Carbon și siliciu. Elemente ale grupului IVA. Caracteristicile generale ale grupului IVA din sistemul periodic Dintre elementele grupului iva, cel mai electronegativ este

Grupul IVA conține cele mai importante elemente, fără de care nu am exista nici noi, nici Pământul pe care trăim. Acesta este carbonul - baza oricărei vieți organice, iar siliciul - „monarhul” regnului mineral.

Dacă carbonul și siliciul sunt nemetale tipice, iar staniul și plumbul sunt metale, atunci germaniul ocupă o poziție intermediară. Unele manuale îl clasifică drept nemetal, în timp ce altele îl clasifică drept metal. Are o culoare alb-argintiu și arată ca un metal, dar are o rețea cristalină asemănătoare unui diamant și este un semiconductor, ca siliciul.

De la carbon la plumb (cu proprietăți nemetalice în scădere):

w stabilitatea stării negative de oxidare scade (-4)

w stabilitatea celei mai mari stări pozitive de oxidare scade (+4)

w crește stabilitatea unei stări de oxidare pozitivă scăzută (+2)

Carbonul este principalul constituent al tuturor organismelor. În natură, există atât substanțe simple formate din carbon (diamant, grafit), cât și compuși (dioxid de carbon, diferiți carbonați, metan și alte hidrocarburi în compoziția gazelor naturale și a petrolului). Fracția de masă a carbonului din cărbune ajunge la 97%.
Atomul de carbon în starea fundamentală poate forma două legături covalente prin mecanismul de schimb, dar astfel de compuși nu se formează în condiții normale. Un atom de carbon, care intră într-o stare excitată, folosește toți cei patru electroni de valență.
Carbonul formează destul de multe modificări alotropice (vezi Fig. 16.2). Acestea sunt diamante, grafit, carabine, diverse fulerene.

În substanțele anorganice, starea de oxidare a carbonului este + II și + IV. Există doi oxizi cu aceste stări de oxidare a carbonului.
Monoxidul de carbon (II) este un gaz toxic incolor, inodor. Numele banal este monoxid de carbon. Se formează în timpul arderii incomplete a combustibilului care conține carbon. Structura electronică vezi moleculele sale la pagina 121. Din punct de vedere al proprietăților chimice, CO este un oxid care nu formează sare, când este încălzit, prezintă proprietăți reducătoare (reduce mulți oxizi ai metalelor nu foarte active la metal).
Monoxidul de carbon (IV) este un gaz incolor, inodor. Numele banal este dioxid de carbon. Oxid acid. Este ușor solubil în apă (fizic), reacționează parțial cu acesta, formând acid carbonic H2CO3 (moleculele acestei substanțe există doar în soluții apoase foarte diluate).
Acidul carbonic este un acid dibazic foarte slab care formează două serii de săruri (carbonați și bicarbonați). Majoritatea carbonaților sunt insolubili în apă. Dintre bicarbonați, doar bicarbonații există ca substanțe individuale. Metale alcalineși amoniu. Atât ionul carbonat, cât și ionul bicarbonat sunt particule de bază; prin urmare, atât carbonații cât și bicarbonații din soluții apoase sunt supuși hidrolizei anionice.
Din carbonați cea mai mare valoare au carbonat de sodiu Na2CO3 (sodă, sodă, bicarbonat de sodiu), bicarbonat de sodiu NaHCO3 (bicarbonat de sodiu, bicarbonat de sodiu), carbonat de potasiu K2CO3 (potasiu) și carbonat de calciu CaCO3 (cretă, marmură, calcar).
Reacție calitativă pentru prezenta in amestec de gaze dioxid de carbon: formarea unui precipitat de carbonat de calciu atunci când gazul de testat este trecut prin apă de var (soluție saturată de hidroxid de calciu) și dizolvarea ulterioară a precipitatului la trecerea ulterioară a gazului. Reacții care au loc:

Ca2 + 2OH + CO2 = CaCO3 + H2O;
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2 + 2HCO3 .

În farmacologie și medicină, diverși compuși de carbon sunt utilizați pe scară largă - derivați ai acidului carbonic și acizi carboxilici, diverși heterocicli, polimeri și alți compuși. Așadar, carbolina (cărbunele activat) este folosită pentru a absorbi și elimina diferite toxine din organism; grafit (sub formă de unguente) - pentru tratamentul bolilor de piele; izotopi radioactivi ai carbonului – pt cercetare științifică(analiza radiocarbonului).

Carbonul este baza tuturor substanțelor organice. Fiecare organism viu este alcătuit în mare parte din carbon. Carbonul este baza vieții. Sursa de carbon pentru organismele vii este de obicei CO 2 din atmosferă sau apă. Ca rezultat al fotosintezei, intră în lanțurile trofice biologice în care viețuitoarele se mănâncă unele pe altele sau rămășițele altora și, prin urmare, extrag carbon pentru a-și construi propriul corp. Ciclul biologic al carbonului se termină fie cu oxidarea și revenirea în atmosferă, fie cu eliminarea sub formă de cărbune sau petrol.

