عناصرگروه خانواده کربن – گروه ۱۴ جدول تناوبی

عناصر گروه خانواده کربن ( گروه ۱۴) جدول تناوبی که شامل شش عنصر کربن، سیلیسیوم، ژرمانیوم، قلع، سرب و فلرویم هستند شباهت زیادی به هم دارند.

این گروه در مرکز جدول تناوبی هستند که نافلزات سمت راست و فلزات سمت چپ آن ها قرار می گیرند. همه این عناصر در حالت عادی جامد هستند. لایه ظرفیت عناصر گروه کربن دارای آرایش الکترونی ns^۲np^۲ است. برخی از خواص عناصر گروه چهاردهم در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ارائه می شود.

خواص فیزیکی عناصر گروه ۱۴ جدول تناوبی

با حرکت از بالا به پایین جدول تناوبی با افزایش عدد اتمی شعاع اتمی و چگالی افزایش می یابد. در همین روند حرکتی خاصیت فلزی افزایش می یابد. طوریکه کربن و سیلیسیم نافلز، ژرمانیوم خاصیت نیم فلزی و قلع و سرب خاصیت فلزی دارند. کربن به حالت آزاد در طبیعت وجود دارد و می تواند با اکسیژن و هالوژن ها واکنش دهد. سرب یک جامد فلزی است اما کربن، سیلیسیم و ژرمانیوم ساختار مشبک دارند. قلع سفید ساختار فلزی (در دمای بالاتر از ۱۸۰ درجه سانتیگراد) و قلع خاکستری ساختار مشبک دارد. سیلیسیم در طبیعت به حالت آزاد وجود ندارد و از نظر فعالیت کم اثر می باشد اما فعالیت قلع و سرب بیشتر است.

 

 

یکی از خصوصیات بسیار مهم عناصر گروه کربن تشکیل زنجیرهای اتمی از هر کدام از این عناصر است. همان طور که می دانیم ترکیبات آلی کربن شامل آلکان ها، آلکن ها، آلکین ها و …از مهمترین این زنجیرهای اتمی است. این خصلت با افزایش شعاع اتمی کاهش پیدا می کند.

از نظر عدد اکسایش سه عنصر کربن، سیلیسیم و ژرمانیوم در حالت ۴+ که به آرایش گاز نجیب می رسند، پایدار هستند. در این عناصر عدد اکسایش ۲+ اهمیت کمی دارد. اما در سرب و قلع عدد اکسایش ۲+ اهمیت بیشتری دارد و دارای خصلت یونی است.

 

خواص کربن در گروه ۱۴ جدول تناوبی

اولین عنصر گروه ۱۴ جدول تناوبی کربن با نماد شیمیایی C می باشد که نام آن از کلمه لاتین کربو به معنای زغال سنگ گرفته شده است. کربن دارای سه ایزوتوپ می باشد که ایزوتوپ های کربن-۱۲ و کربن-۱۳ پایدار و ایزوتوپ کربن-۱۴ آن پرتوزا می باشد. کربن در طبیعت به دو شکل الماس و گرافیت وجود دارد.

 

الماس

الماس یک جامد کووالانسی سخت، شفاف و شکننده است. ضریب شکست نور در الماس بالاست و برش های آن نور را به صورت دسته های رنگی انعکاس می دهد به همین دلیل از آن به عنوان جواهر استفاده می شود. الماس را می توان تحت فشار و دمای بالا از گرافیت به دست آورد وبه علت کمیاب بودن الماس طبیعی بسیاری از الماس هایی که در دستگاه های مختلف برای برش و تراش دادن استفاده می کنند از همین طریق سنتز می کنند. علت استفاده از الماس در این امر رسانایی گرمایی زیادی است که دارد.

 

گرافیت

گرافیت یک آلوترپ از کربن است که به دلیل ساختار لایه ای که دارد و این لایه ها خیلی راحت روی هم جابه جا می شوند، ماده ای نرم است. چون بین این لایه ها الکترون وجود دارد، گرافیت رسانایی الکتریکی بالایی دارد. این لایه ها به صورت شبکه ای وسیع از حلقه های شش عضوی هستند. دمای ذوب گرافیت بالاست همین خاصه آن را برای ساختن بوته ریخته گری مناسب کرده است. از گرافیت در ساخت الکترود، مغز مداد، باتری ها و صفحات خورشیدی استفاده می شود.

