Четырнадцатая
группа Периодической системы Д.И.Менделеева- углерод, крений, элементы подгруппы германия – германий, олово,
свинец.
Общая характеристика.
C, Si, Ge, Sn, Pb.
nS2 n P2
– электронная конфигурация.
Появляются d-
подуровни, не увеличивающие степень окисления.
Металлические
свойства в пределах группы увеличиваются:
С –
неметалл,
Si – Ge – полупроводники,
Sn, Pb – металлы.
По распространенности в земной коре элементы IVА группы очень различаются.
Основу литосферы составляет оксид кремния (SiO2*
nH2O)
Свинец
постепенно накапливается в литосфере, так как является конечным продуктом
распада радиоактивных элементов.
Природные источники углерода – карбонаты:
CaCO3
(мрамор, известняк),
MgCO3×CaCO3
(доломит),
(CuOH)2CO3
– лазурит, малахит.
В
свободном виде: алмаз, графит.
mAl2O3nSiO2
– алюмосиликаты.
Каолин – глина, содержит кремнезем.
Германий не имеет собственных месторождений.
Sn (олово) – в виде минерала касситерита
, SnO2 – оловянная руда.
Pb (свинец) – в минералах, PbS – галенит (свинцовый блеск).
Простые
вещества, получение и свойства.
В природе углерод существует в виде нескольких
модификаций:
Алмаз – sp3
– гибридизация (кубическая решетка)
Графит – sp2
– гибридизация (состоит из слоев).
Сажа –
измельченный графит – используется в промышленности.
CnH2n+2 + 2O2
= nC + (n+1)H2O
Углерод –
инертное вещество, не реагирует с O2, H2, Hal2 при стандартных
условиях
При нагревании реагирует:
C + O2 = CO2;
C + 2F2 = CF4;
C + 2S = CS2
С металлами при высоких температурах углерод образует
карбиды (CaC2, Al4C3). Карбиды d-элементов – соединения нестехиометрического состава.
Кремний
– существует в виде одной модификации. В sp3
– гибридном состоянии, тетраэдрического строения, важный полупроводник,
инертное вещество (характерная степень окисления: +4.).
При стандартных
условиях реагирует со фтором:
Si + 2F2 = SiF4 Si + O2
= SiO2
Аморфный кремний реагирует с водой: Si + 2H2O = SiO2
+ 2H2
Не реагирует с кислотами, а в щелочах растворяется.
Si + NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2
1 |Si + 6OH-
– 4e ® SiO3 + 3H2O
2 |2H2O + 2e ® H2 + 2OH-
-------------------------------------------
Si + 6OH + 4H2O = SiO3
+ 3H2O + 2H2 + 4OH
В свободном состоянии оксид кремния восстанавливается
углем.
в промышленности: SiO2
+ C = Si + CO2
в лабораторных условиях: SiO2
+ 2Mg = Si + 2MgO.
Германий:
Получается из отходов химических производств:
GeO2 + 2H2
= Ge + 2H2O
Используется в полупроводниковой промышленности. По свойствам похож на кремний, но более инертный. Реагирует
со щелочами в присутствии окислителей.
Ge + 2NaOH + 2H2O2
= Na2[Ge(OH)6]
Ge + H2SO4(конц.) = Ge(SO4)2
+ SO2 + H2O
Характерные степени окисления: +2, +4.
Олово:
Типичный, легкоплавкий металл. Существует в виде двух
модификаций: a-олово (серое), b-олово (белое),
-30¸50° - “оловянная чума”.
Оно получается восстановлением оксидов олова:
SnO2 + C = Sn + CO2
Малоактивный, амфотерный
металл в степени окисления +2 и +4, медленно
растворяется в разбавленных кислотах:
Sn + HCl ® SnCl2 + H2
Sn + H2SO4(конц.) =SnO2×nH2O + SO2
+ H2O
При нагревании растворяется в щелочах:
Sn + KOH + H2O = K2[Sn(OH)4] + H2
В присутствии окислителей окисляется до 4-х валентного:
Sn + KOH + H2O2 = K2[Sn(OH)6]
Свинец:
Типичный металл, со слабым амфотерным
проявлением. Характерная степень окисления: +2, Pb: + 4 – сильный окислитель (неустойчивый). Соли плохо
растворяются в воде: PbCl2¯,
PbSO4¯.
Углерод, кремний неметаллы,
германий, олово – типичные амфотерные металлы, свинец
- уже металл. Этот переход заметен в реакциях с кислотой:
C + HNO3(конц.) ® CO2 + NO2
+ H2O
Si + HNO3(конц.) ® SiO2×nH2O + NO2 + H2O
Ge + HNO3(конц.) ® GeO2×nH2O + NO2
+ H2O
Sn + HNO3(конц.) = SnO2×nH2O + NO2
+ H2O
Sn + HNO3(разб.) = Sn(NO3)2 +
N2O + H2O
Pb + HNO3(разб.) = Pb(NO3)2
+ NO + H2O
Происходит увеличение металлических свойств.
Соединения.
с водородом: CH4, SiH4,
GeH4, SnH4,
PbH4 – устойчивость соединений уменьшается
слева направо
SiH4 + H2O
= H2SiO3 + H2
Силан самовоспламеняется:
SiH4
+ O2
= SiO2 + H2O
Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2
+ SiH4
Оксиды.
CO, CO2 – кислотные оксиды
C + O2 = 2CO (угарный газ)
– ангидрид муравьиной кислоты.
CO2 + H2O
« H2CO3
H2CO3
« H+ + HCO3-
HCO3-
« H+ + CO32-
CaCO3 + HCl = CaCl2 + H2O
+ CO2
SiO2
– очень устойчивое соединение, кислотный оксид, растворимый в щелочи:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
GeO2,
SnO2, PbO2
– амфотерные оксиды, слева направо увеличиваются металлические
свойства.
Гидроксиды:
C+2: HCOOH
C+4: H2CO3, соли - карбонаты
Si+4: H2SiO3¯(SiO2×nH2O)
Na2SiO3
+ HCl = NaCl + SiO2×nH2O¯
SiO2 – мелкодисперсный порошок – силикагель.
Na2SiO3
+ CO2 + H2O = Na2CO3 + SiO2×nH2O
Na2CO3
+ SiO2 = Na2SiO3
+ CO2
растворимое стекло (конторский клей)
Соли кремниевой кислоты – силикаты.В воде сильно гидролизованы
Na2SiO3
+ H2O = NaHSiO3 + NaOH
Ge+4: H2GeO3
(GeO2×nH2O) – свойства похожи на свойства кремниевой кислоты.
Na2GeO3
– германат натрия
Sn: SnO2×nH2O – нерастворим в воде, существует в виде двух модификаций:
a и b - оловянная кислота.
SnCl4 + NH4OH
® SnO2×nH2O + NH4Cl
a - форма (более активна).
SnO2×nH2O+H2SO4 = Sn(SO4)2 + H2O
SnO2×nH2O + NaOH = Na2[Sn(OH)6]
a - форма переходит в b -
форму, происходит ”старение” .
aSnO2×nH2O ® bSnO2×nH2O (в b - меньше воды).
b - форма: Sn / O \ Sn / O \ Sn – устойчив к воздействию кислот и щелочей.
Sn + HNO3(конц.) ® b-SnO2×nH2O + NO2
+ H2O
Pb: PbO2×nH2O - эта форма не получена.
PbO2
+ NaOH ® Na2[Pb(OH)6] – гексагидроксоплюмбат.
Увеличение основных свойств наблюдается сверху вниз в
группе.
