14. grupa hemijskih elemenata

Ugljenična grupa (grupa 14)
Vodonik Helijum Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson borova grupa ←    → pniktogeni
Broj grupe po IUPAC 14 Ime elementa ugljenična grupa Trivijalno ime tetreli CAS broj grupe (SAD, patern A-B-A) IVA stari IUPAC broj (Evropa, patern A-B) IVB
↓ Perioda
2	Ugljenik (C) 6 Nemetal
3	Silicijum (Si) 14 Metaloid
4	Germanijum (Ge) 32 Metaloid
5	Kalaj (Sn) 50 Postprelazni metal
6	Olovo (Pb) 82 Postprelazni metal
7	Flerovijum (Fl) 114 Postprelazni metal
Legenda primordijalni element sintetički element Boja atomskog broja: crno=čvrst

Grupa	14
Perioda
2	6 C
3	14 Si
4	32 Ge
5	50 Sn
6	82 Pb
7	114 Fl

14. grupa hemijskih elemenata je jedna od 18 grupa u periodnom sistemu elemenata. U ovoj grupi se nalaze: ugljenik, silicijum, germanijum, kalaj, olovo i flerovijum. U ovoj grupi se nalaze jedan nemetal, dva metaloida, i tri slaba metala. Svi elementi ove grupe se javljaju u prirodi sem flerovijuma koji je veštački dobijen. U ovoj grupi svi elementi su u čvrstom agregatnom stanju. Atomske mase ovih elemenata kreću se između 12,01 i 289. Ova grupa nosi nazive: ugljenikova grupa hemijskih elemenata i IVА grupa hemijskih elemenata

U modernoj IUPAC notaciji naziva se grupa 14. U oblasti fizike poluprovodnika, još uvek se univerzalno naziva grupa IV. Ova grupa je nekada bila poznata i kao tetreli (od grčke reči tetra, što znači četiri), koja potiče od rimskog broja IV u nazivima grupa, ili (ne slučajno) iz činjenice da ovi elementi imaju četiri valentna elektrona (pogledajte ispod). Takođe su poznati kao kristalogeni ili adamantogeni.

Karakteristike

Hemijske

Kao i druge grupe, članovi ove porodice pokazuju obrasce u konfiguraciji elektrona, posebno u najudaljenijim ljuskama, što rezultira trendovima u hemijskom ponašanju:

Z	Element	Br. elektrona/ljuska
6	Ugljenik	2, 4
14	Silicijum	2, 8, 4
32	Germanijum	2, 8, 18, 4
50	Kalaj	2, 8, 18, 18, 4
82	Olovo	2, 8, 18, 32, 18, 4
114	Flerovijum	2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (predviđeno)

Svaki od elemenata u ovoj grupi ima 4 elektrona u svojoj spoljašnjoj ljusci. Izolovani atom neutralne grupe 14 ima konfiguraciju s² p² u osnovnom stanju. Ovi elementi, posebno ugljenik i silicijum, imaju snažnu sklonost ka kovalentnom vezivanju, što obično dovodi spoljašnji omotač do osam elektrona. Veze u ovim elementima često dovode do hibridizacije gde se različiti s i p karakteri orbitala brišu. Za jednostruke veze, tipičan raspored ima četiri para sp³ elektrona, iako postoje i drugi slučajevi, kao što su tri sp² para u grafenu i grafitu. Dvostruke veze su karakteristične za ugljenik (alkeni, ${\ce {CO2}}$...); isto za π-sisteme uopšte. Tendencija gubljenja elektrona se povećava kako se veličina atoma povećava, kao i sa povećanjem atomskog broja. Sam ugljenik formira negativne jone, u obliku karbidnih (C⁴⁻) jona. Silicijum i germanijum, koji su metaloidi, mogu da formiraju +4 jona. Kalaj i olovo su metali, dok je flerovijum sintetički, radioaktivni element (njegovo poluvreme je veoma kratko, samo 1,9 sekundi) koji može imati nekoliko osobina sličnih plemenitom gasu, iako je i dalje najverovatnije postprelazni metal. Kalaj i olovo imaju sposobnost da formiraju +2 jone. Iako je kalaj hemijski metal, njegov α alotrop više liči na germanijum nego na metal i loš je električni provodnik.

Ugljenik formira tetrahalide sa svim halogenima. Ugljenik takođe formira mnoge okside kao što su ugljen monoksid, ugljen-suboksid i ugljen-dioksid. Ugljenik formira disulfide i diselenide.

Silicijum formira nekoliko hidrida; dva od njih su SiH₄ i Si₂H₆. Silicijum formira tetrahalide sa fluorom, hlorom, bromom i jodom. Silicijum takođe formira dioksid i disulfid. Silicijum nitrid ima formulu Si₃N₄.

Germanijum formira pet hidrida. Prva dva germanijum-hidrida su GeH₄ i Ge₂H₆. Germanijum formira tetrahalide sa svim halogenima osim astata, i formira dihalide sa svim halogenima osim broma i astata. Germanijum se vezuje za sve prirodne pojedinačne halkogene osim polonijuma i formira diokside, disulfide i diselenide. Germanijum nitrid ima formulu Ge₃N₄.

Kalaj formira dva hidrida: SnH₄ i Sn₂H₆. Kalaj formira dihalide i tetrahalide sa svim halogenima osim astata. Kalaj formira halkogenide sa jednim od svakog prirodnog halkogena osim polonijuma, i formira halkogenide sa po dva od svakog prirodnog halkogena osim polonijuma i telura.

Olovo formira jedan hidrid, koji ima formulu PbH₄. Olovo sa fluorom i hlorom formira dihalide i tetrahalide i formira dibromid i dijodid, iako su tetrabromid i tetrajodid olova nestabilni. Olovo formira četiri oksida, sulfid, selenid i telurid.

