Најважније из лекције
Металоиди (бор и силицијум): Елементи са прелазним физичко-хемијским својствима.
Бор (\(\text{B}\)): 13. група, гради ковалентне мреже, велике тврдоће. Најважнији минерал је боракс. Његов оксид \(\text{B}_2\text{O}_3\) служи за термостабилна стакла, а ортоборна киселина (\(\text{H}_3\text{BO}_3\)) као антисептик и инсектицид (боји пламен у зелено).
Силицијум (\(\text{Si}\)): 14. група, други елемент по распрострањености у Земљиној кори (кварц \(\text{SiO}_2\), силикати). Добија се редукцијом \(\text{SiO}_2\) коксом. Као полупроводник кључан је за електронику и соларне ћелије.
Хемијско понашање: Оксиди \(\text{B}_2\text{O}_3\) и \(\text{SiO}_2\) су кисели. Силицијум не реагује с киселинама, а са јаким базама даје силикате (\(\text{Na}_2\text{SiO}_3\) – водено стакло) и \(\text{H}_2\).
Силикони: Хидрофобни, термички стабилни и нетоксични полимери ланца \(-\text{Si}-\text{O}-\text{Si}-\) са органским групама, са широком применом од технике до медицине.
Бор (\(\text{B}\)): 13. група, гради ковалентне мреже, велике тврдоће. Најважнији минерал је боракс. Његов оксид \(\text{B}_2\text{O}_3\) служи за термостабилна стакла, а ортоборна киселина (\(\text{H}_3\text{BO}_3\)) као антисептик и инсектицид (боји пламен у зелено).
Силицијум (\(\text{Si}\)): 14. група, други елемент по распрострањености у Земљиној кори (кварц \(\text{SiO}_2\), силикати). Добија се редукцијом \(\text{SiO}_2\) коксом. Као полупроводник кључан је за електронику и соларне ћелије.
Хемијско понашање: Оксиди \(\text{B}_2\text{O}_3\) и \(\text{SiO}_2\) су кисели. Силицијум не реагује с киселинама, а са јаким базама даје силикате (\(\text{Na}_2\text{SiO}_3\) – водено стакло) и \(\text{H}_2\).
Силикони: Хидрофобни, термички стабилни и нетоксични полимери ланца \(-\text{Si}-\text{O}-\text{Si}-\) са органским групама, са широком применом од технике до медицине.
Металоиди (полуметали) су хемијски елементи који показују прелазна својства између метала и неметала.
Металоиди имају нека својства метала (метални сјај, полупроводљивост, способност грађења база), али и типична својства неметала (грађење ковалентних једињења, киселих оксида и киселина).
Главни представници металоида су: бор (\(\text{B}\)), силицијум (\(\text{Si}\)), германијум (\(\text{Ge}\)), арсен (\(\text{As}\)), антимон (\(\text{Sb}\)), телур (\(\text{Te}\)) и астат (\(\text{At}\)).
У Периодном систему елемената металоиди се налазе дуж дијагоналне граничне линије која раздваја метале од неметала.
Бор је први елемент 13. групе ПСЕ са карактеристичним оксидационим бројем \(+3\) у својим једињењима.
Због малог атомског полупречника, бор не гради једноставне катјоне \(\text{B}^{3+}\), већ искључиво јаке ковалентне везе повезујући се у чврсте просторне мреже.
Физичка и хемијска својства:
- Кристални бор је изузетно тврда супстанца (други по тврдоћи после дијаманта).
- Има веома високу температуру топљења (\(2300\text{ }^\circ\text{C}\)).
- Реакцијом са кисеоником на повишеној температури гради кисели оксид: \[ 4\text{B(s)} + 3\text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{B}_2\text{O}_3\text{(s)} \]
У природи се бор налази у облику минерала, од којих је најзначајнији боракс. Елементарни бор се користи као додатак за производњу специјалних, високоотпорних врста челика.
Бор(III)-оксид (\(\text{B}_2\text{O}_3\)) је кисели оксид и анхидрид борне киселине. Настаје жарењем ортоборне киселине:
\[ 2\text{H}_3\text{BO}_3\text{(s)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{B}_2\text{O}_3\text{(s)} + 3\text{H}_2\text{O(l)} \]
Примена: производња термостабилног и хемијски отпорног лабораторијског стакла (боросиликатно стакло).
