Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ. ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ. 6ο μέρος. Τα χημικά στοιχεία της 14ης (IVA) ομάδας του περιοδικού πίνακα. Άνθρακας, Πυρίτιο, Γερμάνιο Κασσίτερος, Μόλυβδος. Υβριδισμός υποστοιβάδων.

Δήμητρα Σπανού, χημικός, καθηγήτρια Β/θμιας Εκπ/σης, οργανική θέση στο 1ο Γυμν. Δάφνης

Ο ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

ΤΑ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ

H ομάδα του Άνθρακα ή 14η ή IVA ομάδα του περιοδικού πίνακα περιλαμβάνει τα χημικά στοιχεία

 τον άνθρακα C , το πυρίτιο Si, το γερμάνιο Ge , τον κασσίτερο  Sn, tον μόλυβδο Pb

Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ, 

Η ΗΛΕΚΤΡΑΡΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΟΙ ΠΙΘΑΝΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ 

 στον άνθρακα είναι:  ηλεκτραρνητικότητα 2,5  κλίμακα Pauling ,  πιθανές καταστάσεις οξείδωσης  -4, 0, +2, +4  ενέργεια ιονισμού  11,26eV 

στο πυρίτιο  με ηλεκτρονιακή διαμόρφωση [Ne] 3s²3p² και ηλεκτραρνητικότητα 1,9  κλίμακα Pauling, πιθανές καταστάσεις οξείδωσης είναι:  -4, 0, +2, +4 , και ενέργεια ιονισμού 786kj/mol ή 8,15eV  

στο γερμάνιο με ηλεκτρονιακή διαμόρφωση είναι [Ar] 3d¹⁰4s² 4p² και ηλεκτραρνητικότητα 2,01  κλίμακα Pauling,  πιθανές καταστάσεις οξείδωσης είναι: -4, −2, −3, −2, −1, 0, +2, +3, +4, 

στον κασσίτερο  με ηλεκτρονιακή διαμόρφωση [Kr]^{4d 10}5s²5p² και ηλεκτραρνητηκότητα 1,96  κλίμακα Pauling,  πιθανές καταστάσεις οξείδωσης είναι +2, +4 

στον μόλυβδο με ηλεκτρονιακή διαμόρφωση [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p²  και ηλεκτραρνητηκότητα 2,33  κλίμακα Pauling,  πιθανές καταστάσεις οξείδωσης  είναι +4, +3, +2, +1

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ. ΥΒΡΙΔΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ ΣΤΟΙΒΑΔΑΣ

στην 14η ή IVA ομάδα του περιοδικού πίνακα, με πρώτο στοιχίο τον άνθρακα έχουμε 4 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα, τα δύο στην εξωτερική s υποστοιβάδα και τα άλλα δύο μη ζευγαρομένα ηλεκτρόνια στην εξωτερική p υποστοιβάδα. 

ΥΒΡΙΔΙΣΜΟΣ 

Στον άνθρακα  Παρά την παρουσία των 2 μη ζευγαρομένων αυτών ηλεκτρονίων στην εξωτερική p υποστοιβάδα. από όπου αναμένεται, ο άνθρακας και τα υπόλοιπα  στοιχεία αυτής της ομάδας, να είναι δισθενή, σε πολλές ενώσεις εμφανίζονται τετρασθενή

sp3 υβριδισμός

Αυτό συμβαίνει γιατί ένα από τα δύο ηλεκτρόνια της εξωτερικής s διεγείρεται και μεταβαίνει στην p υποστοιβάδα.  Eτσι με τέσσερα μονήρη ηλεκτρόνια που υβριδοποιούνται (ομογενοποιούνται ενεργειακά)  o C (και τα υπόλοιπα  στοιχεία αυτής της ομάδας), εμφανίζονται τετρασθενή και τα τροχιακά τους σχηματίζουν τετράεδρο που ο άνθρακας βρίσκεται στο κέντρο. 

Ιδιαίτερα στον άνθρακα, ο υβριδισμός είναι δυνατόν να γίνει και μεταξύ 3 ή 2 ηλεκτρονίων όπως ο

sp2 υβριδισμός

 εδώ ένα ηλεκτρόνιο s και 2 p υβριδοποιούνται . Oi τρεις ισοδύναμοι δεσμοί βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο υπό γωνία 120ο 

Υπάρχει επίσης ένα p ακόμα ηλεκτρόνιο,  δηλαδή ένα p τροχιακό που δεν υβριδοποιείται και είναι κάθετο στο επίεδο των τριιών υβριδοποιημένων (τριγωνικό σύστημα)

Στο πυρίτιο 

Τα άτομα πυριτίου χαρακτηρίζονται από sp3 υβριδισμό. Όταν το πυρίτιο αντιδρά σαν τετραδύναμο στοιχείο, εμφανίζεται με καταστάσεις οξείδωσης +4, -4 ανάλογα με την ηλεκτραρνητικότητα του άλλου στοιχείου. Επίσης μπορεί να συνδεθεί με άλλα άτομα πυριτίου σε ένα τετρατομικό μόριο 

Στην ομάδα του του άνθρακα στην εικόνα 

ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ.

