Loeng101.PDF

Väljavõte

1 IVA ja IIIA mittemetallid Süsinik (carbon, hiili), räni (silicon, pii), boor C Si B Z A r (8) (3) (7) El. neg T s, C T k, C ρ 0, g/cm (grafiit) 3.51 (teemant) 2.33 (krist.) Elektronkonfiguratsioon C [He]2s 2 2p 2 Si [Ne]3s 2 3p 2 B [He]2s 2 2p 1 Leidumine, omadused Süsinik elusa looduse peamine koostisosa, omastatakse taimede poolt fotosünteesiprotsessis 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Leidub looduses nii ehedalt (grafiidina ja teemandina) kui ühenditena (CO 2 õhus, karbonaadid): lubjakivi, marmor, kriit CaCO 3 dolomiit CaCO 3 MgCO 3 sooda Na 2 CO 3 Süsinikurikkad on orgaanilised kütused: looduslik gaas CH 4 nafta alkaanide segu (C 5...C 70 ) biomass turvas pruunsüsi kivisüsi antratsiit 50% C 55% 65% 68-73% 79% C Süsiniku allotroopsed erimid on teemant, grafiit, amorfne süsinik, karbüün ja 80-date lõpus sünteesitud fullereenid.

2 Teemant on kõige kõvem looduslik aine. Värvuseta kristalliline aine, süsinikuaatomid kovalentses tetraeedrilises võres, üksteisest võrdsetel kaugustel, sp 3 hübridisatsioon. Ei sula, kõrgel t -l muutub grafiidiks. Vabad elektronid puuduvad, elektrit ei juhi Grafiidis paiknevad aatomid tasapinnaliselt, kihiti. Side kihtide vahel nõrk. Üks pehmemaid looduslikke aineid. sp 2 hübridisatsioon, kihis omavahel seotud kolm C aatomit vaba elektroni tõttu juhib elektrit. Karbüün on süsiniku lineaarse ahelaga polümeer -C C-C C- või =C=C=C=C= Amorfne, peaaegu puhas süsinik on tahm, koks ja puusüsi - kütuste mittetäieliku põlemise produktid. Fullereenid kindla aatomite arvuga (C 32, C 50, C 60, C 70, C 84 ) sfäärilised molekulid, tekivad süsinikuaurude aeglasel kondenseerimisel. C 60 Buckminsterfullereen, sinepivärvi kristalne aine, UV kiirguse toimel laguneb, leelismetallidega annab ülijuhte Süsiniku isotoop 12 C (98.93%) on IUPAC poolt võetud aatommassi ühikuks (1 sü = 1/12 süsiniku aatomi 12 C massist, g). 14 C on radioaktiivne, tekib kosmilise kiirguse toimel õhulämmastikust, poolestusaeg 5730 aastat, kasut. puidu ja arheoloogiliste objektide vanuse määramisel. 13 C (1.07%) pole radioaktiivne, kasut. isotoopindikaatorina NMR uuringutes. Räni elementide levikult II kohal pärast hapnikku (SiO % maakoorest). Peamine mineraal on kvartsliiv SiO 2 (ka mäekristall, ametüst, opaal, ahhaat üle 200 erimi) ja mitmesugused K, Na, Ca, Mg, Fe ja Al silikaadid (savi, põldpagu, asbest, vilgukivi). kaoliniit Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O põldpagu K 2 O(Na 2 O) Al 2 O 3 6SiO 2, CaO Al 2 O 3 2SiO 2 Räni erimid kristalliline ja amorfne räni, looduslikud isotoobid on 28 Si (92.23%), 29 Si (4.68%) ja 30 Si (3.09%). A.Trikkel, 2001

