Элементы IV – А группы. Углерод. Кремний.

Сравнительная характеристика свойств элементов.

 

В главную подгруппу четвертой группы периодической системы (подгруппу углерода) входят углерод, кремний, германий, олово и сви­нец. Это р-элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева. Их атомы на внешнем энергетическом уровне содержат по четыре электрона: ns²np², чем объясняется сходство их химических свойств.

В соединениях элементы подгруппы углерода проявляют степени окисления +4 и —4, а также +2, причем последняя с увеличением заряда ядра становится более характерной. Для углерода, кремния и германия наиболее типична степень окисления +4, для свинца +2. Степень окисления —4 в последовательности С — Pb становится все менее характерной.

 

₆С          1s² │2s² 2p²

₁₄Si             1s²2s² 2p⁶ │3s²3p²

₃₂Ge        1s²2s² 2p⁶3s² 3p⁶ │4s² 3d¹⁰4p²

₅₀Sn          1s²2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s² 3d¹⁰ 4p⁶ │5s² 4d¹⁰5p²

₈₂Pb               1s²2s² 2p⁶3s² 3p⁶4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰5p⁶  │6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰6p²

                                                                                                                        ^{валентные электроны}

Некоторые свойства элементов подгруппы углерода приведены в нижеследующей таблице:

 

Физические свойства.

 

	Плотность, г/см3	t°пл.С°	t°кип.С°	Наличие в земной коре, %
С	Алмаз 3,52 Графит 2,26	3750 при давлении 12 МПа	-	0,1 %
Si	2,33 крист.	1423	3300	27,60 %
Ge	5,36	937,2	2850	7 ∙ 10-4 %
Sn	Белое 7,29 Серое 5,85	231,8	2620	4 ∙ 10-3 %
Pb	11,34	327,4	1745	1,6 ∙ 10-3 %

 

Аллотропные модификации углерода - алмаз, графит и карбин - имеют резко различные физические свойства, что объясняется строением их кристаллических решеток. Алмаз - атомная решетка с прочной ковалентной связью, проявляет исключительную твердость, плотность 3,5г/см³, tº_пл. =3500°С, плохо проводит тепло и не проводит электрический ток. Графит - кристаллическое вещество, образующее тонкие чешуйки, хорошо проводит тепло и электрический ток, имеет металлический блеск. Карбин - мелкокристаллический порошок черного цвета, состоящий из линейных цепочек углеродных атомов:

-с ≡ с-с ≡ с-с ≡ ....

Карбин - полупроводник, по твердости значительно уступает алмазу, но превос­ходит графит. При tº 2800°С без доступа воздуха переходит в графит.

Кремний образует две аллотропные модификации - кристаллический и аморфный кремний. Кристаллический кремний - темно-серые хрупкие кристаллы, отличающиеся большой твердостью, плотность 2,328 г/см³, tº_пл = 1423°С, проводит электрический ток. Аморфный кремний - бурый порошок.

Германий по внешнему виду напоминает серебристый металл с относительно большой твердостью, плотность 5,36 г/см , tº_пл = 937,2°С.

Олово представляет собой тягучий серебристо-белый металл, плотность 7,31 г/см, tº_пл = 231,8°С. Олово известно в трех аллотропных модификациях - тетрагональное, ромби­ческое (очень хрупкое - его легко можно истолочь в порошок) и серое олово.

Свинец - синевато-серебристый металл, быстро тускнеющий на воздухе, очень мягок и режется ножом, плотность 11,34 г/см³, tº_пл =327,4°С.

Элементы подгруппы углерода образуют оксиды общей формулы: ЭO₂ и ЭO, а водородные соединения — формулы ЭH₄.

Гидраты высших оксидов углерода и кремния обладают кислотными свойствами, гидраты остальных элементов амфотерны, причем кислотные свойства сильнее, всего выражены у гидратов германия, а основные — у гидратов свинца. От углерода к свинцу уменьшается прочность водородных соединен» ЭH₄: CH₄ — прочное вещество, а РЬН₄ в свободном виде не выделено. В подгруппе с ростом порядкового номера уменьшается энергия ионизации атома и увеличивается атомный радиус, т.е. неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.