Η δραστικότητα των στοιχείων της ομάδας,  αυξάνει από πάνω προς τα κάτω

Ο άνθρακας στις συνήθεις θερμοκρασίες   είναι μη μέταλλο, και   χημικά αδρανής. Σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζει ισχυρές αναγωγικές ιδιότητες

Η φύση του δεσμού σε καρβίδια ποικίλει: με στοιχεία με μεγάλη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας σχηματίζει κρυσταλλικές ενώσεις που κυριασχεί ο ιονικός δεσμός και λέγονται καρβίδια  Al₄C₃, CaC₂

Τα περισσότερα μέταλλα που βρίσκονται στην Β ομάδα σχηματίζουν καρβίδια που ο δεσμός είναι κοντά στον μεταλλικό

  Καρβίδια του βορίου και πυριτίου σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς 

Με οξυγόνο, αλογόνα κ.α ενώνεται σε ομοιοπολικές ενώσεις, όμως σχηματίζει και κρυσταλλικές ενώσεις που δεν είναι  καρβίδια

Το πυρίτιο  σε κανονικές συνθήκες είναι χημικά ανενεργό λόγω σχηματισμού οξείδιο του πυριτίου στην επιφάνειά του

Σε υδατικά διαλύματα  συνδέεται με ομάδες Ο και ΟΗ- δημιουργεί

 μια σειρά ασθενών οξέων ta οποία σε συμπυκνωμένα διαλύματα πολυμερίζονται (ορθοπυριτικό H₄SiO₄ (Si(OH)₄  μέταπυριτικό H₂SiO₃ (Si(OH)₃, πυροπυριτικό H₆Si₂O₇ , 

Δίνει εύκολα SiF₄ Επίσης υπό συνθήκες 400^o-500^o αντιδρα με αλογόνα και οξυγόνο SiO2,  , SiCl₄, SiBr₄

Τα ορυκτά του παίρνουν μέρος στην δημιουργία απολιθωμάτων φυτών 

Το Γερμάνιο Υπό κανονικές συνθήκες είναι ανθεκτικό στον αέρα και το νερό παρουσιάζει ιδιότητες μετάλλου και μη μετάλλου

 σαν οξειδωτικό  η θέρμανση με Να σε ατμόσφαιρα αργού δίνει   NaGe (γερμανίδιο), με υδροξείδια ισχυρών μετάλλων σε οξειδωτικό περιβάλλον K2GeO3 

σαν αναγωγικό σε υψηλή θερμοκρασία δίνει στον αέρα GeΟ , με ατμούς θείου GeS, και με αλογόνα GeCL4  )

Ο κασσίτερος

Ο κασσίτερος υπό κανονικές συνθήκες δεν οξειδώνεται ευκολα στν αέρα και στο νερό

ως προς την οξινη- βασική συμπεριφορά του είναι αμφολύτης και δημιουργεί αμφοτερικά υδροξείδια

Τα  οξέα υπό συνθήκες μετατρέπουν τον κασσίτερο του υδροξειδίου  σε δισθενές ή τετρασθενές κατιόν Sn (ΟΗ)2/4  +  2/4  HCl  -> SnCl_2/4 (κασσιτερώδες/ικο χλωρίδιο)  + H2

Σε βάσικό περιβάλλον,  το  Sn (ΟΗ)2/4  λειτουργεί σαν βάση και προσλαμβάνει ανιόντα ΟΗ- [ Sn (ΟΗ)4/6]^-2 .

Σαν αναγωγικό αντιδρά με ισχυρά οξέα μετατρέπεται σε τετρασθενές ιόν στο μετακασσιτερικό οξύ H₂SnO₃

Σε διαλύματα ισχυρών βάσεων σχηματίζει κασσιτερώδη ανιόντα [Sn(OH)₄]^2- .

Ο μόλυβδος 

Ο μόλυβδος . Αδρανοποιείται σε κανονικές συνθήκες γιατί σχηματίζεται ένα οξείδιό του που καλύπτει την επιφάνειά του. Για αντίστοιχο λόγο δεν επιρρεάζεται από θειϊκό, HF, HCl, οξύ αφού εξωτερικά καλύπτεται από άλαta που σχηματίζonται. Με πυκνό θειίκό και νιτρικό διαλύεται και σχηματίζεται διαλυτό σύμπλοκο Pb(HSO4)2 .

 Τα οξείδια του μολύβδου με βάσεις αντιδρούν σαν όξινα ενώ με οξέα σαν  βασικά. 

 ΜΕΤΑΛΛΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ  

Η ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΣΤΟΧΕΙΩΝ ΤΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ

η μεταλλικότητα των στοιχείων της ομάδας,  αυξάνει από πάνω προς τα κάτω

Ο άνθρακας είναι στοιχείο μη μέταλλο

Το πυρίτιο βρίσκεται στον περιοδικό πίνακα στην περιοχή μεταξύ μετάλλων και αμετάλλων και στην κρυσταλλική του μορφή είναι ένα ημιμέταλλο (μεταλλοειδές).  

