VLASTNOSTI POLOKOVŮ A NEKOVŮ Autor: Mgr. Stanislava Bubíková Datum (období) tvorby: 25. 10. 2012 Ročník: osmý Vzdělávací oblast: Člověk a příroda / Chemie / Částicové složení látek a chemické prvky 1
Anotace: Žáci se seznámí dělením prvků na kovy, polokovy a nekovy. V rámci tohoto modulu žáci rozdělí nekovy podle skupenství a podle jejich zařazení do skupin PSP. Popíší vlastnosti nekovů a polokovů, vyjmenují nejznámější z nich a přiřadí k nim jejich použití. 2
Vlastnosti nekovy plyny, kapaliny, pevné látky v PSP umístěny vpravo nahoře Výjimkou je vodík vysoká elektronegativita tvoří iontovou vazbu s elektropozitivními prvky a kovalentní vazbu s ostatními prvky tvoří kyselinotvorné oxidy izolanty špatně vedou elektrický proud a teplo polokovy pevné látky v PSP tvoří předěl mezi kovy a nekovy (úhlopříčka) tvoří amfoterní oxidy malá vodivost polovodiče (B, Si, Ge) křehké, nejsou kujné výroba polovodičů Obr. č. 1: Polovodiče [2] dostupné z: http://commons.wikim edia.org/wiki/file:semic onductor-1.jpg 3
Umístění v PSP polokovy B, Si, Ge, As, Se, Sb, Te, At nekovy H, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, F, Cl, Br, I, O, S, N, P, C 34 Se Obr. č. 2: Dělení PSP [3] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:eight_category_periodic_table_%28mk2%29.png 4
Nekovy rozdělení podle skupenství: plyny H, O, N, F, Cl, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn kapalina Br pevné látky C, P, S, I Obr. č. 3: Brom [4] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/ wiki/file:brom_amp.jpg rozdělení podle skupin PSP: prvky1.,14.,15. a16. skupiny H, C, N, P, O, S halogeny (17. skupina) F, Cl, Br, I vzácné plyny (18. skupina), He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Obr. č. 4: Vzácné plyny [5] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:glowing_noble_gases.jpg 5
Uhlík přírodní modifikace: grafit (tuha) šedý, měkký (tvrdost 1-2) struktura: vrstvy šestiúhelníků (šesterečná soustava) vede elektrický proud vysoká teplotní odolnost (t v = 4 027 C) použití: těsnění, mazání, tužky, elektrody diamant bezbarvý, nejtvrdší přírodní látka (tvrdost 10) struktura: krychlová soustava nevede elektrický proud výborná tepelná vodivost použití: řezání, vrtání, šperky Obr. č. 5: Grafit [6] dostupné z: http://common s.wikimedia.org /wiki/file:grap hit_gitter.png Obr. č. 6: Diamant [7] dostupné z: http://commons.wikim edia.org/wiki/file:diam ond_cubic- F_lattice_animation.gif 6
grafen Syntetický uhlík objev v roce 2004 (Nobelova cena 2010) struktura: jedna nebo několik vrstev šestiúhelníků vede elektrický proud a teplo propustný pro světlo, velmi pevný použití: nanotechnologie, výroba elektroniky, fotovoltaických panelů fulleren sférický tvar z vrstvy grafenu šestiúhelníky (s vloženými pětiúhelníky) mimořádně odolný, tvrdší než diamant struktura: nejčastěji obsahuje 60 atomů uhlíkové nanotrubice Obr. č. 8: Fulleren [9] dostupné z: http://commons.wikimedi a.org/wiki/file:buckminst erfullerene_animated.gif Obr. č. 7: Grafen [8] dostupné z: http://commons.wikimedia.org /wiki/file:graphen.jpg z vrstvy grafenu (průměr 1 100 nm; délka 100 μm) použití: nanotechnologie (možná zdravotní rizika) amorfní uhlík aktivní uhlí lékařství, náplně filtrů Obr. č. 9: Nanotrubice [10] dostupné z: http://commons.wikimedi a.org/wiki/file:types_of_ Carbon_Nanotubes.png 7
Dusík tvoří 78 % atmosféry, biogenní prvek bezbarvý netoxický inertní plyn výroba: rektifikací kapalného vzduchu použití: výroba amoniaku, kyseliny dusičné, hnojiv, výbušnin plynný dusík - inertní atmosféra, plnění obalů kapalný dusík kryogenní procesy, chlazení polovodičů, nekrotizace bradavic Obr. č. 11: Dusík [12] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/w iki/file:nitrogen-glow.jpg Obr. č. 10: Dusík [11] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Liquid_nitrogen_dsc04496.jpg Obr. č. 12: Bradavice [13] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Toe_plantar_wart_0147.JPG 8
Fosfor pevná látka, biogenní prvek tři modifikace (bílý, červený a černý fosfor) bílý fosfor tvořen tetraedry P 4 jedovatý, měkký, na vzduchu samozápalný, světélkuje, uchovává se pod vodou použití - pyrotechnika, zápalná munice, jed na krysy, chemická zbraň červený fosfor polymer, na vzduchu stálý, zvýšením teploty přechází na bílý fosfor, méně reaktivní použití - výroba zápalek a roznětek černý fosfor polymer tvořený vrstvami, nejméně reaktivní, kovové vlastnosti vede elektrický proud použití - výroba polovodičů typu N Obr. č. 13: Modifikace fosforu [14] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:phosphcomby_2.jpg 9
Síra žlutá pevná látka, biogenní prvek vznik: sopečnou činností sedimentací síry vzniklé činností sirných bakterií naleziště: Sicílie, Japonsko, Polsko použití: spalování síry dezinfekce (sudy, včelí rámky) vulkanizace kaučuku výroba H 2 SO 4 výroba zápalek, mastí Obr. č. 14: Síra na svahu sopky, Itálie [15] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:fumarolesvulcano.jpg Obr. č. 15: Ruční těžba síry, Jáva [16] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:kawah_ijen,_carryi ng_sulphur_down_the_mountain_%286972462003%29.jpg 10
Allotropické modifikace kosočtverečná síra (do 95 C) nejstabilnější modifikace tvoří ji molekuly S 8 jednoklonná síra (95-119 C) nestálá, tvoří ji molekuly S 8 kapalná síra (nad 119 C) hustá viskózní kapalina plastická síra vzniká ochlazením kapalné síry hnědá barva tvoří ji dlouhé řetězce atomů sirný květ vzniká sublimací sirných par Obr. č. 16: Hořící síra (ve dne / v noci) [17] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:burning-sulfur.png 11
Halogeny jedovaté barevné prvky fluor nažloutlý plyn chlor žlutozelený plyn brom hnědočervená kapalina jód fialovočerná krystalická látka v přírodě se vyskytují pouze v halogenidech - oxidační číslo (-I) výroba: elektrolýza sloučenin použití: chlor dezinfekce pitné vody, bělení surovin v papírenském průmyslu jód dezinfekce okolí ran (lihový roztok jodu jodová tinktura) Obr. č. 18: Sublimace kapalného bromu [19] dostupné z: http://commons.wiki media.org/wiki/file:br omine_sphere.jpg Obr. č. 17: Plynný chlor [18] dostupné z: http://commons.wikimedi a.org/wiki/file:chlor.jpg Obr. č. 19: Krystaly jódu [20] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file: Iodine_crystals_grown_from_the_gas_p hase_of_iodine.jpg 12
Vzácné plyny tvoří necelé 1 % atmosféry bezbarvé netoxické inertní plyny, vedou elektrický proud radon je radioaktivní výroba: rektifikací kapalného vzduchu použití: inertní atmosféra (Ar, Kr) plnění balonů (He), plnění žárovek a reklamních trubic (Ar, Kr, Xe, Ne) Rn: lokální ozařování (léčba) a balneoterapie (lázně Jáchymov) Obr. č. 20: Vzducholoď [21] dostupné z: http://commons.wikime dia.org/wiki/file:zeppeli n_nt_im_flug.jpg Obr. č. 21: Použití vzácných plynů [22] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:edelgase_1.jpg 13
Polokovy B, Si, Ge, As, Se, Sb, Te, At vlastnosti: křehké, kujné malá elektrická vodivost tvoří amfoterní oxidy používají se jako polovodiče Obr. č. 23: Krystal germania [24] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/w iki/file:polycrystallinegermanium.jpg Obr. č. 22: Polovodičové součástky [23] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:semiconductors_dspositives.png 14
