💎 Uhlík a křemík

Diamant a tuha

O čem to je

Diamant v prstenu a tuha v tužce jsou ze stejného prvku – z čistého uhlíku. Přesto je diamant nejtvrdší přírodní látka a tuha se otírá o papír. Rozdíl je jen v tom, jak jsou atomy pospojované.

Uhlíkův soused křemík je zase v písku, skle a v každém počítačovém čipu. Oba prvky jsou ve 14. skupině.

Nové pojmy

Valenční elektronyElektrony v nejvyšší vrstvě atomu, které tvoří vazby. Uhlík i křemík jich mají 4, a proto tvoří typicky 4 vazby.
Alotropická modifikaceRůzné podoby téhož prvku, které se liší uspořádáním atomů.Diamant, grafit a fulleren jsou modifikace uhlíku.
Kovalentní vazbaVazba, kdy dva atomy sdílejí pár elektronů.

Tři tváře uhlíku

  • Diamant: každý atom je vázaný 4 vazbami na 4 sousedy do pevné prostorové sítě. Je nejtvrdší, nevede proud. Použití: šperky, řezné a vrtné nástroje.
  • Grafit (tuha): atomy tvoří vrstvy šestiúhelníků. Každý atom má 3 vazby, čtvrtý elektron se volně pohybuje po vrstvě → grafit vede proud. Vrstvy po sobě kloužou → píše. Použití: tužky, elektrody, mazivo.
  • Fulleren C₆₀: molekula ze 60 atomů ve tvaru fotbalového míče.
Proč grafit vede proud a diamant ne?
V diamantu jsou všechny 4 valenční elektrony každého atomu ve vazbách – nemají se kam pohnout. V grafitu jsou ve vazbách jen 3; čtvrtý je volný a může nést elektrický proud podél vrstev.

Oxidy uhlíku

Oxid uhelnatý COJedovatý plyn bez barvy a zápachu. Vzniká při nedokonalém spalování (málo kyslíku). Váže se na hemoglobin v krvi pevněji než kyslík a brání přenosu kyslíku.
Oxid uhličitý CO₂Vzniká při dýchání a dokonalém hoření. Rostliny ho spotřebují při fotosyntéze. Je to skleníkový plyn. Pevný CO₂ je suchý led (při −78 °C přechází rovnou v plyn).
Proč je nebezpečné topit v kamnech se zavřeným přívodem vzduchu?
Při nedostatku kyslíku hoří uhlík nedokonale: 2 C + O₂ → 2 CO. Oxid uhelnatý se nedá ucítit a v krvi zablokuje hemoglobin – člověk usne a může se otrávit.

Křemík

Křemík je druhý nejrozšířenější prvek zemské kůry (po kyslíku). Volně se nevyskytuje – je vázaný v oxidu křemičitém SiO₂ (křemen, písek) a v křemičitanech (žula, jíl).

PolovodičLátka, která vede proud hůř než kov, ale lépe než izolant – a její vodivost se dá řídit. Proto se z ní dělají čipy a solární články.velmi čistý křemík
  • SiO₂ – sklo, porcelán, stavebnictví
  • Křemík – čipy, solární články
  • Silikony – těsnicí hmoty, oleje, implantáty

Sklo nerozpustí skoro žádná kyselina – kromě fluorovodíkové: SiO₂ + 4 HF → SiF₄ + 2 H₂O. Tak se sklo leptá.

Roztřiď látky podle prvku, ze kterého jsou.

✗Křemík je nejrozšířenější prvek zemské kůry.
✓Nejrozšířenější je kyslík, křemík je druhý.

Křemík je v kůře skoro vždy vázaný s kyslíkem (SiO₂, křemičitany) – a kyslíku je v těch sloučeninách ještě víc.

C a Si mají 4 valenční elektrony. Diamant (4 vazby, tvrdý, nevodivý), grafit (vrstvy, vede proud), fulleren C₆₀. CO je jedovatý, CO₂ suchý led. Si: SiO₂, sklo, polovodiče.

Strukturou

O čem to je

Uhlík a křemík jsou si podobné stavbou atomu, ale jejich sloučeniny se liší jako den a noc: CO₂ je plyn, SiO₂ tvrdý kámen. Vysvětlení je ve způsobu, jak se atomy spojují.

