Išči

    Ogljikova skupina

    Skupina 14 v periodnem sistemu
    Vodik Helij
    Litij Berilij Bor Ogljik Dušik Kisik Fluor Neon
    Natrij Magnezij Aluminij Silicij Fosfor Žveplo Klor Argon
    Kalij Kalcij Skandij Titan Vanadij Krom Mangan Železo Kobalt Nikelj Baker Cink Galij Germanij Arzen Selen Brom Kripton
    Rubidij Stroncij Itrij Cirkonij Niobij Molibden Tehnecij Rutenij Rodij Paladij Srebro Kadmij indij Kositer Antimon Telur Jod Ksenon
    Cezij Barij Lantan Cerij Prazeodim Neodim Prometij Samarij Evropij Gadolinij Terbij Disprozij Holmij Erbij Tulij Iterbij Lutecij Hafnij Tantal Volfram Renij Osmij Iridij Platina Zlato Živo srebro Talij Svinec Bizmut Polonij Astat Radon
    Francij Radij Aktinij Torij Protaktinij Uran Neptunij Plutonij Americij Kirij Berkelij Kalifornij Ajnštajnij Fermij Mendelevij Nobelij Lavrencij Raderfordij Dubnij Siborgij Borij Hasij Majtnerij Darmštatij Rentgenij Kopernicij Nihonij Flerovij Moskovij Livermorij Tenes Oganeson
    IUPAC ime skupine 14
    Ime po elementu ogljikova skupina
    Trivialno ime tetreli
    CAS številka skupine
    (ZDA, vzorec A-B-A)
    IVA
    stara IUPAC številka
    (Evropa, vzorec A-B)
    IVB

    ↓ Perioda
    2
    Slika: Diamant in grafit, dva ogljikova alotropa
    Ogljik (C)
    6 Druga nekovina
    3
    Slika: Prečiščeni silicij
    Silicij (Si)
    14 Polkovina
    4
    Slika: Polkristalni germanij
    Germanij (Ge)
    32 Polkovina
    5
    Slika: Alfa- in beta-kositer, dva kositrova alotropa
    Kositer (Sn)
    50 Druga kovina
    6
    Slika: Svinčevi kristali
    Svinec (Pb)
    82 Druga kovina
    7 Flerovij (Fl)
    114 Druga kovina

    Legenda

    prvobitni
    sintetični element
    · p · ·

    Ogljikova skupina periodnega sistema elementov vsebuje ogljik (C), silicij (Si), germanij (Ge), kositer (Sn), svinec (Pb) in flerovij (Fl).

    Ogljikova skupina se v sodobni notaciji IUPAC imenuje 14. skupina elementov. V starejših sistemih IUPAC in CAS se je imenovala IVB oziroma IVA skupina elementov.[1] Na področju fizike polprevodnikov se še vedno imenuje IV. skupina.

    Vsi elementi iz 14. skupine imajo na najbolj zunanjem energijskem nivoju po štiri elektrone, ki si jih v večini period med seboj delijo. Tendenca oddajanja elektronov narašča z velikostjo atoma, se pravi z naraščanjem atomskega števila. Ogljik je nekovina in tvori tudi negativne ione (v karbidih ima oksidacijsko stanje 4-). Silicij in germanij sta polkovini in lahko tvorita ione z oksidacijskim stanjem 4+. Kositer in svinec sta kovini, flerovij pa je sintetična radioaktivna kovina z zelo kratko življenjsko dobo. Kositer in svinec lahko tvorita ione tudi z oskidacijskim stanjem 2+.

    Z vsemi elementi razen germanija in flerovija se v čisti obliki ali v spojinah srečujemo v vsakdanjem življenju. Njihova udeležba v zemeljski skorji (izjema je silicij) je precej skromna. Ogljik tvori zelo veliko število tako imenovanih organskih spojin, ki se nahajajo v rastlinah in živalih. Silicijev dioksid in silikatni minerali so osnovno gradivo zemeljski skorje.

    Kositer in svinec sta kljub temu, da sta v naravi precej redka, v vsakdanjem življenju dokaj pogosta. Pojavljata se v zelo koncentriranih mineralnih depozitih, tako da je njuno pridobivanje enostavno. Uporabljata se kot čisti kovini ali v zlitinah.