Reacții analitice carbonat - ion CO 3 2-

Carbonații sunt săruri ale unui acid carbonic instabil, foarte slab H 2 CO 3, care în stare liberă în soluții apoase este instabil și se descompune cu eliberarea de CO 2: H 2 CO 3 - CO 2 + H 2 O

Carbonații de amoniu, sodiu, rubidiu, cesiu sunt solubili în apă. Carbonatul de litiu este ușor solubil în apă. Alți carbonați metalici sunt ușor solubili în apă. Hidrocarburile se dizolvă în apă. Carbonat - ionii din soluții apoase sunt incolori, suferă hidroliză. Soluțiile apoase de bicarbonați de metale alcaline nu se patează atunci când li se adaugă o picătură de soluție de fenolftaleină, ceea ce face posibilă distingerea soluțiilor de carbonat de soluțiile de bicarbonat (testul farmacopeei).

1. Reacția cu clorură de bariu.

Ba 2+ + COz 2 - -> BaCO 3 (cristalin fin alb)

Precipitate similare de carbonați dau cationi de calciu (CaCO3) și stronțiu (SrCO3). Precipitatul este solubil în acizi minerali și în acid acetic. Într-o soluţie de H2S04 se formează un precipitat alb BaS04.

O soluție de HC1 se adaugă încet în picătură la precipitat până când precipitatul este complet dizolvat: BaCO3 + 2 HC1 -> BaC1 2 + CO 2 + H 2 O

2. Reacția cu sulfat de magneziu (farmacopee).

Mg 2+ + CO3 2 - -> MgCO 3 (alb)

Bicarbonat - ion HCO 3 - formează un precipitat de MgCO 3 cu sulfat de magneziu numai la fierbere: Mg 2+ + 2 HCO3- -> MgCO 3 + CO 2 + H 2 O

Precipitatul de MgCO3 se dizolvă în acizi.

3. Reacția cu acizii minerali (farmacopee).

CO 3 2- + 2 H 3 O \u003d H 2 CO 3 + 2H 2 O

HCO3- + H3O+ = H2C03 + 2H2O

H2C03 -- CO2 + H2O

CO 2 gazos degajat este detectat prin turbiditatea apei baritonale sau de var într-un dispozitiv de detectare a gazelor, bulelor de gaz (CO 2), într-o eprubetă - receptor - turbiditatea soluției.

4. Reacția cu hexacianoferat de uranil (II).

2CO 3 2 - + (UO 2) 2 (maro) -> 2 UO 2 CO 3 (incolor) + 4 -

O soluție maro de hexacianoferat de uranil (II) se obține prin amestecarea unei soluții de acetat de uranil (CH 3 COO) 2 UO 2 cu o soluție de hexacianoferrat de potasiu (II):

2(CH 3 COO) 2 GO 2 + K 4 -> (UO 2) 2 + 4 CH 3 COOK

La soluţia rezultată se adaugă prin picurare o soluţie de Na2CO3 sau K2CO3 cu agitare până când culoarea maro dispare.

5. Descoperirea separată a ionilor carbonat - și bicarbonat - prin reacții cu cationi de calciu și amoniac.

Dacă soluția conține simultan ioni de carbonat și ioni de bicarbonat, atunci fiecare dintre ei poate fi deschis separat.

Pentru a face acest lucru, mai întâi se adaugă un exces de soluție de CaCl2 la soluția analizată. În acest caz, CO3 2 - este precipitat sub formă de CaCO 3:

COz 2 - + Ca 2+ \u003d CaCO 3

Bicarbonat - ionii rămân în soluție, deoarece Ca (HCO 3) 2 soluții în apă. Precipitatul este separat de soluție și la aceasta din urmă se adaugă soluție de amoniac. HCO 2 - -anionii cu amoniac și cationi de calciu precipită din nou CaCO 3: HCO s - + Ca 2+ + NH 3 -> CaCO3 + NH 4 +

6. Alte reactii ale carbonatului - ion.

Carbonat - ionii la reacție cu clorură de fier (III) FeCl 3 formează un precipitat maro Fe (OH) CO 3, cu azotat de argint - un precipitat alb de carbonat de argint Ag 2 CO3, solubil în HbTO3 și se descompune la fierbere în apă până la o culoare închisă. precipitat Ag 2 O ISO 2: Ag 2 CO 3 -> Ag 2 O + CO 2

Reacții analitice ale acetat - ion CH 3 COO "

Acetat - ion CH 3 COO- - anion al unui acid acetic monobazic slab CH 3 COOH: incolor în soluții apoase, suferă hidroliză, nu are proprietăți redox; un ligand destul de eficient și formează complexe de acetat stabili cu mulți cationi metalici. Când reacţionează cu alcooli mediu acid dă esteri.

Amoniul, alcalii și majoritatea celorlalți acetați de metal sunt foarte solubili în apă. Acetații de argint CH 3 COOAg și mercurul (I) sunt mai puțin solubili în apă decât acetații altor metale.

1. Reacție cu clorură de fier (III) (farmacopee).

La pH = 5-8, ionul acetat cu cationi Fe (III) formează un acetat solubil roșu închis (culoare puternică a ceaiului) sau hidroxiacetat de fier (III).