3 Boor on vähelevinud element. Looduses leidub boorhappena H 3 BO 3 ja booraksi Na 2 B 4 O 7 10H 2 O eri vormidena. Kristalliline boor on teemandi kõvadusega, pooljuhi omadustega toatemperatuuril elektrit mittejuhtiv aine. Saamine Tehisteemante sadakse grafiidikristallist kõrgel rõhul ja temperatuuril katalüsaatorite manulusel (2000 C, Pa). Koks tekib C sisaldavate ainete kuumutamisel õhu juurdepääsuta. Tahm tekib kütuste mittetäielikul põlemisel. Räni saadakse kvartsliiva redutseerimisel koksiga SiO 2 + 2C 2CO + Si Viimase puhastamiseks kasut. kloreerimist kõrgel t - ja järgnevat redutseerimist vesinikuga Boori saadakse boorhappe termilisel lagunemisel tekkiva booroksiidi taandamisel metallidega 2H 3 BO 3 t B 2 O 3 + 3H 2 O B 2 O 3 + 3Mg 2B + 3MgO Kasutamine Süsinik kütus (süsi) pliiatsid, määrdeained (grafiit) lõiketerad, puurid, kellamehhanismide laagrid, juveelid (teemant) trükivärvid, tint, toonerid (tahm) redutseerija metallurgias (koks) 14 C meetod vanuse määramiseks Räni pooljuhttehnika, kiibid ehitusmaterjalid, klaas (SiO 2 ) silikoonid, proteesid meditsiinis sulamite komponent (korrosioonikindlus, valatavus) Boor ilutulestikusegud (roheline värv) antiseptik (boorhape) kareduse kõrvaldaja pesupulbrites (booraks) ide komponent putukatõrje (booraks) boorsilikaatklaaside valmistamine tuumaenergeetikas kiirgusekraanid (boraal B 4 C + Al) sulamite komponent (t kindlus, meh. tugevus)

4 C ja Si oksüdatsiooniastmed ühendites Süsinik -IV II IV metaan CH 4 (g) karbiidid C 4 Al 4 C 3 CO(g) tsüaniidid CN HCN, KCN CO 2 (g) karbonaadid CaCO 3 Räni silaan SiH 4 silitsiidid Si 4 Mg 2 Si SiO 2 silikaadid Na 2 SiO 3 Boori oksüdatsiooniaste ühendites on +III Lihtainete omadused Süsinik põleb õhus C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) täielik põlemine 2C(s) + O 2 (g) 2CO(g) mittetäielik põlemine Kõrgemal temperatuuril toimub reaktsioon veeauruga - veegaasi (~50% H 2, 40% CO, 5% CO 2, 5% N 2 + CH 4 ) saamine koksist C + H 2 O CO + H 2 H 0 = kj/mol Halogeenidest reageerib ainult fluoriga kõrgemal temperatuuril C(s) + 2F 2 (g), liias CF 4 (g) tekib ka C 2 F 6, C 5 F 12 Toatemperatuuril tekib mittestöhh. ühend CF x kus x = Koksi kasutatakse metallide taandamisel oksiididest, fosfori saamiseks apatiidist, otseses reaktsioonis sarnase või väiksema elektronegatiivsusega elementidega tekivad karbiidid (vajalik kõrge t ) Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO SiO 2 + 2C SiC + CO 2 Räni kattub õhukese SiO 2 kihiga, mistõttu on õhus üsna püsiv. Hapnikuga ja lämmastikuga reageerib kõrgel temperatuuril (~1400 C) Si(s) + O 2 (g) SiO 2 (s) 3Si(s) + 2N 2 (g) Si 3 N 4 (s) A.Trikkel, 2001