از صورت های دیگر کربن زغال چوب را داریم که از گرمادادن چوب در غیاب هوا به دست می آید. زغال چوب فعال را از حرارت دادن زغال چوب با بخار آب به دست می آورند که به عنوان جاذب ناخالصی های رنگی در محلول ها از آن استفاده می شود.

دوده صورتی دیگر از کربن است که از تجزیه حرارتی هیدروکربن ها به دست می آید و یکی از کاربردهای آن در ساخت مرکب است. زغال کک از تقطیر زغال سنگ به دست می آید.

 

خواص و کاربرد سیلیسیم در گروه ۱۴ جدول تناوبی

دومین عنصر از عناصر گروه کربن (گروه ۱۴) جدول تناوبی سیلیسیم است. این عنصر جامدی سخت و به رنگ آبی خاکستری، بعد از اکسیژن فراوان ترین ماده تشکیل دهنده پوسته زمین است. سیلیسیم هشتمین عنصر فراوان در جهان است و در طبیعت به حالت آزاد وجود ندارد و بیشتر به شکل سیلیس (اکسید سیلیسیم) یا سیلیکات ها یافت می شود. سیلیسیم نقطه ذوب بالا و رسانایی الکتریکی بالایی دارد. نکته جالب توجه این است که مانند یخ چگالی سیلیسیم در حالت جامد بیشتر از حالت مایع است و در هنگام بلوری شدن ساختاری شبیه به ساختار الماس دارد. سیلیسیم یک شبه فلز است و از نظر واکنش پذیری قدرت کمتری نسبت به کربن دارد.

 تهیه سیلیسیم

در کوره قوس الکتریکی و از کاهش کوارتزیت با کک خالص سیلیسیم خالص تهیه می شود. در این واکنش برای جلوگیری از جمع شدن کاربید سیلیسیم از SiO_۲ استفاده می شود.

                                               SiO_۲ + ۲C → Si + 2CO   

                                                     SiC + SiO_۲ → ۳Si + 2CO_۲

از کاربردهای سیلیسیم می توان به استفاده از آن در ساخت قطعات قالب سازی، سرامیک، نیمه رساناها، گریس های دمای بالا، لنزهای چشمی و مواد منفجره اشاره کرد. کاربید سیلیسیم یکی از ترکیبات جدید سیلیسیم است که در ساخت سرامیک های پر مقاومت کاربرد دارد. یکی از نقش های زیستی سیلیسیم در سوخت وساز بدن گیاهان است.

 

خواص و کاربرد ژرمانیوم

ژرمانیوم یکی دیگر از عناصر گروه کربن جدول تناوبی است که شبه فلزبوده و به رنگ سفید خاکستری می باشد. این عنصر نیمه رسانا بوده ودر ترانزیستورها و نورسنج ها استفاده می شود. ژرمانیوم در زغال سنگ، ژرمانیت و روی وجود دارد. ژرمانیوم را از تقطیر جزئی تتراکلرید آن از فلزات دیگر تهیه می کنند. این عنصر نیز وقتی از فاز مایع به حالت جامد تبدبل می شود با افزایش حجم همراه است. از این شبه فلز در عدسی های دوربین و میکروسکوپ، در تقویت کننده های گیتار برقی، عامل آلیاژساز و همچنین به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. به عقیده برخی دانشمندان ژرمانیوم می تواند در درمان آسم و آلرژی موثر باشد.

 

خواص و کاربرد قلع

قلع فلزی به رنگ سفید نقره ای با خاصیت چکش خواری در گروه کربن است. در طبیعت قلع به صورت اکسید قلع وجود دارد. به دلیل مقاومتی که در مقابل زنگ زدگی دارد از قدیم به عنوان روکش برای فلزات دیگر استفاده می شود. به عنوان مثال قلع اندود کردن ظروف مسی برای جلوگیری از ورود اکسید مس به غذا یکی از این موارد است. برنز آلیاژی از مس و قلع می باشد. قلع می تواند با کلر و اکسیژن واکنش دهد و در واکنش با اسیدهای رقیق جایگزین هیدروژن می شود.