În soluție apoasă, este parțial hidrolizat; acidificarea soluției cu acizi minerali inhibă hidroliza și duce la dispariția culorii roșii a soluției.

3 CH3COOH + Fe --> (CH3COO) 3 Fe + 3 H +

La fierbere, din soluție precipită un precipitat roșu-brun de acetat de fier bazic (III):

(CH3COO)3Fe + 2H2O<- Fe(OH) 2 CH 3 COO + 2 СН 3 СООН

În funcție de raportul dintre concentrațiile ionilor de fier (III) și acetat, compoziția precipitatului se poate modifica și corespunde, de exemplu, cu formulele: Fe OH (CH 3 COO) 2, Fe 3 (OH) 2 O 3 (CH3COO), Fe3O (OH) (CH3COO) 6 sau Fe3 (OH)2 (CH3COO) 7.

Reacția este interferată de anionii CO 3 2 -, SO 3 "-, PO 4 3 -, 4, care formează precipitate cu fier (III), precum și anionii SCN- (dând complexe roșii cu cationi Fe 3+), iodură - ion G, oxidând la iod 1 2, dând soluției o culoare galbenă.

2. Reacția cu acidul sulfuric.

Acetat - un ion într-un mediu puternic acid se transformă în acid acetic slab, ai cărui vapori au un miros caracteristic de oțet:

CH3COO- + H+<- СН 3 СООН

Reacția este împiedicată de anioni NO 2 \ S 2 -, SO 3 2 -, S 2 O 3 2 -, care emit și produse gazoase cu miros caracteristic într-un mediu concentrat de H 2 SO4.

3. Reacția de formare a eterului etilic acetic (farmacopee).

Reacția se efectuează într-un mediu cu acid sulfuric. Cu etanol:

CH 3 COO- + H + -- CH 3 COOH CH 3 COOH + C 2 H 5 OH \u003d CH 3 COOS 2 H 4 + H 2 O

Acetatul de etil eliberat este detectat printr-un miros plăcut caracteristic. Sărurile de argint catalizează această reacție, de aceea se recomandă adăugarea unei cantități mici de AgNO 3 în timpul reacției.

În mod similar, la reacția cu alcoolul amilic C 5 HcOH se formează și un acetat de amil cu miros plăcut CH 3 COOS 5 Ni (-pere-) Se simte un miros caracteristic de acetat de etil care crește odată cu încălzirea atentă a amestecului.

Reacții analitice tartrat - ion ROS - CH(OH) - CH(OH) - COMP. Ion tartrat - anion al unui acid tartric dibazic slab:

HO-CH-COOH

HO-CH-COOH

Tartrat - un ion este foarte solubil în apă. În soluțiile apoase, ionii de tartrat sunt incolori, sunt supuși hidrolizei și sunt predispuși la formarea de complexe, dând complecși de tartrat stabili cu cationi ai multor metale. Acidul tartric formează două rânduri de săruri - tartrați medii care conțin un tartrat cu încărcare dublă - COCH (OH) CH (OH) COO - ion și tartrați acizi - hidrotartrați care conțin un hidrotartrat cu încărcare simplă - HOOOCH (OH) CH (OH) COO - ion. Hidrotartrat de potasiu (-tartru-) KNS 4 H 4 O 6 este practic insolubil în apă, care este folosită pentru deschiderea cationilor de potasiu. Sarea medie de calciu este, de asemenea, ușor solubilă în apă. Sarea medie de potasiu K 2 C 4 H 4 O 6 este foarte solubilă în apă.

I. Reacția cu clorură de potasiu (farmacopee).

C 4 H 4 O 6 2 - + K + + H + -> KNS 4 H 4 O 6 1 (alb)

2. Reacția cu resorcinol în mediu acid (farmacopee).

Tartrații, când sunt încălziți cu resorcinol meta - C 6 H 4 (OH) 2 într-un mediu de acid sulfuric concentrat, formează produși de reacție roșu cireș.

14) Reacții cu complexul de amoniac al argintului. Un precipitat negru de argint metalic cade.

15) Reacția cu sulfat de fier (II) și peroxid de hidrogen.

Adăugarea unei soluții apoase diluate de FeS04 și H2O2 la o soluție care conține tartrați. duce la formarea unui complex instabil de fier de culoare zdrobită. Tratarea ulterioară cu o soluție alcalină de NaOH duce la o colorare albastră a complexului.

Reacții analitice ale ionului oxalat C 2 O 4 2-

Ion oxalat C 2 O 4 2- - anion al acidului oxalic dibazic H 2 C 2 O 4 de tărie medie, relativ bine solubil în apă. Ionul oxalat în soluții apoase este incolor, parțial hidrolizat, agent reducător puternic, ligand eficient - formează complexe de oxalat stabili cu cationi ai multor metale. Oxalații de metale alcaline, magneziu și amoniu sunt solubili în apă, în timp ce alte metale sunt ușor solubile în apă.

1 Reacție cu clorură de bariu Ba 2+ + C 2 O 4 2- \u003d BaC 2 O 4 (alb) Precipitatul se dizolvă în acizi minerali și în acid acetic (când este fiert). 2. Reacția cu clorură de calciu (farmacopee): Ca 2+ + C 2 O 4 2 - = CaC 2 O 4 (alb)

Precipitatul este solubil în acizi minerali, dar insolubil în acid acetic.