5 Halogeenidega reageerib intensiivselt Si(s) + 2F 2 (g) SiF 4 (g) toatemp. Si(s) + 2Br 2 (l) SiBr 4 (l) ~300 C Hapetest lahustub räni vesinikfluoriidhappes püsiva kompleksi [SiF 6 ] 2 moodustumisega Si(s) + 6HF(aq) [SiF 6 ] 2 (aq) + 2H + (aq) + 2H 2 (g) Leelistega tekivad silikaadid Si(s) + 4NaOH(aq) Na 4 SiO 4 (aq) + 2H 2 (g) Boor oksüdeerub kõrgemal temperatuuril tekib B 2 O 3, veega hapetega ja alustega ei reageeri. Halogeenidega reageerib boor intensiivselt BHal 3 tekkega. Süsiniku ja räni ( IV) ühendid CH 4 (või H 4 C) metaan, tetraeedrilise molekuliga, värvuseta lõhnata gaas (kt C), keemiliselt inertne, kuid põleb kergesti. Loodusliku või maagaasi peamine komponent. Kasut. kütusena ja veegaasi tootmiseks. Karbiidid on rasksulavad kristalsed ained, mille reageerimisel veega eraldub metaan Al 4 C H 2 O 4Al(OH) 3 + 3CH 4 Süsinik moodustab nn. perkarbiide (C-C side). Kaltsiumkarbiidi CaC 2 saadakse CaO reaktsioonil koksiga CaO + 3C CaC 2 + CO CaC 2 reageerib intensiivselt veega, kasutatakse etüüni tootmiseks CaC 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2 Leelismet. karbiidid võivad veega reageerides plahvatada. d-elementide MetC ja Met 2 C tüüpi karbiidid on rasksulavad ja kõvad metallilised ühendid, suure korrosioonikindlusega, sageli mittestöhhiomeetrilised (TiC ). st st TiC 3140 C Mo 2 C 2690 C ZrC 3500 C W 2 C 2700 C Silitsiidid tekivad metallide kuumutamisel räniga C juures inertses keskkonnas. 2Mg + Si Mg 2 Si

6 Leelismetallide silitsiidid reageerivad intensiivselt vee ja hapetega. d-elementide silitsiidide koostis on peamiselt Met 3 Si, MetSi ja MetSi 2. Ränisisalduse suurenemisega kasvab happekindlus, (näit. MoSi 2 ei lahustu HF ega kuningvee toimel). Silitsiide kasut. kuumus- ja happekindlate sulamite tootmisel Süsiniku ja räni (IV) ühendid CHal 4 COHal 2 CO 2 H 2 CO 3, CO 2 3 karbonaadid CS 2 SiHal 4 SiO 2 H 2 SiO 3, SiO 2 3 metasilikaadid SiH 4 SiS 2, SiC H 4 SiO 4, SiO 4 4 ortosilikaadid Si 3 N 4 [SiF 6 ] 2 Binaarsed süsinikuühendid on happelised, hüdrolüüsi tulemusel tekivad vastavad happed, reageerivad aluseliste ühenditega. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 CO 2 + 2KOH K 2 CO 3 + H 2 O CCl 4 (st 22.9 C, kt C) süsiniktetrakloriid. Mittepõlev orgaaniline lahusti, hea vahend plekkide eemaldamiseks, kasut. keemilises puhastuses CO 2 süsinikdioksiid (kt 78.5 C). Saadakse CaCO 3 termilisel lagundamisel. Kasut. tulekustutites, karastusjookide valmistamisel, meditsiinis, ning mitmete sünteeside läbiviimise keskkonnana. CO 2 lahustub hästi vees moodustades ebapüsiva, ainult lahjendatud lahustes eksisteeriva kahealuselise süsihappe (CO 2 H 2 O) H 2 CO 3 H + + HCO 3 HCO 3 H CO 3 soolad vesinikkarbonaadid soolad karbonaadid CS 2 süsinikdisulfiid (kt 46.3 C). Hea lahusti org. ühendite, fosfori, väävli ja joodi lahustamiseks. Saadakse väävliaurude reageerimisel hõõguva söega. Kasut. viskoosi tootmisel, taimekaitsevahend. Mürgine. COCl 2 süsinikdikloriidoksiid (fosgeen) mürgine, värvuseta gaas, on kasutatud keemiarelvana CO(NH 2 ) 2 karbonüüldiamiid (triv. karbamiid). Valge kristalne aine, saadakse ammoniaagi reaktsioonil CO 2 -ga CO 2 + 2NH 3 CO(NH 2 ) 2 + H 2 O Kasut. väetisena, loomatoidu lisandina, polümeeride tootmisel, ning ravimite koostises Karbonaadid (CO 3 2 ) moodustuvad CO 2 reageerimisel leelistega ja vähelahustuvate ühenditena mitmetes vahetusreaktsioonides BaCl 2 + Na 2 CO 3 BaCO 3 + 2NaCl Vee ja CO 2 toimel tekivad karbonaatidest vesinikkarbonaadid, mis on enamasti vees lahustuvad ühendid A.Trikkel, 2001