 

تهیه

اکسید قلع را با کربن کاهش می دهند و قلع طبق واکنش زیر به دست می آید :

                                                    SnO_۲(s) + 2C(s) → Sn(s) + 2CO(g)

قلع در واکنش با اسیدسولفریک غلیظ (خاصیت اکسیدکنندگی دارد) به ترکیب قلع با عدد اکسایش ۴+ تبدیل می شود.

                                  Sn(SO_۴)_۲ + ۲SO_۲(g) + 4H_۲O → Sn(s) + 4H_۲SO_۴

 

اما در واکنش با اسید سولفوریک محلول که خاصیت اکسندگی ندارد به نمک قلع با عدد اکسایش ۲+ تبدیل می شود.

                              Sn(s) + H_۲SO_۴(aq) → Sn(SO_۴)(aq) + H_۲(g)

از قلع در صنعت شیشه سازی، در ساختن آلیاژ ( مثلا لحیم کاری)، قوطی حلبی برای نگهداری مواد غذایی و روکش کردن فولاد برای جلوگیری از زنگ زدن استفاده می شود.

 

خواص و کاربرد سرب

یکی دیگر از عناصر گروه ۱۴ جدول تناوبی فلز سنگین سرب با نماد شیمیایی Pb است که فلزی به رنگ سفید مایل به آبی است که در مقابل هوا به رنگ خاکستری تیره در می آید. این فلز بسیار نرم و چکش خوار، رسانایی الکتریکی کمی دارد. مهمترین کانی که سرب را ازآن به دست می آورند گالن (PbS) است و از کانی های دیگر می توان سرویست (PbCO_۳) و انگلسیت (PbSO_۴) را نام برد. سرب دارای چهار ایزوتوپ پایدار است.

 

تهیه

برای تهیه سرب، سولفید سرب را در مقابل هوا گرما می دهند به اکسید سرب تبدیل می شود، سپس اکسید سرب را با کربن کاهش می دهند.

                                                      ۲PbS(s) + 3O_۲(g) → ۲PbO(s) + 2SO_۲(g)

                                                         PbO(s) + C(s) → Pb(s) + CO(g)

 

سرب با اسید سولفوریک غلیظ سریع واکنش می دهد اما با اسید کلریدریک (اسید غیر اکسنده) به آرامی واکنش می دهد.

                                  Pb(s) + 3H_۲SO_۴ → Pb(HSO_۴)_۲(aq) + SO_۲(g) +2H_۲O

                                           Pb(s) + 2HCl(aq) → PbCl_۲(s) + H_۲(g)

مصرف عمده سرب در باتری های اسید- سربی می باشد. موارد استفاده دیگر سرب را می توان درکبریت سازی، شیشه سازی، رنگ سازی، لاستیک سازی، ساچمه وگلوله، برخی آلیاژهای لحیم، حروف چاپ و … نام برد.

نکته

سرب مانند فلزات سنگین دیگر چون در محیط به آسانی تجزیه نمی شود یکی از آلوده کننده های محیط زیست به شمار می رود. متاسفانه استفاده از این فلز سنگین بسیار در حال افزایش است. سرب به محض ورود به بدن با مولکول های پروتئینی وآنزیمی بدن ترکیب شده، ساختار آن ها را تغییر می دهد و عملکرد آن ها را با مشکل مواجه می کند. جلوگیری از سنتز هموگلوبین و آسیب به کلیه ها از عوارض این ماده سمی است.

 

برخی ترکیبات مهم عناصر گروه کربن (گروه ۱۴) جدول تناوبی

همه عناصر این گروه در مقابل گرما با کلر واکنش داده و تتراکلرید این عناصر به جز سرب ( دی کلرید سرب می دهد ) تشکیل می شود.

 

ترکیبات کربن

مهمترین ترکیبات عناصر گروه ۱۴ ترکیبات کربن است که به دو صورت ترکیبات آلی و معدنی وجود دارد. همان طور که گفته شد کربن در پیوندهای کووالانسی شرکت می کنند. ترکیبات آلی کربن از پیوندهای محکم کربن-کربن درست شده که با این پیوندها زنجیرهای کوتاه و بلند بی شماری ساخته می شود. آلدهیدها، کتون ها، آلکان ها، الکل ها، آمین ها نمونه هایی از این دسته بزرگ مواد هستند که رشته ای بزرگ در علم شیمی به نام شیمی آلی را به وجود آورده اند.