3. Reacția cu nitrat de argint.

2 Ag + + C 2 O 4 2 - -> Ag2C2O 4 .|.(coagulat) Test de solubilitate. Sedimentul este împărțit în 3 părți:

dar). Se adaugă soluție de HNO3 prin picurare în prima eprubetă cu precipitatul cu agitare până când precipitatul se dizolvă;

b). În a doua eprubetă cu precipitat, se adaugă prin picurare o soluție concentrată de amoniac cu agitare până când precipitatul se dizolvă; în). Adăugați 4-5 picături de soluție de HCl în a treia eprubetă cu sediment; un precipitat alb de clorură de argint rămâne în eprubetă:

Ag 2 C 2 O 4 + 2 HC1 -> 2 AC1 (alb) + H 2 C 2 O 4

4. Reacția cu permanganat de potasiu. Ionii de oxalat cu KMPO 4 într-un mediu acid sunt oxidați cu eliberarea de CO2; soluția de KMnO 4 devine incoloră datorită reducerii manganului (VII) la mangan (II):

5 C 2 O 4 2 - + 2 MnO 4 "+ 16 H + -> 10 CO 2 + 2 Mp 2+ + 8 H 2 O

Soluție diluată de KMPO 4 . Acesta din urmă este decolorat; are loc o eliberare de bule de gaz - CO 2 .

38 Elemente ale grupului VA

caracteristici generale Grupa VA din Tabelul Periodic. sub forma s x p y configuraţia electronică a nivelului energetic extern al elementelor grupului VA.

Arsenicul și antimoniul au modificări alotrope diferite: atât cu rețele cristaline moleculare, cât și metalice. Cu toate acestea, pe baza unei comparații a stabilității formelor cationice (As 3+, Sb 3+), arsenul este clasificat ca un nemetal, iar antimoniul ca un metal.

stări de oxidare stabile pentru elementele grupului VA

De la azot la bismut (cu proprietăți nemetalice în scădere):

w scade stabilitatea stării negative de oxidare (-3) (m. proprietăți ale compușilor cu hidrogen)

w stabilitatea celei mai mari stări pozitive de oxidare scade (+5)

w crește stabilitatea unei stări de oxidare pozitivă scăzută (+3)

Elemente carbon C, siliciu Si, germaniu Ge, staniu Sn și plumb Pb alcătuiesc grupa IVA din Tabelul Periodic al D.I. Mendeleev. General formula electronica nivelul de valență al atomilor acestor elemente - n s 2n p 2, stările de oxidare predominante ale elementelor din compușii +2 și +4. Prin electronegativitate, elementele C și Si sunt clasificate ca nemetale, iar Ge, Sn și Pb sunt denumite elemente amfotere, proprietăți metalice care cresc pe măsură ce numărul de serie crește. Prin urmare, în compușii de staniu(IV) și plumb(IV). legături chimice covalent, pentru plumb(II) și într-o măsură mai mică pentru staniu(II) cristale ionice sunt cunoscute. În seria elementelor de la C la Pb, stabilitatea stării de oxidare +4 scade, iar starea de oxidare +2 crește. Compușii plumbului (IV) sunt agenți oxidanți puternici, compușii altor elemente în starea de oxidare +2 sunt agenți reducători puternici.

Substanțe simple carbonul, siliciul și germaniul sunt mai degrabă inerți din punct de vedere chimic și nu reacționează cu apa și acizii neoxidanți. De asemenea, staniul și plumbul nu reacționează cu apa, dar sub acțiunea acizilor neoxidanți trec în soluție sub formă de acvații de staniu(II) și plumb(II). Alcalii nu transferă carbonul în soluție, siliciul este transferat cu dificultate, iar germaniul reacționează cu alcalii numai în prezența agenților de oxidare. Staniul și plumbul reacționează cu apa într-un mediu alcalin, transformându-se în hidroxocomplecși de staniu (II) și plumb (II). Reactivitate substanțe simple IVA-group-py crește odată cu creșterea temperaturii. Deci, atunci când sunt încălzite, toate reacţionează cu metale şi nemetale, precum şi cu acizi oxidanţi (HNO 3, H 2 SO 4 (conc.), etc.). În special, acidul azotic concentrat, atunci când este încălzit, oxidează carbonul la CO2; siliciul se dizolvă chimic într-un amestec de HNO3 și HF, transformându-se în hexafluorosilicat de hidrogen H2. Acidul azotic diluat transformă staniul în azotat de staniu (II), iar acidul azotic concentrat în oxid de staniu (IV) hidratat SnO 2 n H 2 O, numit β - acid de staniu. Plumb sub influența cald acid azotic formează nitrat de plumb(II), în timp ce acidul azotic rece pasivează suprafața acestui metal (se formează o peliculă de oxid).