Ортоборна киселина (\(\text{H}_3\text{BO}_3\)) је бела чврста кристална супстанца на собној температури.
Због густе мреже међумолекулских водоничних веза добро се раствара у води.
Значај и примена ортоборне киселине:
- Медицина: благ антисептик (раствор \(3\%\) познат као ациди борици).
- Пољопривреда: инсектицид (токсична за инсекте и ниже организме).
- Пиротехника: једињења бора боје пламен у карактеристичну интензивно зелену боју.
Силицијум је елемент 14. групе ПСЕ, са најстабилнијим оксидационим бројем \(+4\). Други је најраспрострањенији елемент у Земљиној кори (одмах после кисеоника).
Јавља се у два облика:
- Кристални силицијум: има кристалну решетку сличну дијаманту, црне је боје са металним сјајем, велике тврдоће и полупроводничких својстава.
- Аморфни силицијум: тамносиви до црни прах.
Налажење у природи: искључиво у облику једињења - минерала кварца (\(\text{SiO}_2\)) (прозирни биљур, љубичасти аметист, кварцни песак), као и силиката и алуминосиликата (глина, пољски спат, стене).
Индустријско добијање силицијума: редукцијом кварцног песка коксом у електролучним пећима:
\[ \text{SiO}_2\text{(s)} + 2\text{C(s)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{Si(s)} + 2\text{CO(g)} \]
Као редукциона средства ређе се користе и \(\text{Mg}\) или \(\text{Al}\).
Због својих полупроводничких својстава, силицијум високе чистоће је основни материјал савремене електронике (чипови, транзистори, соларни панели).
Силицијум је на собној температури веома инертан и реагује директно једино са флуором (\(\text{SiF}_4\)). Не реагује са киселинама.
Хемијске реакције силицијума:
- При загревању реагује са кисеоником, халогенима, азотом, сумпором и неким металима: \[ \text{Si(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{SiO}_2\text{(s)} \]
- Раствара се у концентрованим растворима јаких база уз издвајање водоника: \[ \text{Si(s)} + 2\text{NaOH(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{Na}_2\text{SiO}_3\text{(aq)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \]
Силицијум(IV)-оксид (\(\text{SiO}_2\)) је кисели оксид веома стабилне мрежасте структуре. Реагује са алкалним хидроксидима градећи соли - силикате:
\[ \text{SiO}_2\text{(s)} + 2\text{NaOH(aq)} \longrightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
Водени раствор натријум-силиката (\(\text{Na}_2\text{SiO}_3\)) назива се водено стакло.
Силикагел и силикатни материјали:
- Силикагел: дехидратисани полимерни облик силицијумових киселина, изразито порозан материјал који служи као адсорбенс и сушило (користи се у хроматографији).
- Силикатни материјали: грађевински материјали попут цемента, бетона, опеке, стакла, керамике и порцелана, чија је основна градивна јединица тетраедар \([-\text{SiO}_4-]\).
Силикони су полимерна органско-неорганска једињења изграђена од ланаца наизменично повезаних атома силицијума и кисеоника (\(-\text{Si}-\text{O}-\text{Si}-\)), где су за атоме силицијума везане органске групе.
Главна својства силикона:
- Хидрофобни су (не растварају се у води и одбијају влагу).
- Термички и хемијски су веома стабилни и слабо реактивни.
- Нису токсични и биолошки су компатибилни (не подржавају раст бактерија).
Примена силикона:
- Индустрија и домаћинство: силиконска уља, мазива, заптивне масе, електрични изолатори, калупи за печење.
- Козметика: шампони, гелови и препарати за негу косе и коже.
- Медицина: израда трајних и привремених имплантата, протеза, срчаних стентова и кататера.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Лаки ниво): Наведи оксидационе бројеве бора и силицијума у њиховим најстабилнијим оксидима, формуле тих оксида и њихов киселинско-базни карактер. Како се у аналитичкој хемији и пиротехници доказује присуство бора?
- Бор: оксидациони број је \(+3\), формула оксида је \(\text{B}_2\text{O}_3\) (бор(III)-оксид).
- Силицијум: оксидациони број је \(+4\), формула оксида је \(\text{SiO}_2\) (силицијум(IV)-оксид).
- Оба оксида по свом киселинско-базном карактеру припадају киселим оксидима (анхидриди су ортоборне, односно силикатних киселина).
- Присуство једињења бора доказује се бојењем пламена у карактеристичну зелену боју.
