منو
 کاربر Online
732 کاربر online

عناصر گروه IVA (قسمت اول)

تازه کردن چاپ
علوم طبیعت > شیمی
(cached)



این مطلب از بخش آموزش وب‌سایت المپیاد شیمی رشد،انتخاب شده که با فرمت pdf نیز در وب‌سایت المپیاد رشدموجود می‌باشد. برای مشاهده این موضوعات در وب‌سایت المپیاد، به آدرس فهرست مطالب شیمی مراجعه کنید. همچنین می‌توانید با کلیک اینجا‌ ، با ویژگی‌های بخش آموزش این وب‌سایت آشنا شوید.


عنصرهای گروه IVA


عنصرهای گروه چهارم اصلی در جدول تناوبی عنصرها شامل کربن، سیلیسیم، ژرمانیم، قلع و سرب است. آرایش الکترونی لایه ظرفیت این عنصرها است. کربن به طور مشخص یک نافلز است و بیشتر به صورت ترکیب در زغال‌سنگ، گاز‌طبیعی، نفت، کانیهای کربنات‌دار مانند سنگ آهک،، و همچنین، در موجودات زنده گیاهی و حیوانی وجود دارد. کربن به حالت طبیعی به صورت الماس و گرافیت یافت می‌شود. سیلیسیم بعد از اکسیژن دومین عنصر پوسته زمین را تشکیل می‌دهد و بیشتر به صورت سیلیس، ، و سیلیکاتها در طبیعت یافت می‌شود. سیلیسیم و ژرمانیم شبه فلزند، اما قلع و سرب خواص فلزی دارند. پاره‌ای از خواص فیزیکی و شیمیایی عنصرهای گروه در جدول زیر داده شده است.

img/daneshnameh_up/4/47/mch0126a.jpg


خواص کلی


با افزایش عدد اتمی، خواص از نافلزی به سمت فلزی میل می‌کند، به طوری که کربن و سیلیسیم خواص نافلزی،‌ ژرمانیم خصلت نیم‌فلزی ولی قطع و سرب خصلت فلزی دارند. کربن نسبتاً کم ‌اثر بوده، بطوریکه در طبیعت به حالت آزاد بسیار فراوان است. با اکسیژن و هالوژنها در گرما واکنش می‌دهد.
سیلیسیم نیز نافلزی کم ‌اثر است ولی در طبیعت به حالت آزاد وجود ندارد تنها با هالوژنها، اکسیژن، و سود و پتاس واکنش می‌دهد. ولی ژرمانیم نسبتاً فعال است به طوری که با اسیدنیتریک، اسیدسولفوریک، سود و پتاس واکنش می‌دهد. قلع و سرب فعالیت بیشتری دارند. قلع و سرب (تا حدی ژرمانیم) خصلت شبه‌فلزی دارند.
سرب تنها به صورت جامد فلزی، قلع سفید در بالاتر از به صورت جامد فلزی ولی قلع خاکستری مانند کربن، سیلیسیم و ژرمانیم ساختار مشبک (مانند الماس) دارند. البته کربن به صورت انواع زغالها و نیز به صورت گرافیت (با ساختار هگزاگونال لایه‌ای، رسانا) وجود دارد. گرافیت، مطابق واکنش زیر قابل تبدیل به الماس است:
img/daneshnameh_up/9/9d/mch0126b.jpg
قابل توجه است که برخی از عناصر (هالوژنها و فلزهای قلیایی) و ترکیبهایی نظیر و می‌توانند بین لایه‌های گرافیت قرار گرفته و ترکیبهای بین‌ لایه‌ای تشکیل دهند. از ویژگیهای خواص عناصر این گروه تشکیل زنجیره‌های اتمی از اتمهای یک عنصر است. این خاصیت با افزایش عدد اتمی افزایش طول شعاع کوالانسی کاهش می‌یابد. این کاهش، در ناپایدار کردن ترکیبهای کوالانسی آنها نیز مؤثر است.
بلورهای سیلیسیم و ژرمانیم نیز مانند قلع می‌توانند در فشار حدود 200 (برای سیلیسیم) و 120 کیلوبار (برای ژرمانیم) تغییر شکل یافته به صورت تتراگونالی در آیند. در این صورت خصلت فلزی آنها زیاد می‌شود و چگالی نیز به میزان 25 درصد افزایش می‌یابد.
حالت اکسایش که با آرایش گاز بی‌اثر مطابقت دارد. در مورد کربن و سیلیسیم و حتی ژرمانیم، تنها حالت پایدار است ولی در مورد سرب و قلع از حالت اکسایش اهمیت کمتری دارد و پیوند کوالانسی تشکیل می‌دهد، بطوریکه شواهدی دال بر وجود کاتیوی مجزای در ترکیبهای این عنصرها وجود ندارد:
قابل توجه است که به علت خصلت کاهندگی شدید ید و برم، شناخته نشده ولی وجود دارد (ترکیب ناپایدار). افزون بر آن، ساختار یونی دارند.
حالت اکسایش در مورد کربن، سیلیسیم و ژرمانیم اهمیت ندارد و بسیار ناپایدار است ولی در مورد سرب و قلع پایداری قابل توجه و به طور عمده خصلت یونی دارد. برای مثال، در علت پایداری حالت اکسایش را در این دو عنصر نمی‌توان دقیقاً به جفت الکترون بی‌اثر نسبت داد. زیرا از نظر استرئو شیمیایی بی‌اثر نمی‌باشد و تفاوت عمده‌ای از نظر انرژی یونش که عامل این بی‌اثر بودن می‌تواند باشد، بین آنها وجود ندارد. بلکه باید آن را به انرژی برانگیختگی در ترکیبهای کوالانسی و قدرت پیوند کوالانسی و یا انرژی شبکه بلور در ترکیبهای یونی نسبت داد.