    Germanij tvori nekaj značilnih mineralov, ki v majhnih količinah spremljajo spremljajo cinkovo svetlico (cinkov sulfid, sfalerit) in premog. Germanij je kljub temu, da je eden od najredkejših elementov, zelo pomemben, predvsem kot polprevodnik.

    Vsebina

    Zgodovina

    Ogljik, kositer in svinec so elementi, katere so poleg žvepla, železa, bakra, živega srebra, srebra in zlata poznali že v antiki.

    Ogljik je element, ki ga je odkril že pračlovek, ki je prvič uporabil oglje s svojega ognjišča. Sodobna kemija ogljika se je začela razvijati z uporabo goriv premoga, nafte in zemeljskega plina in razvojem organskih sintez. Obe področji sta se začeli intenzivno razvijati v 1800. letih.

    Silicij v nečisti obliki so poznali že leta 1811, čisti amorfni elementarni silicij pa je prvi pridobil švedski kemik Jöns Jacob Berzelius leta 1824. Kristalinični elementarni silicij so pridobili šele leta 1854 z elektrolizo. Silicijev dioksid v kristalni obliki (kamena strela) so poznali že v preddinastičnem Egiptu, kjer so iz njega so izdelovali nakit in drobne okrasne predmete. Poznali so ga tudi Kitajci in verjetno mnogi drugi narodi. Izdelovanje stekla, ki vsebuje tudi silicijev dioksid, so poznali Egipčani že v zgodnjih 1500. letih pred našim štetjem in Feničani. Mnoge naravne silikate so uporabljali že najstarejši narodi za izdelavo raznih malt v gradbeništvu.

    ZANIMIVOSTI: Germanij je eden od treh elementov, katerega obstoj je leta 1871 predvidel ruski kemik Dimitrij Mendelejev, ko je objavil svoj prvi periodni sistem elementov. Odkrili so ga leta 1886 v enem od takrat odkritih mineralov.

    Kositer so odkrili že v davni zgodovini. Izgleda, da so bron, zlitino kositra in bakra, uporabljali že v prazgodovini še preden so oba elementa izolirali v čisti obliki. Broni so bili poznani v zgodnji Mezopotamiji, dolini Inda, Egiptu, Kreti, Izraelu in Peruju. Večina kositra, ki so ga uporabili v Mezopotamiji, je izvirala z otočja Scilly in polotoka Cornwall na Britanskem otočju,[2] kjer so ga kopali že v letih 300-200 pred n. št.. V Južni Ameriki so imeli Inki in Azteki rudnike kositra že pred prihodom Špancev.

    Svinec se omenja že v zgodnjih bibličnih spisih. Babilonci so uporabljali svinčene plošče za pisanje. Rimljani so ga uporabljali za pisalne ploščice, vodovodne cevi, kovance in celo za kuhinjsko posodo. Posledice njegove rabe v kuhinji so bile zastrupitve, ki so jih prepoznali v času Julija Cezarja. Beli svinec ((PbCO3)2·Pb(OH)2)[3] so uporabljali že okrog leta 200 pred n. št. kot dekorativen bel pigment.

    Lastnosti

    Elementi iz ogljikove skupine imajo zelo različne kemijske in fizikalne lastnosti. Prvi element v skupini, ogljik, je nekovina, silicij in germanij sta polkovini, vsi naslednji elementi pa so kovine.

    Fizikalne lastnosti

    Atomska masa, atomski polmer in ionski polmer z naraščajočim vrstnim številom rastejo. Po skupini raste tudi gostota. Najmanjši in podobni gostoti imata grafit (C) in silicij (približno 2,3 kg/m3), zatem pa gosotota raste do vrednosti 11,34 kg/dm3, ki jo ima svinec. Trdota po Mohsovi lestvici je zelo različna: najmehkejša sta kositer in svinec (1,5), najtrši pa diamant (10). Električne prevodnosti se gibljejo od skromnih 25,2 mS/m pri siliciju do 9,17 MS/m pri kositru. Prva ionizacijska energija po skupini pada od 11,26 eV pri ogljiku do 7,34 eV pri kositru. Svinec ima nekoliko višjo vrednost 7,42 eV. Elektronegativnost po skupini pada od 2,5 (ogljik) do 1,6 (svinec). Silicij z vrednostjo 1,7 rahlo odstopa od tega trenda.