Carbonul sub formă de cocs este folosit în metalurgie ca agent reducător puternic care formează CO și CO 2 în aer. Acest lucru face posibilă obținerea de Sn și Pb liber din oxizii lor - SnO 2 și PbO natural, obținuți prin prăjirea minereurilor care conțin sulfură de plumb. Siliciul poate fi obţinut prin metoda termică cu magneziu din SiO 2 (cu un exces de magneziu se formează şi siliciură de Mg 2 Si).

Chimie carbon- este în mare parte chimie compusi organici. Dintre derivații anorganici ai carbonului, carburile sunt caracteristice: asemănătoare sărurilor (cum ar fi CaC2 sau Al4C3), covalente (SiC) și asemănătoare metalelor (de exemplu, Fe3C și WC). Multe carburi asemănătoare sărurilor sunt complet hidrolizate cu eliberarea de hidrocarburi (metan, acetilenă etc.).

Carbonul formează doi oxizi: CO și CO 2 . Monoxidul de carbon este folosit în pirometalurgie ca agent reducător puternic (transformă oxizii metalici în metale). CO este, de asemenea, caracterizat prin reacții de adiție cu formarea de complecși carbonilici, de exemplu. Monoxidul de carbon este un oxid care nu formează sare; este otrăvitor („monoxid de carbon”). Dioxidul de carbon este un oxid acid, în soluție apoasă există sub formă de CO 2 · H 2 O monohidrat și acid carbonic dibazic slab H 2 CO 3. Sărurile solubile ale acidului carbonic - carbonați și bicarbonați - datorate hidrolizei au pH > 7.

Siliciu formează mai mulți compuși ai hidrogenului (silani), care sunt foarte volatili și reactivi (auto-aprindere în aer). Pentru a obține silani, se utilizează interacțiunea siliciurilor (de exemplu, siliciura de magneziu Mg 2 Si) cu apa sau acizii.

Siliciul în starea de oxidare +4 este inclus în SiO 2 și foarte numeros și adesea foarte complex în structura și compoziția ionilor de silicat (SiO 4 4–; Si 2 O 7 6–; Si 3 O 9 6–; Si 4 O 11) 6– ; Si 4 O 12 8– etc.), al cărei fragment elementar este un grup tetraedric. Dioxidul de siliciu este un oxid acid; reacţionează cu alcalii în timpul fuziunii (formând polimetasilicaţi) şi în soluţie (formând ioni de ortosilicat). Din soluții de silicați de metale alcaline, sub acțiunea acizilor sau a dioxidului de carbon, un precipitat de dioxid de siliciu hidrat SiO 2 n H 2 O, în echilibru cu care un acid orto-silicic slab H 4 SiO 4 este întotdeauna în soluție într-o concentrație mică. Soluțiile apoase de silicați de metale alcaline au pH > 7 datorită hidrolizei.

StaniuȘi conduceîn starea de oxidare +2 formează oxizii SnO și PbO. Oxidul de staniu(II) este instabil termic și se descompune în SnO 2 și Sn. Oxidul de plumb(II), pe de altă parte, este foarte stabil. Se formează în timpul arderii plumbului în aer și se găsește în natură. Hidroxizii de staniu (II) și plumb (II) sunt amfoteri.

Acvatarea cu staniu(II) prezintă proprietăți acide puternice și, prin urmare, este stabilă numai la pH< 1 в среде хлорной или азотной кислот, анионы которых не обладают заметной склонностью вхо­дить в состав комплексов олова(II) в качестве лигандов. При раз­бавлении таких растворов выпадают осадки основных солей раз­личного состава. Галогениды олова(II) – ковалентные соединения, поэтому при растворении в воде, например, SnCl 2 протекает внача­ле гидратация с образованием , а затем гидролиз до выпадения осадка вещества условного состава SnCl(OH). При наличии избытка хлороводородной кислоты, SnCl 2 нахо­дится в растворе в виде комплекса – . Большинство солей свинца(II) (например, иодид, хлорид, сульфат, хромат, карбонат, сульфид) малорастворимы в воде.

Oxizii de staniu (IV) și plumb (IV) sunt amfoteri cu o predominanță a proprietăților acide. La ei răspund polihidrații EO 2 n H 2 O, trecând în soluție sub formă de complecși hidroxo sub acțiunea unui exces de alcalii. Oxidul de staniu(IV) se formează în timpul arderii staniului în aer, iar oxidul de plumb(IV) poate fi obținut numai prin acțiunea agenților oxidanți puternici (de exemplu, hipoclorit de calciu) asupra compușilor plumbului(II).

Clorura covalentă de staniu(IV) este complet hidrolizată de apă cu eliberarea de SnO 2, iar clorura de plumb(IV) se descompune sub acțiunea apei, eliberând clor și fiind redusă la clorura de plumb(II).

Compușii de staniu (II) prezintă proprietăți reducătoare, mai ales puternice într-un mediu alcalin, iar compușii de plumb (IV) prezintă proprietăți de oxidare, mai ales puternice într-un mediu acid. Un compus comun de plumb este oxidul său dublu (Рb 2 II Рb IV)О 4 . Acest compus se descompune sub acțiunea acidului azotic, iar plumbul (II) trece în soluție sub formă de cation, iar oxidul de plumb (IV) precipită. Plumbul (IV) prezent în oxidul dublu este responsabil pentru proprietățile puternice de oxidare ale acestui compus.