ترکیبات معدنی کربن پیوندهای کربن-کربن، کربن-هیدروژن و کربن-هالوژن ندارند. مهمترین این ترکیبات اکسیدهای کربن است. دی اکسیدکربن با فرمول شیمیایی CO_۲ و مونوکسیدکربن با فرمول شیمیایی CO از آن جمله است.

دی اکسیدکربن گازی بی رنگ و بی بو است که از ترکیب کربن با اکسیژن در فرآیندهایی مثل سوختن کربن و مواد آلی با اکسیژن، تنفس جانوران و گیاهان و تخمیر مایعات به دست می آید. این گاز تحت فشار و با سرد کردن ابتدا به مایع و سپس جامد تبدیل می شود. به دی اکسیدکربن جامد یخ خشک می گویند که در اثر گرم کردن ذوب نمی شود.

 

ترکیبات سیلیسیم

در بین این ترکیبات سیلیسیم دی اکسید (سیلیس) و سیلیکات مهمترین است. سیلیس با فرمول شیمیایی SiO_۲ به آرامی در آنیون کربنات سدیم مذاب حل شده به سیلیکات سدیم تبدیل می شود. سدیم سیلیکات را به شوینده های لباسشویی اضافه می کنند تا هم ذرات شوینده راحت جریان پیدا کند و هم به قسمت های آلومینیمی لباسشویی آسیبی نرسد. از حرارت دادن سیلیس و کربنات های سدیم و کلسیم در کوره، سیلیکات سدیم و سیلیکات کلسیم تشکیل می شود که همان شیشه معمولی است که در ترکیب آن سیلیس اضافی این واکنش نیز وجود دارد. دربین ترکیبات قلع و سرب اکسیدهای آن ها خاصیت آمفوتری دارند.

کربن چه رنگی است

کربن یکی از عناصر مهم و فراوان موجود بر روی زمین است که از سیاه رنگ تا سفید در قالب الماس مشاهده می شود. این ماده در شیمی آلی از اهمیت خاصی برخوردار است، زیرا ویژگی متمایز کننده یک ترکیب آلی است. همچنین به عنوان “ستون فقرات” زیست شناسی در نظر گرفته می شود، زیرا تمام اشکال حیات روی زمین مبتنی بر کربن هستند. این به دلیل دو ویژگی مهم کربن است: اندازه کوچک و پیکربندی الکترونی منحصر به فرد آن. از آنجایی که اتم‌های کربن کوچک هستند، الکترون‌های اوربیتال p آن‌ها به‌ طور قابل‌ توجهی همپوشانی دارند و پیوند π را قادر می‌سازند تشکیل شوند. پیکربندی الکترونی کربن به آن اجازه می دهد تا پیوندهای بسیار پایداری با اکسیژن و هیدروژن ایجاد کند. این پیوندها مقدار زیادی انرژی ذخیره می کنند.

مقادیر تقریباً بیشماری از ترکیبات کربنی مختلف وجود دارد، اما چندین ترکیب معدنی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. مونوکسید کربن (CO) برای سنتز سایر ترکیبات کربن، کاهش ترکیبات فلزی به محصولات قابل استفاده و در ترکیب با گازهای دیگر برای سوخت استفاده می شود.

کاربیدها، ترکیبات کربن و فلزات، در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، اغلب برای تثبیت ساختارهای فلزی دیگر استفاده می‌ شوند. کاربید کلسیم به عنوان مثال برای ساخت ترکیبات شیمیایی صنعتی استفاده می شود. دی سولفید کربن و تتراکلرید کربن حلال های قدرتمندی هستند (اگرچه از زمان طبقه بندی آن به عنوان سرطان زا، استفاده از CCl4 کاهش یافته است). سیانید مانند یون های هالید عمل می کند و نمک و اسید را تشکیل می دهد. اسید هیدروسیانیک (HCN) یک اسید ضعیف با نقطه جوش بسیار پایین (در واقع دمای اتاق) است و در تولید پلاستیک استفاده می شود. دیمر سیانید سیانوژن نامیده می شود و در سنتزهای آلی، مواد بخور و پیشران موشک استفاده می شود.