Для элементов четвертой группы главной подгруппы характерны ковалентный полярный и ковалентный неполярный типы химической связи. Олово и свинец могут образовывать металлическую связь, а при t >13°C свинец может образовывать ионную связь.

Увеличение радиуса атома и уменьшение энергии ионизации приводит к усилению металлических свойств в ряду простых веществ: углерод — свинец. Так, углерод — неметалл, кремний и германий — полупроводники, олово при t < 13°С (α-Sn — серое олово) — полупроводник с кристаллической решеткой типа алмаза, а олово при t > 13°С (β-Sn — белое олово) обладает металлическими свойствами, свинец — типичный металл.

Все эти элементы встречаются в природе в виде соединений с положительными степенями окисления. Углерод находится также в самородном состоянии (нулевая степень окисления) в виде алмаза, графита и карбина и соединений с отрицательными степенями окисления (нефть, природный газ).

 

Свойства углерода.

       → H₂ (Pt t° р)                                               CH₄ (C_xH_y)

       → S t °                                                      CS₂

       → М e t°                                                   карбиды

С → → Si t°                                                     SiC

       →O₂ t°                                                  CO , CO₂

       → H ₂ O t °                                                          H₂ + CO

         → оксиды ( Э ₂ O_n)t°                                                      Э + CO

С O₂      →      → H₂O                                   H₂ С O₃(частично)

                        → Mg t°                                      MgO + CO

                     → C t°                                  2CO

                     → 2NaOH                           Na₂CO₃ + H₂O

С O  → → O₂ , t°                          С O₂↑

                  → Cl_{2 ( свет ),} t°                                       СО Cl₂

                   → H₂ (Ni),  t°                            CH₄  + С O₂↑

                → H₂ (ZnO), t°                          CH₃OH

               → NaOH 200°C                     HCOONa

                 → CuO , t°                              Cu + CO₂

Карбиды.

 

Be₂C + 4H₂O = 2Be(OH)₂  + CH₄ ↑;

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃  + 3CH₄↑; поэтому, Al₄C₃  - метанид;

                                                                              МЕТАН

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂  + C₂H₂↑; поэтому, CaC₂   - ацетиленид.

                                                                     АЦЕТИЛЕН

Получение СO₂

          tº

С + О₂ = СO₂↑;

         tº

СaCO₃ → CaO + СO₂↑;

 

СaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ +  СO₂ ↑ + H₂O;

 

Получение СO

             tº

СO₂  + C = 2CO;

              tº

C + H₂O = CO + H₂ ;

              tº, H₂SO₄ конц.

HCOOH                   CO + H₂O ;

Особенность химии углерода — способность образовывать длинные устойчивые цепи атомов углерода — связана с тем, что у атома углерода число валентных электронов равно числу валентных орбиталей, максимальной и минимальной степени окисления и валентности.  E (C-C) = 350 кДж/моль.

Элемент кремний — аналог углерода; по сравнению с атомом углерода, валентные электроны кремния находятся на третьем энергетическом уровне. В связи с увеличением числа электронных орбиталей у кремния будет больший атомный радиус, что приводит к снижению прочности связей Si—Si. E(Si—Si) = 175 кДж/моль.

Атомы кремния, в отличие от атомов углерода, менее склонны образовывать кратные связи. Прочность связей кремния с кислородом, азотом и галогенами больше, чем у соответствующих связей углерода. Это объясняется тем, что у атома кремния имеются свободные 3d атомные орбитали, которые могут быть использованы для образования π-связи с неподеленной электронной парой атомов кислорода, азота и галогенов.

 

Качественная реакция на СОз^2─:

СОз^2─ + Са²⁺ = СаСОз↓;

(СаСОз – осадок белого цвета, растворимый в СНзСООН).