کربن


کربن در طبیعت به دو صورت الماس و گرافیت یافت می‌شود. الماس جسمی شفاف، سخت و شکننده است. الماس یک جامد کوالانسی است. هر اتم کربن در بلور الماس چهار الکترون لایه ظرفیت خود را با چهار اتم دیگر کربن در تشکیل پیوندهای کوالانسی یگانه به اشتراک می‌گذارد و می‌توان گفت که هر اتم کربن برای تشکیل پیوند از اوربیتالهای هیبریدی استفاده می‌کند. آرایش این اتمها در اطراف هر اتم کربن به صورت یک چهار وجهی منتظم است. این آرایش به طور نامحدود در سه بعد ادامه دارد (شکل) ضریب شکست نور در الماس بالاست و چنانچه آن را به طرز خاصی برش دهند، نور را به دسته‌های رنگی منعکس می‌کند و از این رو، آن را به عنوان جواهر به کار می‌برند. الماس ناخالص ارزش زینتی ندارد و از آن در ساختن سنباده استفاده می‌کنند. از آنجا که الماس طبیعی کفاف این نوع مصرف را نمی‌دهد، سالیانه مقدار زیادی الماس سنتزی با قرار دادن گرافیت تحت فشار و دمای ساخته می‌شود. زیادتر بودن چگالی الماس نسبت به گرافیت نشان می‌دهد که می‌توان در حجم واحد، جرم بیشتری از کربن را متراکم کرد و از این رو، این تبدیل امکانپذیر است. رسانایی گرمایی الماس حدود پنج برابر فلز مس است. از این جهت، ابزاری که در نوک آنها الماس به کار رفته وقتی برای برش یا سوراخ کردن به کار می‌روند، بیش از حد داغ نمی‌شوند، زیرا با افزایش دما، ارتعاش پیوندهای یگانه C-C زیاد می‌شود و الماس به خاطر داشتن یک شبکه سه بعدی گسترده از این پیوندها، گرما را از طریق انرژی ارتعاشی پیوندها به محیط پیرامون خود منتقل می‌کند.
img/daneshnameh_up/7/79/mch0126c.jpg
گرافیت ماده‌ای سیاه، نرم و یک جامد کوالانسی است. گرافیت ساختار لایه‌ای دارد (شکل). هر یک از اتمهای کربن در هر لایه با سه اتم مجاور خود پیوندهای کوالانسی یگانه تشکیل می‌دهد و به این ترتیب، شبکه گسترده‌ای از حلقه‌های شش عضوی اتمهای کربن در هر لایه بوجود می‌آید.
در گرافیت، هر اتم کربن برای تشکیل پیوندهای کوالانسی یگانه از اوربیتالهای هیبریدی استفاده می‌کند. به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت هر اتم کربن که در یک اوربیتال (این اوربیتال بر صفحه لایه اتمهای کربن عمود است) قرار دارد، از طریق همپوشانی جانبی اوربیتالهای ، در تشکیل یک
img/daneshnameh_up/a/af/mch0126d.jpg
سیستم نامستقر شرکت می‌کند. رسانایی الکتریکی گرافیت هم به علت وجود این سیستم نامستقر است. نیروی موجود بین لایه‌های اتمهای کربن در گرافیت ضعیف است؛ در نتیجه، این لایه‌ها می‌توانند به آسانی روی یکدیگر بلغزند. از این‌رو، گرافیت به عنوان روان ‌کننده در دمای زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، گرافیت به علت زیاد بودن دمای ذوب آن در ساختن بوته جهت ریخته‌گری فلزها به کار می‌رود. از گرافیت برای ساختن الکترود در فرایندهای صنعتی مانند تولید آلومینیم به روش الکتروشیمیایی استفاده می‌شود. کاربرد دیگر گرافیت به عنوان «مغز» مداد است که مخلوط پخته شده گرافیت و خاک‌رس است.
زغال چوب، زغال کک و دوده انواع بی‌ریخت کربن به شمار می‌آیند. زغال چوب از حرارت دادن چوب در غیاب هوا بدست می‌آید. زغال چوب را با بخار آب تا دمای حدود حرارت می‌دهند تا مواد فرار از خلل و فرج آن خارج شود. ماده جامد حاصل که زغال چوب " فعال شده " نامیده می‌شود، ماده جاذب بسیار خوبی برای برطرف کردن بخارهای بدبو یا خطرناک از هوا و همچنین، جذب ناخالصیهای رنگی یا بدمزه از آب یا مایعات دیگر است. دوده که از تجزیه حرارتی هیدروکربنها بدست می‌آید، به عنوان رنگدانه در رنگها مانند مرکب چاپ و همچنین، برای رنگ کردن و تقویت لاستیک بکار برده می‌شود. زغال کک مادة جامدی است که از تقطیر زغال سنگ در ظروف سربسته بر جای می‌ماند و مصرف عمده آن در استخراج فلزها مانند استخراج آهن در صنایع ذوب آهن است.