Bor výskyt ve sloučeninách borax (tinkal) naleziště: USA, Peru, Tibet, Turecko důležitý biogenní prvek rostlin (klíčení) oxidační číslo: +III (-itý) použití: výroba skla (tepelná odolnost) glazury v keramice řídící tyče v jaderných reaktorech sloučeniny barví plamen zeleně (pyrotechnika) Obr. č. 25: Sloučeniny boru barví plamen[26] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:boratflamme.jpg Obr. č. 24: Krystaly boraxu [25] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:borax1_- _Kramer_Borate_deposit,_Boron,_Kern_Co,_California,_USA.jpg 15
Sloučeniny boru borany sloučeniny boru s vodíkem nejznámější: diboran B 2 H 6 bezbarvý plyn se vzduchem tvoří výbušnou směs použití: raketové palivo, katalyzátor polymerací kyselina trihydrogenboritá H 3 BO 3 pevná bílá látka, slabá jednosytná kyselina použití: ošetření očí: 2 3 % kyselina (borová voda), odpuzuje hmyz (součást insekticidů) borax Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] 8H 2 O pevná bílá látka, jednoklonné krystaly použití: metalurgie (ochrana proti oxidaci), výroba skla, konzervant v potravinářství, hnojivo Obr. č. 26: Struktura diboranu [27] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:diboraneschema.png Obr. č. 27: Borax [28] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:borax2_- _Kramer_Borate_deposit,_Boron,_Kern_Co,_Califor nia,_usa.jpg 16
Křemík výskyt ve sloučeninách až 28 % zemské kůry horniny: pískovec, jíl, žula minerál: křemen biogenní prvek živočichové: kosti a zuby rostliny: přesličky, kopřivy, schránky rozsivek oxidační číslo: +IV (-ičitý) výroba: Obr. č. 28: Monokrystal křemíku [29] dostupné z: http://commons.wikimedia. org/wiki/file:monokristaline s_silizium_f%c3%bcr_die_ Waferherstellung.jpg SiO + C Si + 2 CO 2 1. redukce taveniny SiO 2, vzniklý 99,9 % křemík se taví zonálním tavením na čistotu 99,99999 % (pro výrobu polovodičů) 2. z těkavých sloučenin (SiCl 4 ) při vysoké teplotě (1 100 C) křemíková tavenina se vylučuje na zárodečném krystalu křemíku vzniklý ingot (monokrystal) má průměr 40 cm a délku 2 m; řeže se na tenké vrstvy (0,5 mm) výroba počítačových procesorů použití: výroba polovodičů; sloučeniny - sklo, porcelán, cement 17
Sloučeniny křemíku silany (obdoba uhlovodíků) sloučeniny křemíku s vodíkem nejznámější: silan SiH 4 bezbarvý plyn na vzduchu samovznícení použití: výroba slunečních kolektorů, polovodičů Obr. č. 29: Struktura silanu [30] dostupné z: http://commons. wikimedia.org/wik i/file:sih4.jpg oxid křemičitý (křemen) SiO 2 inertní pevná látka (reaguje pouze s HF a hydroxidy), součást hornin (žula, pískovec) polodrahokamové odrůdy (např. křišťál) použití: stavebnictví, výroba skla a optických kabelů, sušení (silikagel) křemičitany (silikáty) vodní sklo Na 2 SiO 3 uchovávání vajec, lepidlo, s ethanolem tvoří silikony součásti hornin: olivín, granát, zirkon, beryl (smaragd, akvamarín), kaolinit, mastek, slída, živec Obr. č. 30: Ametyst [31] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file: GuerreroAm%C3%A9thyste.jpg Obr. č. 31: Silikagel (sušidlo v botách) [32] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file: Silicagel1.JPG 18
Polovodiče pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách nejčastěji: Si, Ge, Se polovodič typu P křemík je dotován prvkem s třemi valenčními elektrony B, Al, Ga, In (13. skupina) obsahuje díry polovodič typu N křemík je dotován prvkem s pěti valenčními elektrony P, As, Sb (15. skupina) obsahuje volný elektron Obr. č. 32: Polovodič typu P [33] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:p_type_semiconductor.png Obr. č. 33: Polovodič typu N [34] dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:n_type_semiconductor.png 19
