Prvky IV.A skupiny

- prvky IV.A skupiny periodickej sústavy prvkov alebo p²-prvky majú 4 valenčné elektróny (ns² np²)

- všetky sú pevné látky

- uhlík a kremík sú nekovy, germánium je polokov, cín a olovo sú kovy

- uhlík je maximálne stvorväzbový, ostatné prvky sú až šesťväzbové (môžu využívať prázdne nd-orbitály)

- majú rozdielnu štruktúru, s čím súvisia úplne iné vlastnosti, napr.:

• tvrdosť a krehkosť uhlíka, kremíka a germánia
• ťažkosť cínu
• kovové vlastnosti olova

Uhlík

Výskyt

- voľný kryštalizuje v troch alotropických modifikáciách ako:

•  diamant (kubická sústava) ja najtvrdší nerast v prírode (tvrdosť = 10), elektricky nevodivý, pevné kovalentné väzby, vysoká teplota topenia a varu, nerozpustný v bežných rozpúšťadlách, je to atómový kryštál, každý atóm uhlíka je kovalentne viazaný so štyrmi susednými atómami vo vrcholoch tetraédra
• grafit alebo tuha (hexagonálna sústava) má sivočierne sfarbenie, kovový lesk, je mäkký, dobre vedie elektrický prúd, má vrstevnatú štruktúru s pravidelným usporiadaním uhlíkových atómov, ktoré sú viazané nepolárnymi kovalentnými väzbami do šesťuholníkov, medzi jednotlivými vrstvami pôsobia slabé van der Walsove sily; každý atóm uhlíka sa viaže s tromi ďalšími atómami uhlíka
• fulerény – sférické molekuly, zložené z päť alebo častejšie zo šesťčlenných kruhov atómov uhlíka, v priestore sú tieto molekuly usporiadané do guľovitého tvaru (majú tvar futbalovej lopty), sú mimoriadne odolné voči vonkajším fyzikálnym vplyvom, najstabilnejší známy fulerén je molekula, obsahujúca 60uhlíkových atómov
                         
  štruktúra diamantu                štruktúra grafitu
   
  štruktúra fulerénov 

- viazaný:

• v anorganických zlúčeninách, napr. nerasty (uhličitany) kalcit CaCO₃, magnezit MgCO₃, horniny dolomit, vápenec, v atmosfére a minerálnych vodách ako oxid uhličitý CO₂
• vo všetkých organických zlúčeninách, je to biogénny prvok

Vlastnosti a reakcie

- má schopnosť reťaziť sa a tvoriť násobné väzby

- pomerne málo reaktívny, s inými prvkami reaguje až pri vyšších teplotách

- netvorí vodíkové mostíky (má nízku elektronegativitu)

- na reakcie sa používajú technické formy uhlíka, napr. koks alebo uhlie

            Hybridizácia uhlíka

• hybridizácia sp³ - rozloženie elektrónových hustôt smeruje do vrcholov pravidelného štvorstenu (tetraédra), kde je väzbový uhol 109°28`, v každom zo štyroch rovnocenných hybridných orbitálov sp³ je jeden nespárený elektrón, vyskytuje sa v atómoch uhlíka viazaných zo susednými atómami jednoduchou kovalentnou väzbou
  
• hybridizácia sp² - je výsledkom kombinácie dvoch orbitálov 2p a jedného orbitálu s, kde je väzbový uhol 120°, vyskytuje sa v atómoch uhlíka viazaných dvojitou väzbou
  
• hybridizácia sp - je daná kombináciou jedného orbitálu 2s a 2p, kde je väzbový uhol 180°, vyskytuje sa v atómoch uhlíka viazaných trojitou väzbou
  

Výroba

- vyrába sa rozkladom organických zlúčenín bez prístupu vzduchu

- umelo sa vyrábajú obidve modifikácie uhlíka – grafit i diamant

Použitie

- grafit sa požíva na výrobu elektród, ceruziek, taviacich téglikov, moderátorov jadrových reaktorov, mazadiel ložísk

- diamant sa používa na obrábanie tvrdých materiálov, do vrtných hlavíc, na výrobu šperkov

- aktívne uhlie (pórovitá forma uhlíka s veľkým povrchom), slúži na adsorpciu plynných látok, napr. vo filtroch ochranných masiek alebo pri liečbe chorôb tráviaceho traktu ako tzv. živočíšne uhlie

