Tetrely (tetragény) sú prvky 14. skupiny periodickej tabuľky (staršie označenie IV.A): uhlík, kremík, germánium, cín, olovo a umelo pripravené fleróvium. Názov pochádza z gréckeho tetra – štyri, podľa počtu valenčných elektrónov. Ide o veľmi pestrú skupinu, ktorá sa začína typickým nekovom a končí ťažkými kovmi – uhlík, cín a olovo pritom poznali a využívali ľudia už v staroveku.
Valenčnú vrstvu majú v konfigurácii ns² np², preto sa nazývajú aj p²-prvky. V zlúčeninách s elektronegatívnejšími prvkami majú najčastejšie oxidačné číslo IV alebo II. V zlúčeninách s menej elektronegatívnymi prvkami môžu mať uhlík a kremík aj záporné oxidačné čísla, najnižšie −IV – uhlík napríklad v metáne CH₄ (v etáne C₂H₆ má už −III) a kremík v silicide horečnatom Mg₂Si.
| Prvok | Charakter | Vzhľad | Bežné oxidačné čísla | Typická zlúčenina |
|---|---|---|---|---|
| uhlík | nekov | diamant bezfarebný, grafit čierny | IV, II, −IV | CO₂ – oxid uhličitý |
| kremík | polokov, polovodič | tmavosivý s kovovým leskom | IV | SiO₂ – oxid kremičitý |
| germánium | polokov, polovodič | sivobiele s kovovým leskom | IV, II | GeO₂ – oxid germaničitý |
| cín | kov | striebrolesklý, mäkký | II, IV | SnCl₂ – chlorid cínatý |
| olovo | kov | modrosivé, veľmi mäkké | II, IV | PbO – oxid olovnatý |
| fleróvium | umelo pripravený prvok | neznámy | – | – |
Trendy fyzikálnych a chemických vlastností link
Smerom nadol v skupine pribúdajú elektrónové vrstvy a zväčšujú sa atómové polomery, v dôsledku čoho sa vlastnosti tetrelov plynule menia:
- kovový charakter rastie – uhlík je typický nekov, kremík a germánium sú polokovy a polovodiče, cín a olovo sú kovy
- stálosť oxidačného čísla II rastie a stálosť čísla IV klesá – uhlík a kremík majú v zlúčeninách takmer vždy IV, kým pri olove sú už oveľa stálejšie zlúčeniny s oxidačným číslom II; zlúčeniny cínaté sa preto ľahko oxidujú na ciničité (sú to redukovadlá) a naopak, zlúčeniny olovičité, ako je oxid olovičitý, sa ľahko redukujú na olovnaté (sú to silné oxidovadlá)
- reťazenie (spájanie rovnakých atómov do reťazcov) slabne, pretože so zväčšujúcim sa atómom klesá pevnosť väzby medzi rovnakými atómami – uhlík tvorí dlhé reťazce aj násobné väzby, na čom stojí celá organická chémia; kremík tvorí len krátke reťazce, zato sa veľmi pevne viaže s kyslíkom, preto ho v prírode nájdeme v kremeni a kremičitanoch
- teplota topenia klesá – uhlík a kremík tvoria pevné kovalentné priestorové siete atómov, ktoré sa topia alebo sublimujú až pri veľmi vysokej teplote, kým kovy cín (232 °C) a olovo (327 °C) sa topia ľahko. Preto sa z nich vyrábajú spájky – zliatiny, ktoré sa pri spájaní kovových súčiastok roztavia skôr ako samotné súčiastky.
To, že ťažšie tetrely uprednostňujú oxidačné číslo II pred očakávaným číslom IV, sa v odbornej literatúre nazýva efekt inertného elektrónového páru. Dvojica elektrónov ns² je pri ťažkých atómoch viazaná k jadru pevnejšie a do tvorby väzieb sa zapája čoraz ťažšie, preto olovo tvorí najmä zlúčeniny olovnaté. Rovnaký jav poznáme pri táliu v 13. skupine a pri bizmute v 15. skupine.
Zlúčeniny tetrelov link
Hoci jednotlivé prvky 14. skupiny tvoria veľmi rozmanité látky, ich spoločné črty a postupné zmeny vlastností najlepšie vidieť na troch základných skupinách zlúčenín:
- hydridy – zlúčeniny s vodíkom, pri ktorých smerom nadol klesá stálosť od metánu až po veľmi nestály plumbán
- oxidy – ukazujú rozdiel medzi plynným oxidom uhličitým a tuhým oxidom kremičitým, ako aj postupný prechod od kyslých oxidov k amfotérnym
- halogenidy – porovnávajú kovalentné tetrahalogenidy a iónovejšie dihalogenidy aj ich odlišné správanie vo vode
Ostatné špecifické zlúčeniny, napríklad uhličitany, kremičitany, karbidy či silikóny, opisujú články o jednotlivých prvkoch.