    Najpomembnejše fizikalne lastnosti elementov ogljikove skupine so zbrane v naslednji preglednici:

    Element Tališče
    (K)
    Vrelišče
    (K)
    Relativna
    atomska masa
    Gostota
    (kg/m3)
    Mohsova trdota Električna
    prevodnost

    (S/m)
    Elektronegativnost
    Ogljik 3823 5100 12,011 2250 do 3510 0,5 do 10,0 1 · 10−4 do
    3 · 106
    2,5
    Silicij 1683 2628 28,086 2330 6,5 2,52 · 10−4 1,7
    Germanij 1211 3093 72,59 5323 6 1,45 2,0
    Kositer 505 2875 118,71 7310 1,5 9,17 · 106 1,96
    Svinec 601 2022 207,2 11340 1,5 4,81 · 106 1,6

    Elektronska konfiguracija

    Splošna elektronska konfiguracija elementov ogljikove skupine je [X]ys2yp2, pri čemer je [X] elektronska konfiguracija žlahtnega plina iz prejšnje periode, y pa perioda elementa. Elementi od germanija dalje imajo tudi orbitalo (y−1)d10, od svinca dalje pa še orbitalo (y−2)f14. Elementi imajo naslednje elektronske konfiguracije:

    Elementi imajo oksidacijska stanja 4+, 2+ in 4-.

    Kemijske reakcije

    Zaradi zelo različnih lastnosti elementov ogljikove skupine je njihove kemijske reakcije težko posplošiti. V naslednjih reakcijah je X eden od elementov ogljikove skupine.

    Najpomembnejše so reakcije, v katerih nastanejo (IV) oskidi elementov:
    X + O2 → XO2
    Poleg (IV) oksidov tvorijo elementi tudi (II) okside, na primer
    2C + O2 → 2CO
    Stabilnost (II) oksidov z naraščajočim vrstnim številom narašča, stabilnost (IV) oksidov pa pada. Poleg čistih (II) in (IV) oksidov tvorijo elementi tudi subokside in mešane okside, na primer ogljikov suboksid C3O2 oziroma svinčev(II,IV) oksid Pb3O4 (PbO2·PbO).
    X + 2H2 → XH4
    X + H2O → reakcija ne poteče
    Z vodo ne reagira noben element iz ogljikove skupine.
    X + 2Cl2 → XCl4
    X + Cl2 → XCl2
    Ogljik, silicij in germanij tvorijo samo tetrakloride, kositer tvori tetraklorid in diklorid, svinec pa samo diklorid.

    Tvorba verig

    Modeli ogljikovodikov

    Posebnost 14. skupine elementov je, da lahko njihove spojine z vodikom tvorijo dolge verige s splošno furmulo XH3-(XH2)n-XH3. Vse vezi z vodikovimi atomi so kovalentne.

    Poleg spojin z odprtimi verigami so možne tudi ciklične spojine s splošno formulo (XH2)n.

    Spojine

    Silicijev dioksid (SiO2, kamena strela

    Nahajališča

    Svinčeva ruda

    Elementi ogljikove skupine sestavljajo 27,7% zemeljske skorje. Največji delež pripada siliciju (99,8%), ki je za kisikom drugi najbolj pogosti element v zemeljski skorji, preostalih 0,2% pa sestavljajo[4]

    Sklici

    1. Fluck, E. New notations in the periodic table. Pure & App. Chem. 1988, 60, 431-436.[1]
    2. Online Encyclopaedia Britannica, Tin
    3. Holleman, A. F.; et al. (2001). Inorganic Chemistry (1 izd.). San Diego [etc.] : Academic Press ; Berlin ; New York : De Gruyter, cop. COBISS 24318981. ISBN 0-12-352651-5.
    4. Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie (Band 1: Allgemeine und anorganische Chemie). S. 131–153 (2000), ISBN 3-423-03217-0