Sulfurile de germaniu(IV) și staniu(IV), datorită naturii amfoterice a acestor elemente, atunci când se adaugă un exces de sulfură de sodiu, formează tiosăruri solubile, de exemplu, Na2GeS3 sau Na2SnS3. Aceeași tiosare de staniu(IV) poate fi obținută din sulfura de staniu(II) SnS prin oxidarea acesteia cu polisulfură de sodiu. Tiosărurile sunt distruse sub acțiunea acizilor puternici cu eliberare de H 2 S gazos și un depozit de GeS 2 sau SnS 2 . Sulfura de plumb(II) nu reacţionează cu polisulfurile, iar sulfura de plumb(IV) este necunoscută.

grup IVA elemente chimice sistem periodic D.I. Mendeleev include nemetale (carbon și siliciu), precum și metale (germaniu, staniu, plumb). Atomii acestor elemente conțin pe exterior nivel de energie patru electroni (ns 2 np 2), dintre care doi sunt nepereche. Prin urmare, atomii acestor elemente din compuși pot prezenta valența II. Atomii elementelor grupului IVA pot intra într-o stare excitată și pot crește numărul de electroni nepereche până la 4 și, în consecință, în compuși prezintă o valență mai mare, egală cu numărul grupului IV. Carbonul din compuși prezintă stări de oxidare de la –4 la +4, în rest, stările de oxidare se stabilizează: –4, 0, +2, +4.

Într-un atom de carbon, spre deosebire de toate celelalte elemente, numărul de electroni de valență este egal cu numărul de orbitali de valență. Acesta este unul dintre principalele motive pentru stabilitatea legăturii C-C și tendința excepțională a carbonului de a forma homolanțuri, precum și existența unui număr mare de compuși ai carbonului.

Modificările în proprietățile atomilor și compușilor din seria C–Si–Ge–Sn–Pb arată periodicitate secundară (Tabelul 5).

Tabelul 5 - Caracteristicile atomilor elementelor grupei IV

	6C	1 4 Si	3 2 Ge	50 sn	82Pb
Masă atomică	12,01115	28,086	72,59	118,69	207,19
electroni de valență	2s 2 2p 2	3s 2 3p 2	4s 2 4p 2	5s 2 5p 2	6s 2 6p 2
Raza covalentă a unui atom, Ǻ	0,077	0,117	0,122	0,140	–
Raza atomică metalică, Ǻ	–	0,134	0,139	0,158	0,175
Raza ionică condiționată, E2+, nm	–	–	0,065	0,102	0,126
Raza ionică condiționată E 4+ , ​​​​nm	–	0,034	0,044	0,067	0,076
Energia de ionizare E 0 - E +, ev	11,26	8,15	7,90	7,34	7,42
Conținut în Scoarta terestra, la. %	0,15	20,0	2∙10 –4	7∙10 – 4	1,6∙10 – 4

Periodicitatea secundară (modificarea nemonotonă a proprietăților elementelor în grupuri) se datorează naturii pătrunderii electronilor externi în nucleu. Astfel, nemonotonitatea modificării razelor atomice în timpul tranziției de la siliciu la germaniu și de la staniu la plumb se datorează pătrunderii electronilor s, respectiv, sub ecranul electronilor 3d 10 în germaniu și ecranul dublu al 4f 14. și 5d 10 electroni în plumb. Deoarece puterea de penetrare scade în seria s>p>d, periodicitatea internă a modificării proprietăților se manifestă cel mai clar în proprietățile elementelor determinate de electroni s. Prin urmare, este cel mai tipic pentru compușii elementelor grupelor A ale sistemului periodic, corespunzător cel mai înalt grad oxidarea elementului.

Carbonul diferă semnificativ de alte elemente p ale grupului prin energia sa mare de ionizare.

Carbonul și siliciul au modificări polimorfe cu structuri diferite ale rețelelor cristaline. Germaniul aparține metalelor, de culoare alb-argintiu, cu o nuanță gălbuie, dar are o rețea cristalină atomică asemănătoare unui diamant, cu legături covalente puternice. Staniul are două modificări polimorfe: o modificare metalică cu o rețea cristalină metalică și o legătură metalică; modificare nemetală cu o rețea cristalină atomică, care este stabilă la temperaturi sub 13,8 C. Plumbul este un metal de culoare gri închis cu o rețea cristalină cubică centrată pe fața metalică. O modificare a structurii substanțelor simple din seria germaniu-staniu-plumb corespunde unei modificări a proprietăților lor fizice. Deci germaniul și staniul nemetalic sunt semiconductori, staniul metalic și plumbul sunt conductori. Modificarea tipului de legătură chimică de la predominant covalent la metal este însoțită de o scădere a durității substanțelor simple. Deci, germaniul este destul de dur, în timp ce plumbul este ușor rulat în foi subțiri.

Compușii elementelor cu hidrogen au formula EN 4: CH 4 - metan, SiH 4 - silan, GeH 4 - german, SnH 4 - stannan, PbH 4 - plumban. Insolubil în apă. De sus în jos, în seria compușilor cu hidrogen, stabilitatea acestora scade (plumbana este atât de instabilă, încât existența sa nu poate fi judecată decât după semne indirecte).

