Најважније из лекције
Халогени елементи (\(\mathrm{F}_2, \mathrm{Cl}_2, \mathrm{Br}_2, \mathrm{I}_2\)): Имају 7 валентних електрона; реактивност опада низ групу (\(\mathrm{F} > \mathrm{Cl} > \mathrm{Br} > \mathrm{I}\)). Реактивнији истискују мање реактивне из соли. Јод загревањем сублимује.
Сумпор (\(\mathrm{S}_8\)): 6 валентних електрона, жута чврста супстанца, не раствара се у води већ у неполарним растварачима (\(\mathrm{CS}_2\)); користи се за вулканизацију и добијање \(\mathrm{H}_2\mathrm{SO}_4\).
Азот и фосфор: 5 валентних електрона. Азот (\(\mathrm{N}_2\)) има јаку троструку везу и инертан је. Амонијак (\(\mathrm{NH}_3\)) је базни гас карактеристичног мириса. Фосфор има две алотропске модификације: нестабилни и отровни бели фосфор (\(\mathrm{P}_4\)) и стабилни црвени фосфор.
Угљеник: 4 валентна електрона. Алотропи су дијамант (тетраедарски распоред, најтврђи, изолатор), графит (слојевит, мек, проводник струје), фулерен (\(\mathrm{C}_{60}\)), графен и наноцеви.
Сумпор (\(\mathrm{S}_8\)): 6 валентних електрона, жута чврста супстанца, не раствара се у води већ у неполарним растварачима (\(\mathrm{CS}_2\)); користи се за вулканизацију и добијање \(\mathrm{H}_2\mathrm{SO}_4\).
Азот и фосфор: 5 валентних електрона. Азот (\(\mathrm{N}_2\)) има јаку троструку везу и инертан је. Амонијак (\(\mathrm{NH}_3\)) је базни гас карактеристичног мириса. Фосфор има две алотропске модификације: нестабилни и отровни бели фосфор (\(\mathrm{P}_4\)) и стабилни црвени фосфор.
Угљеник: 4 валентна електрона. Алотропи су дијамант (тетраедарски распоред, најтврђи, изолатор), графит (слојевит, мек, проводник струје), фулерен (\(\mathrm{C}_{60}\)), графен и наноцеви.
Халогени елементи (грч. halos – со, gennan – стварати) налазе се у 17. групи Периодног система. Њихови атоми имају 7 валентних електрона, а у елементарном стању граде двоатомне молекуле (\(\mathrm{F}_2\), \(\mathrm{Cl}_2\), \(\mathrm{Br}_2\), \(\mathrm{I}_2\)).
| Елемент | Агрегатно стање (ст. услови) | Боја и физичка својства |
|---|---|---|
| Флуор (\(\mathrm{F}_2\)) | Гас | Бледожута боја, изузетно реактиван и отрован |
| Хлор (\(\mathrm{Cl}_2\)) | Гас | Зеленкастожута боја, гушћи од ваздуха, гуши и иритира дисајне органе |
| Бром (\(\mathrm{Br}_2\)) | Течност | Црвенкастосмеђа / наранџастосмеђа испарљива течност, нагриза кожу |
| Јод (\(\mathrm{I}_2\)) | Чврсто | Тамносиви кристали металног сјаја; загревањем лако сублимује у љубичасте паре |
Реактивност халогена: Опада у групи одозго надоле (са порастом атомског броја и пречника атома):
\[ \mathrm{F} > \mathrm{Cl} > \mathrm{Br} > \mathrm{I} \]
Реактивнији халоген истискује мање реактиван халоген из његових соли:
\[ \mathrm{Cl}_2 + 2\mathrm{KBr} \rightarrow \mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KCl} \]
\[ \mathrm{Cl}_2 + 2\mathrm{KI} \rightarrow \mathrm{I}_2 + 2\mathrm{KCl} \]
\[ \mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KI} \rightarrow \mathrm{I}_2 + 2\mathrm{KBr} \]
Лабораторијско добијање хлороводоника (\(\mathrm{HCl}\)):
\[ 2\mathrm{NaCl} + \mathrm{H}_2\mathrm{SO}_4 \rightarrow \mathrm{Na}_2\mathrm{SO}_4 + 2\mathrm{HCl} \]
Хлороводоник је гас веће густине од ваздуха, добро се раствара у води дајући хлороводоничну киселину.
Примена и биолошки значај:
- Флуор: производња тефлона и фреона; флуориди спречавају каријес и улазе у састав зубне глеђи и костију.
- Хлор: дезинфекција пијаће воде, производња пластике (PVC), избељивача (варикина, доместос). Хлоридни јони су кључни у телесним течностима.
- Бром: производња лекова у фармацеутској индустрији.
- Јод: дезинфекција у медицини, важан за правилан рад штитне (тироидне) жлезде (јодирање кухињске соли спречава гушавост); радиоактивни изотоп \(^{131}\mathrm{I}\) користи се у дијагностици и терапији.
