: Kovakő (SiO2 ) és a szilikátok ősidők óta ismertek ben állította elő Berzelius K2 SiF 6 -ból Wöhler szintetizálja a szilánt. (SiH 4 ) 1863 Friedel és Crafts tetraetil-szilán előállítása es évek sziloxánok, szilikonpolimerek fejlesztése Ge, Sn, Pb: 1871 Mengyelejev jóslata az eka-szilíciumról Winkler Ge felfedezése az argirodit analízise során (Ag 8 GeS 6 ) Sn, Pb régóta ismertek 3/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

4 1 Szén: Elemi állapotban (grafit, gyémánt) és vegyületekben (alkálikarbonátok, CO 2 ). [Szerves anyagok] Földkéreg 17. leggyakoribb eleme. 2 Szilícium: Elemi állapotban nem fordul elő. Mindig oxigénhez kapcsolódik a természetben. (szilikátok, kvarc, stb.) Földkéreg 2. leggyakoribb eleme. 3 Ge, Sn: Viszonylag ritka elemek. Tiszta Ge ásvány nincs, csak nyomelemként fordul elő. Sn: kassziterit (SnO 2 ). 4 Pb: Leggyakoribb nehézelem. 4 izotópja közül 3 stabil. Természetes radioaktív bomlási sorok végterméke. Ásványok: galenit (PbS), cerusszit (PbCO3 ), anglesit (PbSO 4 ) 4/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

5 Elektronkonfiguráció: ns 2 np 2 1 Szén: magas op., fp. 3 természetes izotóp 14 C radioaktív: t 1/2 =5600 év Allotróp módosulat: Bizonyos elemek több kristályszerkezeti módosulatban is előfordulnak. Szén allotróp módosulatai: gyémánt, grafit, fullerének Gyémánt: klasszikus atomrács, tetraéderes, sp 3 hibridizáció fényes, átlátszó, igen kemény anyag nem vezető, nincs oldószere, magas op., metastabil 5/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

6 Grafit: réteges (hatszöges) kristályrács fekete, átlátszatlan, fémes fényű, lágy fémes vezető, oldószere nincs, magas op., stabil Fullerének: C 60 : 12 ötszög és 20 hatszög alkotja C 70, C 76, C 84 barnásfekete por szerves oldószerekben különböző színnel és mértékben oldódik 6/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

7 2 Szilícium: sötét szürke, fémes csillogású, kemény Viszonylag magas op., fp. 3 stabil izotópja van ( 28 Si, 29 Si, 30 Si) 2 radioaktív izotóp: 31 Si t 1/2 =2,62 h, 32 Si t 1/2 =172 év) (mesterségesen állíthatók elő!) gyémántrácsban kristályosodik. nincs allotróp módosulata közönséges körülmények között. Nagy nyomáson ( 10GPa) torzul a gyémántrács, majd hexagonálissá alakul. félfém, félvezető tulajdonságú 3 Germánium: szürkés fehér, kemény, rideg Közepes op., fp. 5 stabil természetes izotóp szürkésfehér, csillogó, gyémántszerű kristály nincs allotróp módosulata félfém, félvezető 7/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

8 4 Ón: Alacsony op., fp. lágy, könnyen nyújtható Tíz stabil izotóp 13 2 allotróp módosulat (α C β) α-ón: szürke por, gyémánt szerkezet; β-ón: fehér, tetragonális szerkezet 5 Ólom: Alacsony op., fp. könnyen formálható 4 stabil izotóp nincs allotróp módosulat 8/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

9 Tul. C Si Ge Sn Pb E i /kj mol 1 I II III IV EN 2,5 1,8 1,8 1,8 1,9 op./ C fp./ C ρ/gcm 3 3,514 2,336 5,323 5,77(α) 11,34 7,27(β) R atom /pm 77,2 117,6 122,3 140, / /2012 I. félév, Horváth Attila c

10 1 Szén: Oxidációs száma: 4 és +4 között EN=2,5 kovalens kötés vegyületekben. gyémánt inert, grafit reaktívabb H-nel alkotott vegyületei: szénhidrogének (szerves kémia) Halogénekkel alkotott vegyületei: Közvetlenül csak fluorral reagál a szénpor CX 4 összetétel apoláris vegyületek, alacsony op., fp. CF 4 igen stabil, színtelen gáz, 600 C-ig ellenáll savaknak, lúgoknak, oxidáló-, redukálószereknek. Politetrafluoro-etén (teflon) CCl 4 jellegzetes szagú, színtelen, folyékony vegyület. Ipari, laboratóriumi oldószer. CBr 4 : halványsárga, szilárd anyag. Kevésbé stabil. CI 4 : élénkvörös, szilárd anyag, jódra emlékeztető szagú. Kevésbé stabil, mint CBr 4. Vegyes halogénszármazékok: CF 2 Cl 2 (freon). Hajtógáz ózon pajzs 10/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