- sadze (technický uhlík) – rozptýlený uhlík vznikajúci pri nedokonalom spaľovaní organických látok, využívajú sa ako plnidlo pri výrobe pneumatík a plastov

- na vykurovanie sa používa čierne uhlie a koks – vzniká karbonizáciou čierneho uhlia, je vysoko výhrevné

- pri výrobe niektorých kovov, ako palivo, na určovanie veku historických nálezísk

Zlúčeniny

- bezkyslíkaté: sírouhlík, kyanovodík, kyselina kyanovodíková, karbidy

- kyslíkaté: oxidy, kyselina uhličitá

SÍROUHLÍK CS₂

- nervový jed

- bezfarebná jedovatá kvapalina, nerozpustná vo vode

- nepolárne rozpúšťadlo, rozpúšťa síru a biely fosfor

- vzniká z prvkov pri zvýšenej teplote

                                   2S + C → CS₂

KYANOVODÍK HCN

- bezfarebná kvapalina, rozpustná vo vode

- prudko jedovatý, spôsobuje ochrnutie dýchacieho systému

- jeho roztok – kyselina kyanovodíková HCN sa správa ako veľmi slabá kyselina

- od kyseliny kyanovodíkovej odvodzujeme soli, kyanidy M¹CN^-I, sú prudko jedovaté, najvýznamnejší je kyanid draselný KCN je prudko jedovatý alebo tzv. cyankáli

KARBIDY

- zlúčeniny uhlíka s elektropozitívnejšími prvkami, sú tvrdé, pevné, majú vysokú teplotu topenia, rozlišujeme:

• iónové karbidy (s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín) s vodu reagujú pri vzniku acetylénu; karbid vápenatý je významná surovina pri výrove acetylénu

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + CH≡CH

• kovalentné karbidy, napr. SiC (tzv. karborundum – brúsny materiál), Be₂C

OXIDY

            OXID UHOĽNATÝ CO

- bezfarebný plyn bez zápachu, vo vode málo rozpustný, je ľahší ako vzduch

- vzniká horením uhlíka za neprístupu kyslíka

            2C + O₂ → 2CO

- veľmi reaktívne, silné redukčné činidlo

            Fe₂CO₃ + CO → 2Fe + 2CO₂

            - pripravuje sa rozkladom kyseliny močovej

                                   HCOOH → CO + H₂O

- je jedovatý, má schopnosť viazať sa na krvné farbivo hemoglobín a vzniká karbonylhemoglobín, čím bráni prenášaniu kyslíka a môže tak dôjsť k uduseniu

- je súčasťou priemyselne významných plynov: vodného plynu (H₂ + CO) a generátorového plynu (N₂ + CO)

            OXID UHLIČITÝ CO₂

- bezfarebný, nehorľavý, ľahko skvapalniteľný plyn bez chuti a zápachu, je ťažší ako vzduch

- vo vode je nerozpustný, je to zdroj uhlíka pri fotosyntéze rastlín

                                   CO₂ + H₂O → H₂CO₃

- je nedýchateľný, naviaže sa na hemoglobín a vzniká karboxylhemoglobín

- vzniká pri dokonalom spaľovaní uhlíka a dostatočnom prístupe vzduchu, pri  dýchaní, tlení, kvasení

                                   CO + O₂ → CO₂

- prepravuje s v oceľových fľašiach s červeným pruhom

            - slabé oxidačné činidlo

            - jeho chladením vzniká pevný oxid uhličitý, známy ako suchý ľad

- pripravuje sa reakciu uhličitanov so silnými kyselinami alebo ich tepelným rozkladom

                                   CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

                                   CaCO₃ –^t→ CaO + CO₂

- požíva sa pri výrobe nápojov, cukru, sódovej vody, kvapalný sa používa ako náplň do snehových hasiacich prístrojov

            - jeho rozpustením vo vode vzniká slabá kyselina uhličitá

KYSELINY

            KYSELINA UHLIČITÁ H₂CO₃

            - dvojsýtna slabá, veľmi nestála kyselina, existuje iba vo vodnom roztoku

            - pripravuje sa zavádzaním oxidu uhličitého do vody

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

            - tvorí dva druhy solí:

• uhličitany M¹₂CO₃ sú vo vode nerozpustné, okrem uhličitanov alkalických kovov s (NH₄)₂CO₃, významné sú K₂CO₃ (potaš) a Na₂CO₃ (sóda), ktoré sa používajú na výrobu pracích prostriedkov a skla
• hydrogenuhličitany M¹HCO₃ sú vo vode rozpustné, najvýznamnejšia je jedlá sóda NaHCO₃ ktorá sa používa v potravinárstve a často býva súčasťou prípravkov pôsobiacich proti zvýšenej kyslosti žalúdočnej šťavy

    - významným derivátom kyseliny uhličitej je fosgén COCl₂ (chlorid karbonylu), jedovatý, dusivý, bezfarebný plyn bez zápachu, vzniká pri     hasení tetrachlórovými (CCl₄) hasiacimi prístrojmi

Kremík

Výskyt

- hneď po kyslíku je druhý najrozšírenejší prvok na Zemi (25,8%), obsahuje ho tretina všetkých známych nerastov

- v prírode sa nachádza takmer iba vo forme kyslíkatých anorganických zlúčenín s oxidačným číslom IV ako:

• kremeň SiO₂
• kremičitany (napr. granát, turmalín)
• hlinitokremičitany (napr. sľudy, živice)

- vyskytuje sa len viazaný, má tri alotropické modifikácie:

         kremeň SiO₂ ←^870°C→ tridymit ←^1470°C→ kristobalit

Vlastnosti a reakcie

- tmavosivá, kovovo lesklá tvrdá kryštalická látka

- má vysokú teplotu topenia

- svojou štruktúrou sa podobá diamantu, väzby sú však menej pevné, a preto je krehkejší

- i napriek rovnakému počtu elektrónov na valenčnej vrstve sa od uhlíka výrazne odlišuje spôsobom väzby a teda i štruktúrou svojich zlúčenín

- vo väčšine zlúčenín vystupuje ako štvorväzbový (zriedkavo troj- alebo jednoväzbový)

- nízka hodnota elektronegativity spôsobuje, že jeho väzby majú kovalentný charakter, netvorí vodíkové mostíky

- nie je príliš reaktívny, s inými prvkami sa zlučuje až pri vysokých teplotách, napr. s kyslíkom na oxid kremičitý, so sírou na disulfid, s uhlíkom na karbid a s väčšinou kovov na  silicidy

- s výnimkou HF je odolný proti kyselinám

- farebné odrody kremeňa sú polodrahokami, môže byť sfarbené rôznymi prímesami

Výroba

- získava sa redukciou oxidu kremičitého karbidom vápenatým alebo uhlíkom v elektrických peciach

                                   SiO₂ + CaC₂ → Si + Ca + 2CO

                                   SiO₂ + 2C → Si + 2CO

Použitie

- ako polovodič v elektrotechnickom priemysle

- výroba silikónov, tesniace materiály, sklárstvo, klenotníctvo, plastická chirurgia

- jeho roztavením sa vyrába sklo, pridáva sa tam potaš na zníženie teploty topenia

Zlúčeniny

SILICIDY

- zlúčeniny kremíka s kovmi, napr. Li₃Si, CaSi₂

- vodou ani zriedenými kyselinami sa väčšinou nerozkladajú

SILÁNY

- zlúčeniny kremíka s vodíkom

- tvoria rovnako ako alkány rad rad zlúčenín so všeobecným vzorcom Si_nH_2n+2

- mono- a disilán sú plyny, vyššie sú kvapaliny

- sú samozápalné a veľmi reaktívne, s vodou reagujú, pričom vzniká vodík

HALOGENIDY KREMIČITÉ

- sú prchavé

- najvýznamnejší je fluorid kremičitý SiF₄, vzniká ako produkt pri spracovaní fluórapatitov

- fluorid kremičitý s vodou dáva kyselinu hexafluorokremičitú H₂SiF₆, ktorá existuje iba v roztoku, jej soli sú hexafluorokremičitany     M^I₂SiF₆

OXIDY

            OXID KREMIČITÝ SiO₂

            - pevná, tvrdá, chemicky odolná a ťažko taviteľná látka s priestorovou štruktúrou

            - nerozpustný vo vode

- základnú štruktúru tvorí tetraéder SiO₄, v ktorého vrcholoch sú 4 atómy kyslíka spojené pevnými väzbami s atómom kremíka, nachádzajúcim sa uprostred, jednotlivé tetraédre sú navzájom spojené spoločným atómom kyslíka