Шта се дешава када се гасовити хлор уведе у безбојни водени раствор натријум-јодида (\(\mathrm{NaI}\))?
Хлор је реактивнији од јода и истискује га из његове соли. Раствор поприма жутонаранџасту/смеђу боју услед издвајања елементарног јода:
\[ \mathrm{Cl}_2 + 2\mathrm{NaI} \rightarrow \mathrm{I}_2 + 2\mathrm{NaCl} \]
Сумпор (\(\mathrm{S}\)) је неметал 16. групе Периодног система. Његови атоми имају 6 валентних електрона.
У елементарном стању гради стабилне осмоатомне прстенасте молекуле \(\mathrm{S}_8\) повезане ковалентним везама.
Физичка својства: Сумпор је чврста супстанца жуте боје. Не раствара се у води (поларном растварачу), али се добро раствара у неполарним растварачима, као што су угљен-дисулфид (\(\mathrm{CS}_2\)) и угљен-тетрахлорид (\(\mathrm{CCl}_4\)).
Практична примена сумпора:
- Производња сумпорне киселине (\(\mathrm{H}_2\mathrm{SO}_4\));
- Вулканизација каучука (добијање гуме);
- Производња барута и шибица;
- У пољопривреди као фунгицид (средство за сузбијање гљивичних обољења биљака).
Због чега се сумпор не раствара у води, а лако се раствара у угљен-дисулфиду (\(\mathrm{CS}_2\))?
Молекул сумпора (\(\mathrm{S}_8\)) је неполаран. Према правилу „слично се раствара у сличном”, неполарни молекули сумпора не растварају се у поларној води, али се одлично растварају у неполарном угљен-дисулфиду.
Азот (\(\mathrm{N}\)) и фосфор (\(\mathrm{P}\)) су неметали 15. групе Периодног система чији атоми имају 5 валентних електрона.
Азот (\(\mathrm{N}_2\)): У елементарном стању је гас чији су атоми повезани веома јаком троструком ковалентном везом (\(:\mathrm{N} \equiv \mathrm{N}:\)).
- Чини око 78 % запремине ваздуха.
- Због јаке везе врло је инертан (слабо реактиван) на собној температури, па се користи као заштитна атмосфера за чување хране и музејских експоната.
- Течни азот: користи се као расхладни медијум у медицини (уклањање брадавица, чување биолошких узорака) и кулинарству.
Амонијак (\(\mathrm{NH}_3\)): Безбојан гас оштрог, карактеристичног мириса, мање густине од ваздуха.
• Индустријско добијање (Хабер–Бошов процес): \[ \mathrm{N}_2 + 3\mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2\mathrm{NH}_3 \] • Лабораторијско добијање: \[ 2\mathrm{NH}_4\mathrm{Cl} + \mathrm{Ca(OH)}_2 \rightarrow \mathrm{CaCl}_2 + 2\mathrm{NH}_3 + 2\mathrm{H}_2\mathrm{O} \] • Реакција са водом (базна својства раствора због \(\mathrm{OH}^-\) јона; лакмус боји у плаво): \[ \mathrm{NH}_3 + \mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{NH}_4^+ + \mathrm{OH}^- \]
• Индустријско добијање (Хабер–Бошов процес): \[ \mathrm{N}_2 + 3\mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2\mathrm{NH}_3 \] • Лабораторијско добијање: \[ 2\mathrm{NH}_4\mathrm{Cl} + \mathrm{Ca(OH)}_2 \rightarrow \mathrm{CaCl}_2 + 2\mathrm{NH}_3 + 2\mathrm{H}_2\mathrm{O} \] • Реакција са водом (базна својства раствора због \(\mathrm{OH}^-\) јона; лакмус боји у плаво): \[ \mathrm{NH}_3 + \mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{NH}_4^+ + \mathrm{OH}^- \]
Фосфор (\(\mathrm{P}\)): Због већег полупречника не гради троструке везе, већ постоји у облику две главне алотропске модификације:
- Бели фосфор (\(\mathrm{P}_4\)): тетраедарски молекули; изузетно реактиван, отрован, на ваздуху се спонтано пали, па се чува под водом.
- Црвени фосфор: ланчана полимерна структура \((\mathrm{P}_4)_n\); стабилнији, није отрован, користи се за производњу шибица.
Зашто се амонијак у лабораторији прикупља у епрувети окренутој отвором надоле, а не над водом?
1. Амонијак је гас мање густине од ваздуха, па испуњава епрувету одозго и истискује ваздух надоле.
2. Не може се сакупљати над водом јер се изузетно добро раствара у води.
2. Не може се сакупљати над водом јер се изузетно добро раствара у води.