Гидрокарбонаты + tº до 200°С = карбонаты + СО₂ + Н₂О:

               tº

Са(НСОз)₂ = СаСОз + СО₂ ↑ + Н₂О;

Карбонаты + tº > 1000°С = оксиды металлов + СО₂ ;

        tº

СаСОз = СaО + СО₂ ↑;

Задания для самопроверки.

 

1. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить сле­дующие превращения:

а) С → СН₄ → СО₂ → NaHCO₃ → Na₂CO₃ →СО₂

б) СаСО₃ → СО₂ → СО → HCOONa → HCOOH →CO

в) Be → Ве₂С → СН₄ → СО₂ → СаСО₃ → Са(НСО₃)₂

г) Ва(НСО₃)₂ → ВаСО₃ → СО₂ → СО → СН₃ОН → СО₂

 

2. Над раскаленным углем пропустили 0,72 г паров воды. Какую массу меди можно получить при действии полученной при этом газовой смеси на оксид меди (II) при нагревании? Считайте, что оба процесса протекают количественно.

3. Смесь ацетилена с воздухом объемом 10 л взорвали, полученную газовую смесь пропустили через раствор гидроксида бария и получили 3,94 г карбона­та и 12,95 г гидрокарбоната бария. Определите объемную долю ацетилена в ис­ходной газовой смеси.

4. Оксид углерода (IV) объемом 784 мл пропущен над раскаленным углем массой 5 г. Продукты реакции использовали для реакции с 44,6 г оксида свинца (II) при нагревании. Какой объем 30%-ного раствора азотной кислоты (пл.1,184) пойдет на растворение продуктов последней реакции?

 

Свойства кремния.

        → H ₂                                                              не идет

        → S t °                                                      SiS₂

        → М e t°                                                    Me₂Si

Si + → C t°                                                     SiC

        →O₂ tº600°С                                             SiO₂

        → KOH                                                          K₂SiO₃ + H₂

        → N₂ t°                                                                              Si₃N₄

        → F₂                                                                                   SiF₄

SiO₂   →      → HF                                     SiF₄↑ + H₂O

                        → Mg t°                                         MgO + Si или MgO + Mg₂Si

                     → Na₂ С O₃ t° _сплав                        Na₂SiO₃ + CO₂↑

                     → NaOH t° _сплав                              Na₂SiO₃ + H₂O↑

Получение Si

                tº

SiO₂  + 2C = 2CO + Si;

                tº

SiO₂  + Mg = 2MgO + Si;

Задания для самопроверки.

 

1. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить сле­дующие превращения:

 

а) Si →SiO₂ →Na₂SiO₃ →H₂SiO₃ →SiO₂ →Si

б) SiO₂ → Si →SiO₂ →K₂SiO₃ →SiO₂ →SiF₄

в) SiO₂ →Mg₂Si→SiH₄ →SiO₂ →Na₂SiO₃ →H₂SiO₃

г) Na₂SiO₃ →SiO₂ →Si →K₂SiO₃ →SiO₂

 

2. Раствор силиката натрия массой 400 г обработали избытком раствора азотной кислоты. Выпавший осадок отделили и прокалили при 900°С. Сухой остаток имел массу 24 г. Определите массовую долю силиката натрия в исходном растворе.

3. Смесь, содержащую 1,8 г оксида кремния и 1,44 г магния, нагрели в электропечи. Какой объем 20%-ного раствора соляной кислоты (пл.1,1) пойдет на растворение продуктов реакции?

4. Смесь магния и кремния массой 1 г была обработана горячим раствором гидроксида калия. При этом было собрано 0,56 л (н.у.) газа. Определите массовую долю магния в исходной смеси. Какой объем 40%-ного раствора едкого калия (пл, 1,411) был израсходован?

5. Смесь кальция с кремнием нагрели без доступа воздуха. Полученную смесь веществ обработали избытком соляной кислоты и получили 1,008 л (н.у.) газовой смеси с плотностью по водороду, равной 14,33. Определите массовые доли веществ в исходной смеси.

 

ТЕМА 5.

---

Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 1048; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!