7 CaCO 3 +CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 Hapniku asendumisel väävliga, saame tiokarbonaadid näit. K 2 CS 3 HSCN vesiniktiotsüanaat. Õlitaoline värvuseta ebapüsiv vedelik, vesilahus tiotsüaanhape, soolad tiotsüanaadid. Tiotsüanaate kasut. riide värvimisel, NH 4 SCN on Fe 3+ tõestusreaktiiviks Ka räni (IV) ühendid on happelised SiO 2 + 2KOH K 2 SiO 3 + H 2 O (sulatamisel) SiCl 4 + 3H 2 O H 2 SiO 3 + 4HCl SiF 4 ränitetrafluoriid. Gaasiline aine, saadakse konts. väävelhappe toimel CaF 2 ja SiO 2 segusse 2CaF 2 + SiO 2 + 2H 2 SO 4 2CaSO 4 + SiF 4 + 2H 2 O SiF 4 hüdrolüüsil tekib divesinikheksafluorosilikaat H 2 SiF 6, vesilahuses tugev hape, soolad fluorosilikaadid (Na 2 SiF 6 kasut. happekindlate tsementide ja ide tootmisel) 3SiF 4 + 3H 2 O H 2 SiO 3 + 2H 2 SiF 6 Si n H 2n+2 silaanid. Lihtsaim monosilaan SiH 4 on õhuga kokkupuutel süttiv gaasiline ühend. Kokkupuutel halogeenidega plahvatavad. Saadakse hapete toimel silitsiididest Mg 2 Si + 4HCl SiH 4 + 2MgCl 2 SiO 2 ränidioksiid (kvarts, st 1713 C). Kõva, keemiliselt püsiv ühend, lahustub vaid HF toimel ja leelistes SiO 2 + 4HF SiF 4 + 2H 2 O Oksosilikaadid - mitmekesise struktuuriga ühendite rühm: [SiO 4 ] 4, [Si 2 O 7 ] 6, [Si 3 O 9 ] 6, [Si 4 O 12 ] 8 kus kõrvutiolevad SiO 4 tetraeedrid on ühendatud ühe hapnikuaatomi kaudu. Enamasti vees lahustumatud v.a. leelismet. silikaadid. Na ja K silikaate saadakse SiO 2 keetmisel leelistega. Tekib silikaatide segu vesiklaas. Tavaline klaas - SiO 2, sooda ja lubjakivi kokkusulatamisel moodustuv amorfne materjal Na 2 O CaO 6SiO 2