سیلیسیم


ساختار بلور سیلیسیم، سیلیسیم کاربید، ، و سیلیس،، مانند الماس به صورت کوالانسی مشبک است. برای تجسم بلور سیلیس می‌توان چنین تصور کرد که در بلور سیلیسیم، ، میان هر پیوند یک اتم اکسیژن به صورت پل قرار گرفته است (شکل). سیلیسیم کاربید و سیلیسیم دی‌اکسید (سیلیس) مانند الماس، سخت و شکننده‌اند و دمای ذوب زیادی دارند. این اجسام به علت داشتن جفت الکترونهای مستقر در سراسر شبکه بلور رسانایی الکتریکی ندارند. کاربرد صنعتی الماس و سیلیسیم کاربید به سختی آنها مربوط می‌شود.
img/daneshnameh_up/f/fb/mch0126e.jpg
سیلیسیم از حرارت دادن سیلیس و کک در دمایی حدود در کوره الکتریکی بدست می‌آید
img/daneshnameh_up/d/d9/mch0126f.jpg
برای تهیه سیلیسیم جهت مصرف در صنایع الکترونیک، ‌ابتدا سیلیسیم را توسط کلر به سیلیسیم تتراکلرید تبدیل می‌کنند
(دمای جوش)
سپس را توسط فلز منیزیم در دمای زیاد می‌کاهند
منیزیم کلرید را با شستن توسط آب از سیلیسیم جدا می‌کنند. سپس سیلیسیم را به حالت مذاب در آورده، آن را به صورت میله منجمد می‌کنند.آنگاه برای تهیه سیلیسیم بسیار خالص جهت صنایع الکترونیک از روش ذوب موضعی استفاده می‌کنند. به این ترتیب که میله سیلیسیم را در کوره مخصوص قرار می‌دهند و با حرکت دادن تدریجی گرمکن کوره، منطقه مذاب را در طول میله پیش می‌برند. با توجه به اینکه ناخالصیها در شبکه بلور خالص جا نمی‌گیرند، به تدریج در منطقه مذاب وارد شده، سرانجام در انتهای میله جمع می‌شوند. آنچه که مشاهده می‌شود شبیه به پدیده نزول نقطه انجماد است. در نزول نقطه انجماد، جسم حل شده در محلول باقی می‌ماند، در حالی که حلال خالص منجمد می‌شود.
در روش ذوب موضعی، منطقه مذاب محلولی از ناخالصیها (جسم حل ‌شده) در سیلیسیم (حلال) است. در حالی که منطقه بعدی از جامد ناخالص در حال ذوب شدن است، مقداری از سیلیسیم در منطقه قبلی در حال انجماد است. ناخالصیها موجب نزول نقطه انجماد محلول باقیمانده می‌شوند که غلظت ناخالصیهای حل شده در آن رو به افزایش است. این محلول با ناخالصیهای جدید آزاد شده از منطقه ذوب شده مخلوط شده، محلول غلیظ‌تری را تشکیل می‌دهد. با ادامه این فرایند در طول میله سیلیسیم ناخالص، ناخالصیهای هر منطقه در حالی که سیلیسیم در حال منجمد شدن است، با تمام ناخالصیهای قبلی جمع می‌شود و سرانجام، به انتهای میله می‌رسند. پس از قطع این قسمت از میله، این فرایند را تکرار می‌کنند. پس از چند بار تکرار، سیلیسیم خالص بدست می‌آید که درجه خلوص آن بیش از 999999/99% است.