Nisu poznata jedinjenja flerovijuma.

Fizičke

Tačke ključanja grupe ugljenika imaju tendenciju da budu niže sa porastom težine elemenata. Ugljenik, najlakši element grupe ugljenika, sublimira na 3825 °C. Tačka ključanja silicijuma je 3265 °C, germanijuma je 2833 °C, kalaja 2602 °C, a olova 1749 °C. Flerovijum se predviđa da ključa na -60 °C. Tačke topljenja elemenata grupe ugljenika imaju otprilike isti trend kao i njihove tačke ključanja. Silicijum se topi na 1414 °C, germanijum se topi na 939 °C, kalaj se topi na 232 °C, a olovo se topi na 328 °C.

Kristalna struktura ugljenika je heksagonalna; pri visokim pritiscima i temperaturama formira dijamant (pogledajte ispod). Silicijum i germanijum imaju dijamantsku kubnu kristalnu strukturu, kao i kalaj na niskim temperaturama (ispod 13,2 °C)). Kalaj na sobnoj temperaturi ima tetragonalnu kristalnu strukturu. Olovo ima teseralnu kristalnu strukturu.

Gustine elemenata grupe ugljenika imaju tendenciju povećanja sa povećanjem atomskog broja. Ugljenik ima gustinu od 2,26 grama po kubnom centimetru, silicijum ima gustinu od 2,33 grama po kubnom centimetru, germanijum ima gustinu od 5,32 grama po kubnom centimetru. Kalaj ima gustinu 7,26 grama po kubnom centimetru, a olovo 11,3 grama po kubnom centimetru.

Atomski radijusi elemenata grupe ugljenika imaju tendenciju povećanja sa povećanjem atomskog broja. Atomski radijus ugljenika je 77 pikometara, silicijuma 118 pikometara, germanijuma 123 pikometara, kalaja 141 pikometar, a olovo ima radijus od 175 pikometra.

Alotropi

Ugljenik ima više alotropa. Najčešći je grafit, koji je ugljenik u obliku naslaganih listova. Drugi oblik ugljenika je dijamant, ali to je relativno retko. Amorfni ugljenik je treći alotrop ugljenika; komponenta je čađi. Još jedan alotrop ugljenika je fuleren, koji ima oblik listova atoma ugljenika presavijenih u sferu. Peti alotrop ugljenika, otkriven 2003. godine, naziva se grafen i u obliku je sloja atoma ugljenika raspoređenih u formaciju u obliku saća.

Silicijum ima dva poznata alotropa koja postoje na sobnoj temperaturi. Ovi alotropi su poznati kao amorfni i kristalni alotropi. Amorfni alotrop je smeđi prah. Kristalni alotrop je siv i ima metalni sjaj.

Kalaj ima dva alotropa: α-kalaj, poznat i kao sivi kalaj, i β-kalaj. Kalaj se obično nalazi u obliku β-kalaja, srebrnog metala. Međutim, pri standardnom pritisku, β-kalaj se pretvara u α-kalaj, sivi prah, na temperaturama ispod 13,2 °C (55,8 °F). Ovo može dovesti do toga da se kalajni predmeti na niskim temperaturama sruše u sivi prah u procesu poznatom kao trulež kalaja.

Jedro

Najmanje dva elementa grupe ugljenika (kalaj i olovo) imaju magična jezgra, što znači da su ovi elementi češći i stabilniji od elemenata koji nemaju magično jezgro.

Izotopi

Postoji 15 poznatih izotopa ugljenika. Od toga, tri su prirodna. Najčešći je stabilni ugljenik-12, a zatim stabilni ugljenik-13. Ugljenik-14 je prirodni radioaktivni izotop sa vremenom poluraspada od 5.730 godina.

Otkriveno je 23 izotopa silicijuma. Pet od njih je prirodno. Najčešći je stabilni silicijum-28, zatim stabilni silicijum-29 i stabilni silicijum-30. Silicijum-32 je radioaktivni izotop koji se prirodno javlja kao rezultat radioaktivnog raspada aktinoida i spalacijom u gornjoj atmosferi. Silicijum-34 se takođe javlja u prirodi kao rezultat radioaktivnog raspada aktinoida.

Otkriveno je 32 izotopa germanijuma. Pet od njih je prirodno. Najčešći je stabilni izotop germanijum-74, zatim stabilni izotop germanijum-72, stabilni izotop germanijum-70 i stabilni izotop germanijum-73. Izotop germanijum-76 je primordijalni radioizotop.

Otkriveno je 40 izotopa kalaja. 14 od njih se javlja u prirodi. Najčešći je kalaj-120, zatim kalaj-118, kalaj-116, kalaj-119, kalaj-117, kalaj-124, kalaj-122, kalaj-112 i kalaj-114: svi su stabilni. Kalaj takođe ima četiri radioizotopa koji nastaju kao rezultat radioaktivnog raspada uranijuma. Ovi izotopi su kalaj-121, kalaj-123, kalaj-125 i kalaj-126.

Otkriveno je 38 izotopa olova. 9 od njih se prirodno javljaju. Najčešći izotop je olovo-208, zatim olovo-206, olovo-207 i olovo-204: svi su stabilni. 4 izotopa olova nastaju radioaktivnim raspadom uranijuma i torijuma. Ovi izotopi su olovo-209, olovo-210, olovo-211 i olovo-212.

Otkriveno je 6 izotopa flerovijuma (flerovijum-284, flerovijum-285, flerovijum-286, flerovijum-287, flerovijum-288 i flerovijum-289). Ništa od ovoga se ne javlja prirodno. Najstabilniji izotop flerovijuma je flerovijum-289, koji ima vreme poluraspada od 2,6 sekundi.