8 Joonis. Silikaatide struktuurinäiteid Alumosilikaadid sisaldavad oma struktuuris lisaks SiO 4 tetraeeditele ka AlO 4 tetraeedreid (mineraalid kaoliniit, vilgukivid, nefeliin). Nende hulka kuuluvad ka tseoliidid omapärase võrega ühendid, mis sisaldavad kindlate läbimõõtudega kanaleid. Kasut. molekulisõeltena ainete puhastamiseks ja lahutamiseks ning ioonvahetajatena. Tsement saadakse lubjakivi kuumutamisel saviga, tekib nn. tsemendiklinker, mis jahtunult jahvatatakse. Lubjakivi lagunemisel tekkiv CaO moodustab savimineraalidega mitmesuguse koostisega silikaate: 3CaO SiO 2, 2CaO SiO 2, 3CaO Al 2 O 3. Tsemendi tardumisel need komponendid hüdraatuvad, tekivad uued mineraalid - 3CaO 2SiO 2 3H 2 O, 3CaO Al 2 O 3 6H 2 O ja Ca(OH) 2 Ränihappeid saadakse kaudselt (kuna SiO 2 veega ei reageeri) mõnede Si(IV) ühendite hüdrolüüsil. Ortoränihape H 4 SiO 4 on vees lahustuv nõrk hape, mis kiiresti polümeriseerub metaränihappe tekkega. H 4 SiO 4 H 6 Si 2 O 7 H 10 Si 4 O 13 (H 2 SiO 3 ) 4 -H 2 O -H 2 O -H 2 O Tekivad kolloidlahused, mis võivad tarduda (moodustada geeli) või anda ränihapete sademe. Sademe kuumutamisel tekib peendispersne SiO 2 nn. silikageel (kasut. eksikaatorites ja gaaside kuivatamiseks). SiC ränikarbiid (karborund). Rasksulav (st 2830 C), teemandi kõvadusega materjal. Kasut. abrasiivainena ja tulekindla materjalina A.Trikkel, 2001

9 Räniorgaaniliste ühendite hulka kuuluvad silikoonid: R R O Si O Si O kus R on näit. CH 3, C 6 H 5 R R Süsinik (II) ühendid CO süsinikmonooksiid. Värvuseta, lõhnata, mürgine gaas. Kolmiksideme tõttu sarnane lämmastikumolekuliga, keemiliselt väheaktiivne. Kõrgemal t -l taandaja, oksüdeerub CO 2 -ni CaSO 4 + 4CO CaS + 4CO 2 CO molekul võib ühineda mitmete d-elementidega moodustades karbonüüle - Ti(CO) 7, Fe(CO) 5, Cr(CO) 6. Karbonüülid on väga mürgised, neid kasut. katalüsaatoritena ja sünteesitakse vaheühenditena puhaste metallide saamisel. HCN vesiniktsüaniid (kt 26 C). Vesilahus nõrk hape vesiniktsüaniidhape (triv. sinihape). Soolad tsüaniidid. Väga mürgised ühendid. Nende keetmisel väävliga tekivad tiotsüanaadid KCN + S KSCN Kasut. kulla tootmisel viiakse lahusesse K[Au(CN) 2 ] kompleksina, orgaanilises sünteesis. Booriühendid (+III) Boor moodustab halogeniide BHal 3, oksiidi B 2 O 3, ja analoogiliselt silaanidega boraane B n H n+4 Kompleksanioonidest on lihtsama ehitusega tetrafluoroboraadid [BF 4 ] ja tetrahüdridoboraadid [BH 4 ]. B 2 O 3 lahustumisel vees tekivad polümetahapped, mis lähevad üle ortoboorhappeks: (B 2 O 3 ) n (HBO 2 ) 3 H 5 B 3 O 7 H 3 BO 3 (ortoboorhape) +H 2 O +H 2 O +H 2 O Polümetaboraatidest on tähtsam naatriumtetraboraat Na 2 B 4 O 7. Tema omadust lahustada metallide oksiide kasut. metallide jootmisel. Sulatamisel mõnede metallide sooladega ja oksiididega tekivad iseloomuliku värvusega sulatised boorakspärlid Na 2 B 4 O 7 + CoO 2NaBO 2 Co(BO 2 ) 2 (sinine) Booraksilisand suurendab klaasi termilist ja keemilist vastupidavust Boorsilikaatklaas (pyrex sisaldab 81% SiO 2, 2% Al 2 O 3, 12% B 2 O 3, 0.5% CaO, 4.5% Na 2 O)