Compușii elementelor cu oxigen au formulele generale: EO și EO 2. Oxizii CO și SiO nu formează sare; GeO, SnO, PbO sunt oxizi amfoteri; CO 2, SiO 2 GeO 2 - acid, SnO 2, PbO 2 - amfoter. Odată cu creșterea gradului de oxidare, proprietățile acide ale oxizilor cresc, în timp ce proprietățile de bază slăbesc. Proprietățile hidroxizilor corespunzători se schimbă în mod similar.

| | | | | | | |

stiu

• poziția carbonului și a siliciului în tabelul periodic, prezența în natură și aplicarea practică;
• structura atomică, valența, stările de oxidare ale carbonului și siliciului;
• metode de obținere și proprietăți ale substanțelor simple - grafit, diamant și siliciu; noi forme alotropice de carbon;
• principalele tipuri de compuși de carbon și siliciu;
• caracteristicile elementelor subgrupului germaniu;

a fi capabil să

• întocmește ecuații pentru reacțiile de obținere a substanțelor simple de carbon și siliciu și reacții care caracterizează proprietățile chimice ale acestor substanțe;
• comparați proprietățile elementelor din grupul de carbon;
• caracterizează compuși practic importanți ai carbonului și siliciului;
• efectuați calcule conform ecuațiilor reacțiilor la care participă carbonul și siliciul;

proprii

Abilități pentru prezicerea cursului reacțiilor care implică carbon, siliciu și compușii acestora.

Structura atomilor. Prevalența în natură

Grupa IVA a tabelului periodic este formată din cinci elemente cu număr atomic par: carbon C, siliciu Si, germaniu Ge, staniu Sn și plumb Pb (Tabelul 21.1). În natură, toate elementele grupului sunt amestecuri de izotopi stabili. Carbonul are două izogone - *|С (98,9%) și *§С (1,1%). În plus, în natură există urme ale izotopului radioactiv „|C cu t t= 5730 ani. Se formează în mod constant în timpul ciocnirii neutronilor radiațiilor cosmice cu nucleele de azot din atmosfera pământului:

Tabelul 21.1

Caracteristicile elementelor grupului IVA

* Element biogen.

Principalul izotop al carbonului este sens specialîn chimie și fizică, întrucât pe baza ei se adoptă unitatea de masă atomică și anume { /2 parte din masa unui atom „ICO Da).

Siliciul are trei izotopi în natură; dintre acestea, cel mai frecvent este ^)Si (92,23%). Germaniul are cinci izotopi (j^Ge - 36,5%). Staniu - 10 izotopi. Acesta este un record printre elementele chimice. Cel mai frecvent este 12 5 gSn (32,59%). Plumbul are patru izotopi: 2 SgPb (1,4%), 2 S|Pb (24,1%), 2S2βL (22,1%) și 2S2βL (52,4%). Ultimii trei izotopi ai plumbului sunt produsele finale ale descompunerii izotopilor radioactivi naturali ai uraniului și toriu și, prin urmare, conținutul lor în scoarța terestră a crescut de-a lungul întregii existențe a Pământului.

În ceea ce privește prevalența în scoarța terestră, carbonul este printre primele zece elemente chimice. Se găsește sub formă de grafit, multe varietăți de cărbune, ca parte a petrolului, gaz natural combustibil, straturi de calcar (CaCO e), dolomit (CaCO 3 -MgC0 3) și alți carbonați. Diamantul natural, deși reprezintă o parte nesemnificativă din carbonul disponibil, este extrem de valoros ca un mineral frumos și cel mai dur. Dar, desigur, cea mai mare valoare a carbonului constă în faptul că acesta este baza structurală a substanțelor bioorganice care formează corpurile tuturor organismelor vii. Carbonul este considerat pe bună dreptate primul dintre multele elemente chimice necesare existenței vieții.

Siliciul este al doilea element cel mai abundent din scoarța terestră. Nisipul, argila și multe roci pe care le vedeți sunt formate din minerale de siliciu. Cu excepția soiurilor cristaline de oxid de siliciu, toți compușii săi naturali sunt silicati, adică săruri ale diverșilor acizi silicici. Acești acizi în sine nu au fost obținuți ca substanțe individuale. Ortosilicații conțin ioni SiOj ~, metasilicații constau din lanțuri polimerice (Si0 3 ") w. Majoritatea silicaților sunt construiți pe un cadru de siliciu și atomi de oxigen, între care se pot amplasa atomi de orice metal și unele nemetale (fluor). mineralele de siliciu cunoscute includ cuarț Si0 2, feldspați (ortoclaza KAlSi 3 0 8), mica (moscovit KAl 3 H 2 Si 3 0 12). În total, sunt cunoscute peste 400 de minerale de siliciu. Compușii de siliciu reprezintă mai mult de jumătate din bijuterii și pietre ornamentale.Cadru de oxigen-siliciu provoacă minerale de siliciu cu solubilitate scăzută în apă.Numai din izvoarele subterane fierbinți, de-a lungul a mii de ani, se pot depune creșteri și cruste de compuși de siliciu.Jaspul aparține rocilor de acest tip.