Zdroje 1. BENEŠ, Pavel, Václav PUMPR a Jiří BANÝR. Základy chemie pro 2. stupeň základní školy, nižší ročníky víceletých gymnázií a střední školy. 3. vyd. Praha: Fortuna, 2000, 143 s. ISBN 80-716-8720-0. 2. Semiconductor-1.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:semiconductor-1.jpg 3. Eight_category_periodic_table_%28Mk2%29.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:eight_category_periodic_table_%28mk2%29.pngsemiconductor-1.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:semiconductor-1.jpg 4. Brom_amp.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:brom_amp.jpg 5. Glowing_noble_gases.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:sglowing_noble_gases.jpg 6. Graphit_gitter.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:graphit_gitter.png 7. Diamond_Cubic-F_lattice_animation.gif. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:diamond_cubic- F_lattice_animation.gif 8. Graphen.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:graphen.jpg 9. Buckminsterfullerene_animated.gif. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:buckminsterfullerene_animated.gif 10. Types_of_Carbon_Nanotubes.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:types_of_carbon_nanotubes.png 11. Liquid_nitrogen_dsc04496.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:liquid_nitrogen_dsc04496.jpg 12. Nitrogen-glow.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:nitrogen-glow.jpg 13. Toe_plantar_wart_0147.JPG. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:toe_plantar_wart_0147.jpg 14. PhosphComby_2.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:phosphcomby_2.jpg 15. Fumaroles-vulcano.JPG. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:fumaroles-vulcano.jpg 16. Kawah_Ijen,_carrying_sulphur_down_the_mountain_%286972462003%29.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:kawah_ijen,_carrying_sulphur_down_the_mountain_%286972462003%29.jpg 17. Burning-sulfur.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:burning-sulfur.png 18. Chlor.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:chlor.jpg 19. Bromine_sphere.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:bromine_sphere.jpg 20. Iodine_crystals_grown_from_the_gas_phase_of_iodine.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:iodine_crystals_grown_from_the_gas_phase_of_iodine.jpg 21. Zeppelin_NT_im_Flug.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:zeppelin_nt_im_flug.jpg 22. Edelgase_1.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:edelgase_1.jpg 23. Semiconductors_dspositives.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:semiconductors_dspositives.png 24. Polycrystalline-germanium.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:polycrystalline-germanium.jpg 25. Borax1_-_Kramer_Borate_deposit,_Boron,_Kern_Co,_California,_USA.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:borax1_-_kramer_borate_deposit,_boron,_kern_co,_california,_usa.jpg 26. Boratflamme.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:boratflamme.jpg 27. DiboraneSchema.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:diboraneschema.png 28. Borax2_-_Kramer_Borate_deposit,_Boron,_Kern_Co,_California,_USA.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:borax2_-_kramer_borate_deposit,_boron,_kern_co,_california,_usa.jpg 29. Monokristalines_Silizium_f%C3%BCr_die_Waferherstellung.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:monokristalines_silizium_f%c3%bcr_die_waferherstellung.jpg 30. SiH4.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:sih4.jpg 31. GuerreroAm%C3%A9thyste.jpg. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:guerreroam%c3%a9thyste.jpg 32. Silicagel1.JPG. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:silicagel1.jpg 33. P_type_semiconductor.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:p_type_semiconductor.png 34. N_type_semiconductor.png. Wikimedia Commons [online]. 2004 [cit. 2012-10-25]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:n_type_semiconductor.png 20