Hydridy link
Všetky tetrely tvoria s vodíkom kovalentné hydridy so všeobecným vzorcom EH₄: metán CH₄, silán SiH₄, germán GeH₄, stanán SnH₄ a plumbán PbH₄. Za bežných podmienok sú to bezfarebné plyny zložené z nepolárnych molekúl tetraedrického tvaru.
Keďže smerom nadol v skupine sa väzba medzi atómom tetrelu a vodíkom oslabuje, ich tepelná stálosť výrazne klesá. Kým metán je veľmi stála látka, silán sa už na vzduchu sám zapáli a plumbán sa rozkladá takmer hneď po vzniku. Na hydridoch sa zároveň výborne prejavuje spomínaný pokles schopnosti reťazenia: uhlík tvorí s vodíkom nespočetné množstvo uhľovodíkov s prakticky neobmedzenou dĺžkou reťazca, kremík a germánium tvoria len kratšie reťazce (silány a germány so vzorcom EₙH₂ₙ₊₂) a olovo tvorí už len samotný plumbán PbH₄.
Oxidy link
Všetky tetrely tvoria oxidy so vzorcom EO₂, a keďže smerom nadol rastie stabilita oxidačného čísla II, ťažšie prvky (spolu s uhlíkom) tvoria aj oxidy so vzorcom EO. Hoci majú oxid uhličitý a oxid kremičitý rovnaký typ stechiometrického vzorca, pre rozdielnu veľkosť atómov uhlíka a kremíka majú úplne odlišnú štruktúru aj vlastnosti:
- oxid uhličitý CO₂ – plyn zložený z malých samostatných molekúl O=C=O, medzi ktorými pôsobia len slabé medzimolekulové sily (ľahko tvorí násobné väzby)
- oxid kremičitý SiO₂ – tvrdá tuhá látka s vysokou teplotou topenia (kremeň, piesok), v ktorej je každý atóm kremíka viazaný jednoduchými väzbami na štyri atómy kyslíka a každý atóm kyslíka spája dva atómy kremíka do pevnej priestorovej siete
S rastúcim kovovým charakterom prvkov smerom nadol v skupine postupne slabne kyslý charakter ich oxidov. Kým CO₂ a SiO₂ sú kyslé oxidy, GeO₂, SnO₂ a PbO₂ sú už amfotérne (reagujú s kyselinami aj so zásadami). Podobne je to aj pri oxidoch s oxidačným číslom II: nekovový oxid uhoľnatý CO je neutrálny (nereaguje s vodou, kyselinami ani hydroxidmi), kým kovové oxidy – oxid cínatý SnO a oxid olovnatý PbO – sú amfotérne.
Halogenidy link
Podobne ako pri oxidoch, aj pri zlúčeninách s halogénmi sa stretávame s dvoma radmi zlúčenín: všetky tetrely tvoria tetrahalogenidy EX₄ a ťažšie prvky aj dihalogenidy EX₂.
Tetrahalogenidy EX₄ sú kovalentné molekulové látky (často prchavé kvapaliny), vo vode sa však správajú veľmi odlišne. Chlorid uhličitý CCl₄ (tetrachlórmetán) s vodou vôbec nereaguje, pretože malý atóm uhlíka je obklopený štyrmi atómami chlóru a molekula vody sa k nemu nedostane. Naopak, väčší atóm kremíka v chloride kremičitom SiCl₄ je pre vodu prístupný, vďaka čomu ľahko podlieha hydrolýze – s vodou prudko reaguje za vzniku oxidu kremičitého a chlorovodíka:
\( \ce{SiCl4 + 2 H2O -> SiO2 + 4 HCl} \)
Smerom k ťažším prvkom stálosť tetrahalogenidov klesá (napríklad chlorid olovičitý PbCl₄ je nestály a pri zahriatí sa rozkladá na PbCl₂ a chlór). Pri olove sú preto oveľa stálejšie dihalogenidy EX₂. Keďže cín a olovo sú kovy, v ich dihalogenidoch – ako sú chlorid cínatý SnCl₂ a chlorid olovnatý PbCl₂ – už prevláda iónový charakter a za bežných podmienok sú to tuhé kryštalické soli. Aj tie sa však od seba líšia rozpustnosťou: kým SnCl₂ sa vo vode rozpúšťa dobre, PbCl₂ patrí medzi známe výnimky medzi chloridmi a v studenej vode sa rozpúšťa len málo.