11 Oxidok: 2 kimagaslóan stabil oxid (CO, CO 2 ) és három kisebb stabilitású (C 3 O 2, C 5 O 2 és C 12 O 9 ). C 3 O 2 (O=C=C=C=O): kellemetlen szagú gáz, malonsav savanhidridje. Szobahőmérsékleten sárga anyaggá polimerizálódik. C 5 O 2 (O=C=C=C=C=C=O): sárga szilárd anyag, -90 felett bomlik. C 12 O 9 : mellitsav anhidridje (C 6 (COOH) 6 ), fehér könnyen szublimáló por. CO: színtelen, szagtalan, éghető gáz Ipari előállítása: C+O 2 =2CO, CH 4 +H 2 O CO+3H 2 Laboratóriumi előállítás: HCOOH hő,h 2SO 4 CO+H2 O rendkívül mérgező (stabil komplex a hemoglobinnal) Reakció fémekkel: Fe + 5CO Fe(CO) 5 CO+NaOH=HCOONa jó redukálószer: Fe 2 O 3 +3CO=2Fe+3CO 2 katalitikus reakciók alapja: metanol gyártás, ecetsavgyártás (metanol+co), stb. 11/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

12 CO 2 : színtelen, szagtalan, nem éghető, levegőnél nehezebb gáz. Nem mérgező. Vízben fizikailag is oldódik (CO 2 nh 2 O) Kémiai oldódás: CO 2 +H 2 O=H 2 CO 3 : CaCO 3 hevítése vagy CaCO 3 sósavas kezelése. Természetben: fotoszintézis, üvegházhatás, bor Szénsav (H 2 CO 3 ): gyenge sav (pk 1 =6,35, pk 2 =10,32) ph szabályozás:h 2CO 3 = H + + HCO 3 és HCO 3 = H + + CO 2 3 Szulfidok: CS 2 : legjelentősebb, színtelen gyúlékony folyadék. Jó oldószere a kénnek. : műselyem, celofángyártás Reakció fémekkel: Elemek közvetlen reakciójával állítható elő (2000 C felett). Jelentősek: CaC 2, Fe 3 C (cementit) acetiléngyártás, műtrágyagyártás Reakció vízzel (izzó szén): vízgáz reakció: C+H 2 O=CO+H 2 12/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

13 2 Szilícium: EN=1,8 kovalens kötést alkot magas hőmérsékleten reakcióképes savoldatoknak ellenáll (kivéve: cc.hno 3 +HF) forró lúgoldatokban oldódik: Si+4OH =SiO H 2 H-nel alkotott vegyületek: Szilánok (Si nh 2n+2 ), homológ sor első két tagja gáz, a többi folyadék. Hexaszilán felett nagyon instabilak. Sokkal reakcióképesebbek mint a CH-ek. (E kötés (Si-Si) E kötés (C-C) öngyulladás: SiH 4 +2O 2 =SiO 2 +H 2 O hidrolízis: SiH 4 +2H 2 O=SiO 2 +4H 2 Halogénekkel alkotott vegyületek (SiX4 ): Közönséges T-n: Si+2F 2 =SiF 4 Magasabb T-n többi halogénnel is: Si+2X 2 =SiX 4 SiX 4 könnyen hidrolizálnak: SiCl 4 +2H 2 O=SiO 2 +4HCl üvegmaratás: SiO 2 +6HF=H 2 [SiF 6 ]+2H 2 O 13/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

14 Oxidok: Kvarc: T=600 C-on Si+O 2 =SiO 2 (több mint 22 módosulat!) szilikátok: Földkéreg 95%-a szilikátásvány és SiO 2 14/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

15 3 Germánium: Oxidációs száma: +2 és +4 közönséges hőmérsékleten indifferens oxidáló savakban oldódik (HNO3 ) HCl-ben, lúgokban nem 4 Ón: Oxidációs száma: +2 és +4 Jóval reaktívabb, mint a Ge, tömény savakban oldódik. Híg HNO 3 -ban Sn(NO 3 ) 2 és NH 4 NO 3 képződik. Lúgokkal reagál: Sn+2KOH+4H2 O=K 2 [Sn(OH) 6 ]+2H 2 Halogénekkel könnyen reagál SnX4 keletkezik. 5 Ólom: Csökkent reakciókészség a felületi oxidréteg miatt. Reakcióik az Sn-hez hasonlóak (halogénekkel, savakkal) Szerves savak azonban oldják az Pb-t. 15/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

16 Si, Ge: SiO 2 + 2C = Si + 2CO GeCl4 + 2H 2 = Ge + 4HCl Sn: SnO2 + 2C = Sn + 2CO Pb: PbS pörkölés: PbS + 3/2O 2 = PbO + SO 2 PbS + 2O 2 = PbSO 4 Redukció: PbO + PbS = 3Pb + SO 2 PbS + PbSO 4 = 2Pb + 2SO 2 vagy PbO + C = Pb + CO 16/ /2012 I. félév, Horváth Attila c

17 Szén: kormeghatározás NMR-spektroszkópia gyógyszeripar Szilícium, Germánium: félvezetők ötvözőanyag Ón: ötvözőanyag (bronz) forrasztástechnika csomagolás (sztaniolpapír) Ólom: akkumulátorok festékipar (Pb 3 O 4 ) benzinadalék volt 17/ /2012 I. félév, Horváth Attila c