Задатак 2 (Средњи ниво): У медицини се као благ антисептик користи водени раствор ортоборне киселине масене концентрације \(\gamma = 30\text{ g/dm}^3\). Колико је грама чисте ортоборне киселине (\(\text{H}_3\text{BO}_3\)) потребно одмерити за припрему \(100\text{ cm}^3\) овог раствора?
Запремина раствора: \(V = 100\text{ cm}^3 = 0{,}1\text{ dm}^3\).
Масена концентрација: \(\gamma = 30\text{ g/dm}^3\).
Масена концентрација: \(\gamma = 30\text{ g/dm}^3\).
Користимо формулу за масену концентрацију:
\[ \gamma = \frac{m(\text{H}_3\text{BO}_3)}{V} \implies m(\text{H}_3\text{BO}_3) = \gamma \cdot V \]
\[ m(\text{H}_3\text{BO}_3) = 30\text{ g/dm}^3 \cdot 0{,}1\text{ dm}^3 = 3\text{ g} \]
Одговор: За припрему описаног раствора потребно је одмерити \(3\text{ g}\) чисте ортоборне киселине.
Задатак 3 (Средњи ниво): Како силицијум реагује са киселинама, а како са концентрованим воденим растворима алкалних база? Напиши једначину реакције силицијума са раствором натријум-хидроксида и наведи назив супстанце која се растварањем насталог производа формира у води.
Силицијум не реагује са киселинама.
Са концентрованим воденим растворима јаких база реагује при загревању уз истискивање елементарног водоника: \[ \text{Si(s)} + 2\text{NaOH(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{Na}_2\text{SiO}_3\text{(aq)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \] Настали производ је натријум-силикат (\(\text{Na}_2\text{SiO}_3\)), а његов концентровани водени раствор познат је као водено стакло.
Са концентрованим воденим растворима јаких база реагује при загревању уз истискивање елементарног водоника: \[ \text{Si(s)} + 2\text{NaOH(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \stackrel{t^\circ}{\longrightarrow} \text{Na}_2\text{SiO}_3\text{(aq)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \] Настали производ је натријум-силикат (\(\text{Na}_2\text{SiO}_3\)), а његов концентровани водени раствор познат је као водено стакло.
Задатак 4 (Напредни ниво): Израчунај масу чистог силицијума која се може добити карботермичком редукцијом из узорка кварцног песка масе \(125\text{ kg}\), ако масени удео примеса у песку износи \(7{,}8\%\), а искоришћење хемијског процеса износи \(87\%\). (\(M(\text{Si}) = 28{,}09\text{ g/mol}\), \(M(\text{O}) = 16{,}00\text{ g/mol}\)).
Масени удео чистог \(\text{SiO}_2\) у узорку је:
\[ w(\text{SiO}_2) = 100\% - 7{,}8\% = 92{,}2\% = 0{,}922 \]
Маса чистог \(\text{SiO}_2\) у узорку износи:
\[ m(\text{SiO}_2) = 125\text{ kg} \cdot 0{,}922 = 115{,}25\text{ kg} \]
Моларне масе:
\[ M(\text{SiO}_2) = 28{,}09\text{ g/mol} + 2 \cdot 16{,}00\text{ g/mol} = 60{,}09\text{ g/mol} \]
\[ M(\text{Si}) = 28{,}09\text{ g/mol} \]
Једначина реакције:
\[ \text{SiO}_2 + 2\text{C} \longrightarrow \text{Si} + 2\text{CO} \]
Из стехиометрије реакције следи:
\[ \frac{m_{\text{теор}}(\text{Si})}{M(\text{Si})} = \frac{m(\text{SiO}_2)}{M(\text{SiO}_2)} \]
\[ m_{\text{теор}}(\text{Si}) = 115{,}25\text{ kg} \cdot \frac{28{,}09\text{ g/mol}}{60{,}09\text{ g/mol}} \approx 53{,}88\text{ kg} \]
Стварна (практична) маса добијеног силицијума при искоришћењу од \(87\%\) (\(\eta = 0{,}87\)):
\[ m_{\text{практ}}(\text{Si}) = m_{\text{теор}}(\text{Si}) \cdot \eta = 53{,}88\text{ kg} \cdot 0{,}87 \approx 46{,}88\text{ kg} \]
Одговор: Из узорка се може добити приближно \(46{,}88\text{ kg}\) чистог силицијума.