Угљеник (\(\mathrm{C}\)) је неметал 14. групе чији атоми имају 4 валентна електрона. Јавља се у више алотропских модификација.
| Модификација | Структура и везе | Својства и примена |
|---|---|---|
| Дијамант | Сваки атом \(\mathrm{C}\) везан је просторно за 4 суседна атома у облику тетраедра; нема слободних електрона | Најтврђа природна супстанца, висока температура топљења (\(\approx 3500\ ^\circ\mathrm{C}\)), не проводи струју (изолатор). Користи се за израду накита и алата за сечење и бушење. |
| Графит | Слојевита структура од шесточланих прстенова; сваки \(\mathrm{C}\) везан за 3 суседна атома; четврти електрон је делокализован; слабе везе између слојева | Мек (слојеви клизе један преко другог – оставља траг на папиру), висока температура топљења, проводи електричну струју (једини неметал са овим својством). Користи се за електроде и оловке. |
| Фулерен (\(\mathrm{C}_{60}\)) | Сферни молекули од петочланих и шесточланих прстенова (облик фудбалске лопте) | Тамнољубичаста кристална супстанца, наночестице. Примена у нанотехнологији и медицини. |
| Графен и наноцеви | Графен је један једини слој графита; савијањем графена настају угљеничне наноцеви | Изузетна механичка чврстоћа и проводљивост; користе се као носачи лекова и у електроници. |
| Аморфни угљеник | Ситне, неправилно повезане микрочестице графитне структуре | Угаљ, чађ, активни угаљ (користи се као адсорбенс у гас-маскама и филтерима). |
Зашто графит проводи електричну струју, док је дијамант изолатор, иако су оба изграђена искључиво од атома угљеника?
У дијаманту су сва четири валентна електрона сваког атома угљеника ангажована у чврстим ковалентним везама, па нема слободних носилаца наелектрисања. У графиту је сваки атом \(\mathrm{C}\) везан за три суседна, док четврти валентни електрон остаје делокализован (покретан) и омогућава провођење електричне струје.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Колико валентних електрона имају халогени елементи, а колико елементи 15. групе Периодног система? Наведите по једног представника за сваку групу.
• Халогени елементи (17. група) имају 7 валентних електрона (нпр. хлор, \(\mathrm{Cl}\)).
• Елементи 15. групе имају 5 валентних електрона (нпр. азот, \(\mathrm{N}\) или фосфор, \(\mathrm{P}\)).
• Елементи 15. групе имају 5 валентних електрона (нпр. азот, \(\mathrm{N}\) или фосфор, \(\mathrm{P}\)).
Задатак 2 (средњи): Допуните следеће хемијске једначине или означите да се реакција не одвија:
а) \(\mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KCl} \rightarrow\)
б) \(\mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KI} \rightarrow\)
в) \(\mathrm{N}_2 + 3\mathrm{H}_2 \rightleftharpoons\)
а) \(\mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KCl} \rightarrow\)
б) \(\mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KI} \rightarrow\)
в) \(\mathrm{N}_2 + 3\mathrm{H}_2 \rightleftharpoons\)
а) \(\mathrm{Br}_2 + \mathrm{KCl} \rightarrow \text{не реагује}\) (бром је мање реактиван од хлора и не може га истиснути).
б) \(\mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KI} \rightarrow \mathrm{I}_2 + 2\mathrm{KBr}\) (бром је реактивнији од јода и истискује га).
в) \(\mathrm{N}_2 + 3\mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2\mathrm{NH}_3\) (синтеза амонијака – Хабер–Бошов процес).
б) \(\mathrm{Br}_2 + 2\mathrm{KI} \rightarrow \mathrm{I}_2 + 2\mathrm{KBr}\) (бром је реактивнији од јода и истискује га).
в) \(\mathrm{N}_2 + 3\mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2\mathrm{NH}_3\) (синтеза амонијака – Хабер–Бошов процес).
Задатак 3 (средњи): Како се влажна црвена лакмус хартија понаша у контакту са гасовитим хлороводоником (\(\mathrm{HCl}\)), а како у контакту са гасовитим амонијаком (\(\mathrm{NH}_3\))? Објасните зашто.
• Хлороводоник (\(\mathrm{HCl}\)): Растварањем у води са влажне хартије гради хлороводоничну киселину (кисела средина), па плава лакмус хартија постаје црвена (црвена остаје црвена).
• Амонијак (\(\mathrm{NH}_3\)): У реакцији са водом гради \(\mathrm{OH}^-\) јоне (базна средина), због чега црвена лакмус хартија мења боју у плаву.
• Амонијак (\(\mathrm{NH}_3\)): У реакцији са водом гради \(\mathrm{OH}^-\) јоне (базна средина), због чега црвена лакмус хартија мења боју у плаву.
Задатак 4 (тежак): Упоредите бели и црвени фосфор према: молекулској структури, хемијској реактивности, токсичности и начину чувања.
| Особина | Бели фосфор | Црвени фосфор |
|---|---|---|
| Структура | Тетраедарски молекули \(\mathrm{P}_4\) | Полимерни ланци \(\mathrm{P}_4\) тетраедара |
| Реактивност | Веома реактиван, спонтано се пали на ваздуху | Знатно мање реактиван, пали се трењем/загревањем |
| Токсичност | Јако отрован, изазива тешке опекотине | Није отрован |
| Чување | Искључиво под водом | На сувом у затвореним посудама |