Ως προς την συμπεριφορά τους στον ηλεκτρισμό, τα ημιμέταλλα είναι ημιαγωγοί

Ο κασσίτερος συναντάται σε δύο αλλοτροπικές μορφές : του λευκού κασσίτερου που είναι μεταλλικής μορφής και του φαιού κασσίτερου που είναι μια γκρίζα μή μεταλλική σκόνη. Ο λευκός κασσίτερος σε χαμηλή θερμοκρασία μεταπίπτει σε τεφρό

Ο μόλυβδος είναι μέταλλο με αδύναμο μεταλλικό χαρακτήρα 

ΟΞΥΤΗΤΑ - ΒΑΣΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΗΣ ΟΜΑΔΑΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ

Τα στοιχεία της ομάδας του άνθρακα και κυρίως τα δύο πρώτα -άνθακας και πυρίτιο, δεν παρουσιάζουν ούτε όξινες ούτε βασικές ιδιότητες. Οι ενώσεις τους με το υδρογόνο ( μεθάνιο CH4 και σιlάνιο SH4)  είναι σταθερές λόγω της χαμηλής πολικότητας των δεσμών C-H και Si-H. 

Ηλεκτραρνητικότητα υδρογόνου = 2,2 κλίμακα Pauling

Διαφορά ηλεκτραρνητικότητας 'Ανθρακα- Υδρογόνου  0,2 Σε πολικο ομοιοπολικό το αρνητικο είναι στον άνθρακα

Διαφορά ηλεκτραρνητικότητας  Πυρίτιου - Υδρογόνου   -0,3  Σε πολικο ομοιοπολικό το αρνητικο είναι στο υδρογόνο

Διαφορά ηλεκτραρνητικότητας  Γερμάνιου - Υδρογόνου  -0,09 Σε πολικο ομοιοπολικό το αρνητικο είναι στο υδρογόνο

Διαφορά ηλεκτραρνητικότητας Κασσίτερου- Υδρογόνου -0,6 Σε πολικο ομοιοπολικό το αρνητικο είναι στο υδρογόνο

Διαφορά ηλεκτραρνητικότητας Μολυβδου- Υδρογόνου 0,13 Σε πολικο ομοιοπολικό το αρνητικο είναι στο μόλυβδο

ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ

Το πυρίτιο είναι ένας ημιαγωγός έμμεσης ζώνης και οι ηλεκτροφυσικές του ιδιότητες επιρρεάζονται από τις ακαθαρσίες που περιέχει. Αν περιέχει προσμείξεις βόριου αλουμίνιου, γάλλιου, ίνδιο από ομάδα ΙΙΙ γίνεται ημιαγωγός οπών. Αν οι προσμείξεις φωσφόρος , αρσενικό και αντιμόνιο από ομάδα V γίνεται ημιαγωγός ηλεκτρονίων

Το Γερμάνιο είναι ο πιο Κοινός ημιαγωγός στον πλανήτη

Το κράμα με Γάλιο χησιμοποιείται σε υπεραγωγούς.

Δήμητρα Σπανού

ΠΗΓΕΣ

Άνθρακας: τύπος, χημικές ιδιότητες, χαρακτηριστικά (skysmart.ru)

Ομάδα άνθρακα στη χημεία - τύποι και ορισμοί με παραδείγματα (evkova.org)

Πώς ο άνθρακας σχηματίζει πολλαπλούς δεσμούς. SP2 - Υβριδισμός ατόμων άνθρακα | Απαρχές της Χημείας | Ζεν (dzen.ru)

Πυριτικό οξύ - Wikiwand

Кремний — Википедия (wikipedia.org)

Καρβίδια - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

ακατέργαστο

Amphoter - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)

Στη χημεία, μια ουσία ονομάζεται αμφοτερής, η οποία - ανάλογα με το περιβάλλον ή τον σύντροφο αντίδρασης - αντιδρά με τον ένα ή τον άλλο τρόπο.

• Οι αμφοτερικοί οξέος-βάσης αναφέρονται επίσης ως αμφολύτες. Αυτά μπορούν να αντιδράσουν ως οξέα καθώς και βάσεις. ^[1] Οι αμφοτερικές ουσίες αντιδρούν έτσι σε ισχυρότερες βάσεις όπως οξέα και σε ισχυρότερα οξέα όπως βάσεις. Τα αμφοτερίδια περιλαμβάνουν διάφορα οξείδια μετάλλων και υδροξείδια μετάλλων (βλ. πίνακα) και αμινοξέα. ^[2]
• Τα οξειδοαναγωγικά αμφοτερικά είναι ουσίες που μπορούν να έχουν τόσο οξειδωτικά όσο και μειωτικά αποτελέσματα. Παράδειγμα: Υπεροξείδιο του υδρογόνου
• Οι αμφοτερικές επιφανειοδραστικές ουσίες έχουν κατιονικό και ανιονικό μέρος και είναι σημαντικές ως επιφανειοδραστικές ουσίες. ^[1]

Τα αμφοτερικά υδροξείδια είναι εκείνες οι ενώσεις υδροξειδίου που είναι διαλυτές τόσο σε όξινα όσο και σε αλκαλικά μέσα: