Prvky této skupiny mají velmi odlišné chemické a fyzikální vlastnosti, protože skupina je rozdělena na dvě části dělicí čárou mezi kovy, polokovy a nekovy. První prvek skupiny uhlík je nekov, následující dva křemík a germanium jsou polokovy a zbylé cín, olovo a flerovium jsou kovy.
Chemie uhlíku, především sloučeniny jejichž skelet tvoří řetězce C-C, je z velké částí předmětem studia organické chemie. U křemíku je ochota k řetězení nižší.
Název skupiny tetrely je odvozen z latinské předpony tetra(čtyři) a odkazuje na čtyři valenční elektrony, které všechny tyto prvky mají ve svých valenčních slupkách.
Název uhlíku (latinsky carbonium nebo carboneum) pochází z latinského slova carbo, což znamená dřevěné uhlí.
Křemík (latinsky silicium) pochází z latinského slova silex nebo silicis, což znamená pazourek.
Germanium pochází ze slova germania, což je latinský výraz pro Německo, kde bylo germanium objeveno.
Uhlík byl známý ve formě sazí a dřevěného uhlí již v nejranějších civilizacích. Ve formě dřevěného uhlí byl vyráběn již za římských časů stejným postupem jako dnes - zahříváním dřeva v kupoli pokryté hlínou bez přístupu vzduchu. Diamanty byly známy pravděpodobně již v roce 2500 př. n. l. v Číně. V roce 1722 René Antoine Ferchault de Réaumur demonstroval, že železo bylo přeměněno na ocel absorpcí nějaké látky, nyní známé jako uhlík. V roce 1772 Antoine Lavoisier ukázal, že diamanty jsou formou uhlíku. V roce 1786 francouzští vědci Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge a C. A. Vandermonde ve své publikaci navrhli název carbone (latinsky carbonum) pro prvek v grafitu. Antoine Lavoisier pak uvedl uhlík jako prvek ve své učebnici z roku 1789.
Křemík ve formě skalního křišťálu (bezbarvá odrůda křemene) byl znám již starým Egypťanům, kteří ho používali pro na korálky a malé vázy. Výroba skla obsahujícího oxid křemičitý byla prováděna Egypťany a Féničany již v roce 1500 př. n. l. Mnoho přirozeně se vyskytujících sloučenin nebo silikátových (křemičitých) minerálů bylo lidmi používáno v různých druzích malty pro stavbu obydlí již od starověku. Amorfní elementární křemík byl poprvé získán čistý v roce 1824 švédským chemikem Jönsem Jacobem Berzeliem. Krystalický elementární křemík byl získán až v roce 1854 jako produkt elektrolýzy.
Germanium je jedním ze tří prvků, jejichž existence byla předpovězena v roce 1869 ruským chemikem Dmitrijem Ivanovičem Mendělejevem. Již v roce 1885 objevil horník ve stříbrném dole vzorek nového minerálu, který byl předán Clemensi A. Winklerovi. Ten určil ze 75% stříbro, z 18% síry a ze 7% dosud neobjevený prvek. Po několika měsících prvek izoloval a určil, že se jedná o 32 prvek v periodické tabulce prvků - germanium.
Olovo je často zmiňováno v raných biblických záznamech. Sloučenina známá jako bílé olovo byla zřejmě připravena jako dekorativní předmět již v roce 200 př. n. l. Babyloňané používali kov jako desky, na které se zaznamenávaly nápisy. Římané používali olovo na vodní dýmky nebo mince. Jako kuchyňské náčiní způsobovalo otravu již v době Augusta Caesara.
První pokus o objev flerovia, tehdy označovaného jako prvek 114, byl proveden v roce 1969 ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů v Dubně, ale byl neúspěšný. V roce 1977 výzkumníci téhož ústavu bombardovali atomy plutonia 244 vápníkem 48, ale opět neúspěšně. Až v roce 1998 byla proveden úspěšná jaderná reakce za vzniku flerovia. V roce 2012 byl tento prvek nazván flerovium na počest svého objevitele ruského fyzika Georgije Nikolajeviče Fljorova.
Všechny prvky 14. skupiny mají čtyři elektrony ve valenční vrstvě. Elektronová konfigurace jejich valenční elektronové slupky je ns2 np2. Díky tomu preferují tvorbu sloučenin s oxidačním číslem II. a IV.
Prvky v této skupině mají velmi odlišné chemické a fyzikální vlastnosti. První prvek skupiny uhlík je nekov, následující dva křemík a germanium jsou polokovy, cín, olovo a flerovium jsou kovy.
Hustota grafitu (C) a křemíku je cca 2,3 kg/dm3, olovo má 11,34 kg/dm3.
Pro tyto prvky existuje široká škála Mohsovy stupnice tvrdosti, od maximální 10 pro diamant až po minimální 1,5 pro cín.
Cín má nejvyšší elektrickou vodivost 9,17 MS/m, zatímco křemík má nejnižší 25,2 MS/m.
1. ionizační energie klesá s rostoucím atomovým číslem z 11,26 eV pro uhlík na 7,34 eV pro cín. Olovo má opět mírně zvýšenou hodnotu 7,42 eV.
Elektronegativita má tendenci klesat s rostoucím atomovým číslem z 2,5 (C), 1,7 (Si) na 1,6 (Pb).
Další informace Element, Atomová hmotnost ...
Element
Atomová hmotnost
Bod
tání (K)
Bod
varu (K)
Hustota
(kg /m3)
Mohsova tvrdost
Elektrická vodivost
(S/m)
Elektronegativita
Uhlík
12,011
3823
5100
2250 až 3510
0,5 až 10,0
10−4... 10+6,5
2,5
Křemík
28,086
1683
2628
2330
6,5
2,52 · 10−4
1,7
Germanium
72,59
1211
3093
5323
1,45
2,0
Cín
118,71
505
2875
7310
1,5
9,17 · 106
1,96
Olovo
207,20
601
2022
11340
1,5
4,81 · 106
1,6
Zavřít
Základní reakce
Vzhledem k velkým rozdílům v rámci skupiny je obtížné specifikovat obecné chování těchto prvků při chemických reakcích. V následujících základních chemických rovnicích představuje E prvek ze skupiny uhlíku.
Nejdůležitější reakcí je tvorba příslušného oxidu uhličitého z uhlíku. Kromě čtyřmocných oxidů jsou známy také dvojmocné oxidy. Stabilita dvojmocných oxidů se zvyšuje s rostoucím atomovým číslem, zatímco stabilita čtyřmocných oxidů mírně klesá.
Reakce s vodíkem (bez tvorby řetězců, není spontánní):
E + 2 H2 → EH4
Reakce s vodou. Žádný ze skupinových prvků nereaguje s vodou.
Uhlík, křemík a germanium reagují pouze za vzniku tetrachloridů (uhlík vytváří tetrachlormethan). S cínem jsou možné chloridy SnCl4 a SnCl2. Olovo tvoří pouze dichlorid PbCl2.
Řetězení
Charakteristickým rysem prvků 14. skupiny je jejich schopnost tvořit vodíkové sloučeniny s dlouhým lineárním řetězcem se vzorcem:
XH3-(XH2)n-XH3
Kruhové formace jsou také možné a mají vzorec:
(XH2)n
Všechny atomy vodíku jsou v těchto sloučeninách kovalentně vázány. Jejich stabilita klesá s rostoucím atomovým číslem prvku. Sloučeniny s řetězci uhlíku a křemíku s vodíkem jsou důležité a mají své názvy, ostatní prvky skupiny tvoří nestabilní sloučeniny:
Uhlovodíky - skupina uhlovodíků je nejrozsáhlejší, protože neexistují téměř žádné limity pro počet vazeb uhlíku C-C, a tím i pro délku jejich řetězce. Další specifickou vlastností uhlíku je jeho schopnost vytvářet stabilní dvojné a trojné vazby. Uhlovodíky a jejich deriváty se zabývá organická chemie .
Silany - v případě křemíku je schopnost vytvářet řetězce omezena na maximálně 15 vazeb Si-Si. Dvojné nebo dokonce trojné vazby jsou nestabilní, a ani silany s jednoduchou vazbou nepatří mezi nejstabilnější sloučeniny.
Germanium je schopno vytvořit maximálně devět vazeb Ge-Ge. To samozřejmě výrazně omezuje možnosti sloučenin.
Cín je schopen pouze jedné vazby Sn-Sn. Proto existují pouze dvě sloučeniny této třídy SnH4 a SnH3-SnH3.
Olovo nemá schopnost vytvářet řetězce. Je známá pouze sloučenina PbH4, ale je nestabilní.
Zemská kůra se skládá z 27,7% prvků uhlíkové skupiny. Z toho 99,8% je křemík, druhý nejhojnější prvek v zemské kůře (po kyslíku).
Zbývajících 0,2% se dělí takto:
99,1% uhlíku
0,94% olovo
0,02% cín
0,01% germanium
Uhlík je nekov a vyskytuje se v organických i anorganických sloučeninách. Díky své unikátní vlastnosti řetězení se stal základním stavebním kamenem prakticky všech organických sloučenin a tím i všech živých organismů na této planetě. V současné době bylo popsáno přibližně 10 milionů organických sloučenin. V anorganické chemii mají jeho sloučeniny nezastupitelnou úlohu v energetice. Fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění. Ropa je nezbytná pro výrobu mnoha chemických látek a především pro spalovací motory automobilů.
Křemík je polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek, ale i jako základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů.
Cín patří mezi kovy, které jsou známy lidstvu již od pravěku především jako součást slitiny zvané bronz. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Nachází využití při výrobě slitin (bronz, pájky, ložiskový kov), v potravinářství při dlouhodobém uchovávání potravin (pocínování konzerv, cínové fólie) a při výrobě uměleckých předmětů.
Flerovium je radioaktivnítransuran s protonovým číslem 114. V přírodě se vůbec nevyskytuje, existuje pouze v urychlovačích částic pouze v množství několika částic.