- je odolný voči všetkým kyselinám okrem HF (preto kyselina fluorovodíková leptá sklo)

- v prírode sa oxid kremičitý najčastejšie nachádza ako drobný kryštalický znečistený kremeň – piesok

- používa sa v stavebníctve, pri výrobe skla a porcelánu, sfarbené odrody kremíka sa využívajú pri výrobe šperkov, napr. záhneda (hnedá), ametyst (fialový), citrín (žltý), ruženín (ružový) alebo číry bezfarebný kremeň krištáľ
                  

- sklo je homogénna amfoterná látka vznikajúca ochladením taveniny, bežné sklo vzniká tavením sklárskeho piesku (SiO₂), uhličitanov alkalických kovov (sóda, potaš), vápenca a ďalších prísad

- reaguje so zásadami (hydroxid sodný), je kyselinotvorný

                                   SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

KYSELINY

            KYSELINA KREMIČITÁ

- vzniká okyslením vodných roztokov alkalických kremičitanov alebo hydrolýzou kremičitých halogenidov

- ďalším státím alebo zahriatím sa mení na rôsolovitý gél, jeho vysušením získame amorfný tvrdý gél – silikagél, ktorý má pre svoju pórovitosť veľmi dobre absorpčné vlastnosti a používa sa v chemických laboratóriách

KREMIČITANY

- vznikajú tavením oxidu kremičitého s hydroxidmi a uhličitanmi alkalických kovov

                                   SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

- ich základnou stavebnou jednotkou sú tetraédre SiO₄ spojené do väčších celkov cez kyslíkové atómy, u hlinitokremičitanov je časť časť atómov kremíka nahradená uhlíkom

- podľa spôsobu spojenia jednotlivých tetraédrov rozlišujeme kremičitany so štruktúrou ostrovčekovou, reťazovitou, vrstevnatou a priestorovou

- kremičitany a hlinitokremičitany sú v prírode rozšírené ako nerasty alebo časté súčasti hornín, medzi najdôležitejšie patria napr. živice, kaolit azbest alebo sľudy

- používajú sa predovšetkým na výrobu keramiky a cementu

SILIKÓNY

- syntetické organokremičité polymérne zlúčeniny obsahujúce v molekulách pravidelne sa opakujúcu jednotku, kde R je uhľovodíkový zvyšok

- sú mimoriadne tepelne odolné a hydrofóbne (odpudzujú vodu)

- používajú sa napr. ako mazacie oleje, náterové hmoty, izolačný materiál

Cín, olovo

Výskyt

- elementárne sa vyskytujú len vzácne, väčšinou vo svojich zlúčeninách ako galenit PbS alebo kasiterit (cínovec) SnO₂

Vlastnosti a reakcie

- cín je striebrolesklý ťažný kov, ktorý sa dá valcovať na tenkú fóliu – staniol, je odolný proti vode, kyselinám i zásadám

- olovo je sivý mäkký kov, na vzduchu sa pokrýva oxidom olovnatým (chráni ho pred ďalšou oxidáciou), nerozpúšťa sa v zriedených kyselinách, rozpúšťa sa v kyseline dusičnej

Výroba

- cín sa vyrába z oxidu ciničitého redukciou uhlíkom

- olovo sa vyrába pražením galenitu na oxid olovnatý a jeho následnou redukciou

Použitie

- cín sa používa na povrchové úpravy menej odolných kovov, tzv. pocínovanie, na výrobu zliatin, napr. bronzu (meď + cín), ako pájka

- olovo sa používa na výrobu obalov káblov, elektród do akumulátorov, obalov chrániacich pred RTG žiarením, ako pájak

- pájka je zliatina kovov, ktorá sa používa na spájanie kovov, najčastejšie obsahuje cín, olovo, zinok a iné prvky

Zlúčeniny

- zlúčeniny ciničité sú stabilnejšie než cínaté, oxid ciničitý SnO₂ sa používa pri výrobe smaltov

- všetky zlúčeniny olova sú jedovaté, zlúčeniny olovnaté sú stabilnejšie než olovičité, oxid olovnato-olovičitý Pb₃O₄ (mínium) sa používa na výrobu antikoróznych náterových zmesí