Projdeme stavbu, modifikace, sloučeniny a použití – vždy s vysvětlením „proč“.

Nové pojmy

14. skupinaPrvky C, Si, Ge, Sn, Pb. Konfigurace valenční vrstvy ns² np² – 4 valenční elektrony.
Kovalentní síť (atomová krystalová mřížka)Krystal, ve kterém jsou všechny atomy navzájem spojené kovalentními vazbami. Celý krystal je jako jedna obří molekula.diamant, křemen SiO₂
Delokalizované elektronyElektrony, které nepatří jedné vazbě, ale mohou se pohybovat po větší části struktury. Umožňují vedení proudu.

Modifikace uhlíku

ModifikaceStavbaVlastnostiPoužití
diamantkaždý C 4 vazby, prostorová síťnejtvrdší, nevodivýřezné nástroje, šperky
grafitvrstvy, každý C 3 vazby + delokalizovaný elektronměkký, vede proudtuhy, elektrody, mazivo
fullerenmolekuly C₆₀ (tvar míče)molekulová látkavýzkum, nanotechnologie
grafenjediná vrstva grafituextrémně pevný, vodivývýzkum, elektronika

Proč CO₂ je plyn a SiO₂ kámen

Uhlík je malý a umí tvořit dvojné vazby: O=C=O. Vznikne samostatná malá molekula.
Mezi molekulami CO₂ působí jen slabé síly → za běžné teploty plyn.
Křemík je větší a dvojné vazby s kyslíkem netvoří. Každý Si se váže 4 jednoduchými vazbami na 4 kyslíky, každý O na 2 křemíky.
Vznikne obří kovalentní síť → SiO₂ je tvrdý, s vysokou teplotou tání (křemen, písek).

Oxidy uhlíku

  • CO – nedokonalé spalování; váže se na hemoglobin (krevní barvivo přenášející kyslík) a brání přenosu O₂ → jedovatý.
  • CO₂ – dokonalé spalování, dýchání; pevný = suchý led; skleníkový plyn; s vodou dává slabou kyselinu uhličitou H₂CO₃.
Kolik vazeb tvoří atom uhlíku v diamantu a kolik v grafitu?
V diamantu 4 (do všech stran – proto tvrdost). V grafitu 3 v rovině vrstvy; čtvrtý valenční elektron je delokalizovaný.

Křemík a jeho sloučeniny

  • Výskyt: 2. nejrozšířenější prvek zemské kůry (po kyslíku), jen ve sloučeninách.
  • SiO₂ – křemen, písek; surovina pro sklo, porcelán, beton.
  • Křemičitany – většina hornin a jílů.
  • Si – polovodič: čipy, solární články.
  • Silikony – polymery s řetězcem –Si–O–Si–: těsnicí hmoty, oleje, lékařské implantáty.
Proč se sklo leptá kyselinou fluorovodíkovou a ne chlorovodíkovou?
Jen fluor tvoří s křemíkem tak pevnou vazbu, že rozbije síť SiO₂: SiO₂ + 4 HF → SiF₄ + 2 H₂O. HCl na sklo nepůsobí – proto se kyseliny uchovávají ve skle (ale HF v plastu).

Ověř si použití – otoč karty.

  • grafit – tuhy, elektrody
  • diamant – řezné nástroje
  • křemík – polovodiče, čipy
  • silikon – těsnicí hmoty
  • C₆₀ – fulleren – 60 atomů uhlíku
✗Grafit vede proud, protože je to kov.
✓Grafit je nekov (čistý uhlík). Vede proud díky delokalizovaným elektronům ve vrstvách.

Každý atom v grafitu použije na vazby jen 3 ze 4 valenčních elektronů. Ten čtvrtý se může pohybovat.

C a Si: 4 valenční elektrony. Diamant – síť, 4 vazby; grafit – vrstvy, 3 vazby + volný elektron. CO₂ molekula (plyn), SiO₂ kovalentní síť (pevná). HF leptá sklo.
🥫Hliník, cín a olovo🌾Dusík a fosfor