قلع و سرب


قلع در طبیعت به صورت قلع اکسید، و سرب به صورت سرب سولفید،، یافت می‌شود.
قلع توسط کاهش مستقیم با کربن بدست می‌آید.
برای بدست آوردن سرب، سرب سولفید را در هوا برشته می‌کنند تا تشکیل شود و سپس آن را با کربن می‌کاهند:
قلع برای اندودن ورقه‌های آهن جهت ساختن قوطی حلبی به کار می‌رود. قوطی حلبی برای نگهداری گوشت، میوه، روغن خوراکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. سرب برای لوله گاز و آب، محافظ سیم برق،‌ صفحه‌های انباره‌ها و به عنوان حفاظ در برابر مواد پرتوزا به کار می‌رود. کاربرد مهم دیگر آن در ساختن آلیاژی مانند لحیم (50% سرب و 50% قلع) و حروف چاپ (75% سرب، 15% انتیموآن و 10% قلع) است.
واکنش‌پذیری قلع و سرب نسبت به فلزهای گروههای ، و خیلی کمتر است. با توجه به اینکه در یک گروه انتظار می‌رود که خصلت فلزی از بالا به پایین افزایش یابد، واکنش‌پذیری سرب باید از قلع بیشتر باشد. قلع با هوا یا آب در دمای معمولی واکنش‌ نمی‌دهد و به همین دلیل است که در شیشه‌سازی، شیشه مذاب را در ظرفهای بزرگ حاوی قلع مذاب می‌ریزند. این فلز چنان سطح صافی دارد که شیشه به هنگام سرد شدن سطحی صاف پیدا می‌کند و نیاز به پرداخت ندارد. سرب با هوا ترکیب می‌شود و بدین ترتیب، پوشش نازک و چسبنده‌ای از یا روی فلز بوجود می‌آید که بقیه فلز را محافظت می‌کند
سرب با آب نرم (آبی که فاقد یونهای است) که دارای اکسیژن محلول است، به کندی وارد واکنش می‌شود و می‌دهد، حال آنکه با آب سخت احتمالاً به این علت که پوشش محافظی از سرب سولفات یا سرب کربنات نامحلول روی فلز تشکیل می‌شود، چنین واکنشی را مشاهده نمی‌کنیم.
واکنش سرب با اسیدهای غیراکسیدکننده به کندی صورت می‌گیرد، اما با اسیدهای اکسیدکننده سریعتر است و در همه این موارد، ترکیبهای سربتشکیل می‌شود
img/daneshnameh_up/0/03/mch0126g.jpg
قلع در گرما با اکسیژن ترکیب می‌شود و قلع اکسید می‌دهد
همچنین، قلع در دمای زیاد با بخار آب واکنش داده، تشکیل می‌دهد
اسیدهایی که قدرت اکسیدکنندگی ندارند، بر قلع به کندی اثر می‌کنند و نمکهای قلع را به وجود می‌آورند
اما در واکنش اسیدهای اکسید کننده با قلع، ترکیبهای قلعبدست می‌آید
(غلیظ)
قلع کلرید یک واکنشگر آزمایشگاهی است و از آن به عنوان کاهنده استفاده می‌شود. از این رو، برای جلوگیری از اکسایش قلعکلرید در مجاورت هوا، در محلول قلع کلرید چندتکه قلع فلزی می‌اندازند.
قلع کلرید یک ترکیب کوالانسی است و از اثر مستقیم گاز کلر بر فلز قلع بدست می‌آید. قلع کلرید مانند مایعی است فرار و بر اثر رطوبت آبکافت می‌شود، اما آبکافت آن در مقایسه با کندتر است.


پیوند های خارجی

http://Olympiad.roshd.ir/chemistry/content/pdf/0202.pdf





تعداد بازدید ها: 34406


ارسال توضیح جدید
الزامی
big grin confused جالب cry eek evil فریاد اخم خبر lol عصبانی mr green خنثی سوال razz redface rolleyes غمگین smile surprised twisted چشمک arrow



از پیوند [http://www.foo.com] یا [http://www.foo.com|شرح] برای پیوندها.
برچسب های HTML در داخل توضیحات مجاز نیستند و تمام نوشته ها ی بین علامت های > و < حذف خواهند شد..