Nu este nevoie să vorbim despre timpul descoperirii carbonului, siliciului, staniului și plumbului, deoarece acestea sunt cunoscute sub formă de substanțe sau compuși simpli încă din cele mai vechi timpuri. Germaniul a fost descoperit de K. Winkler (Germania) în 1886 în mineralul rar argirodit. Curând a devenit clar că existența unui element cu astfel de proprietăți a fost prezisă de D. I. Mendeleev. Numirea noului element a stârnit controverse. Mendeleev, într-o scrisoare către Winkler, a susținut ferm numele germaniu.

Elementele grupului IVA au patru electroni de valență pe exterior s-și subnivelurile p:

Formule electronice ale atomilor:

În starea fundamentală, aceste elemente sunt divalente, iar în starea excitată devin tetravalente:

Carbonul și siliciul formează foarte puțin compuși chimiciîn stare divalentă; în aproape toţi compuşii stabili sunt tetravalenţi. Mai jos în grup, pentru germaniu, staniu și plumb, stabilitatea stării divalente crește și stabilitatea stării tetravalente scade. Prin urmare, compușii plumbului (IV) se comportă ca oxidanți puternici. Acest model se manifestă și în grupul VA. O diferenta importanta carbonul din elementele rămase ale grupului este capacitatea de a forma legături chimice în trei stări diferite de hibridizare - sp, sp2Și sp3. Siliciul mai are practic o singură stare hibridă. sp3. Acest lucru se manifestă în mod clar când se compară proprietățile compușilor de carbon și siliciu. De exemplu, monoxidul de carbon CO 2 este un gaz (dioxid de carbon), iar oxidul de siliciu Si0 2 este o substanță refractară (cuarț). Prima substanță este gazoasă deoarece la sp- hibridizarea carbonului toate legaturi covalente sunt închise în molecula de CO2:

Atractia dintre molecule este slaba, iar aceasta determina starea materiei. În oxidul de siliciu, patru orbitali hibrizi de siliciu 5p 3 nu pot fi închiși pe doi atomi de oxigen. Un atom de siliciu este legat de patru atomi de oxigen, fiecare fiind legat la rândul său de un alt atom de siliciu. Rezultă o structură cadru cu aceeași putere a legăturilor între toți atomii (vezi diagrama, vol. 1, p. 40).

Compușii de carbon și siliciu cu aceeași hibridizare, de exemplu metan CH4 și silan SiH4, sunt similari ca structură și proprietăți fizice. Ambele substanțe sunt gaze.

Electronegativitatea elementelor IVA este mai scăzută în comparație cu elementele grupului VA, iar acest lucru este vizibil mai ales în elementele perioadei a 2-a și a 3-a. Metalicitatea elementelor din grupul IVA este mai pronunțată decât în ​​grupul VA. Carbonul sub formă de grafit este un conductor. Siliciul și germaniul sunt semiconductori, în timp ce staniul și plumbul sunt metale adevărate.

Element	C	Si	GE	sn	Pb
Număr de serie	6	14	32	50	82
Masa atomică (relativă)	12,011	28,0855	72,59	118,69	207,2
Densitate (n.o.), g/cm 3	2,25	2,33	5,323	7,31	11,34
t pl, °C	3550	1412	273	231	327,5
t balot, °C	4827	2355	2830	2600	1749
Energia de ionizare, kJ/mol	1085,7	786,5	762,1	708,6	715,2
Formula electronica	2s 2 2p 2	3s 2 3p 2	3d 10 4s 2 4p 2	4d 10 5s 2 5p 2	4f 14 5d 10 6s 2 6p 2
Electronegativitatea (după Pauling)	2,55	1,9	2,01	1,96	2,33

Formule electronice ale gazelor inerte:

• El - 1s 2 ;
• Ne - 1s 2 2s 2 2p 6 ;
• Ar - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
• Kr - 3d 10 4s 2 4p 6 ;
• Xe - 4d 10 5s 2 5p 6 ;

Orez. Structura atomului de carbon.

Grupa 14 (grupa IVa conform vechii clasificări) din tabelul periodic al elementelor chimice a lui D. I. Mendeleev include 5 elemente: carbon, siliciu, germaniu, staniu, plumb (vezi tabelul de mai sus). Carbonul și siliciul sunt nemetale, germaniul este o substanță care prezintă proprietăți metalice, staniul și plumbul sunt metale tipice.

Cel mai comun element al grupului 14 (IVa) din scoarța terestră este siliciul (al doilea element cel mai abundent de pe Pământ după oxigen) (27,6% din greutate), urmat de: carbon (0,1%), plumb (0,0014%) , staniu (0,00022%), germaniu (0,00018%).

Siliciul, spre deosebire de carbon, nu se găsește în natură sub formă liberă, poate fi găsit doar sub formă legată:

• SiO 2 - silice, găsit sub formă de cuarț (parte a multor roci, nisip, argilă) și varietățile sale (agat, ametist, cristal de rocă, jasp etc.);
• silicatii sunt bogati in siliciu: talc, azbest;
• aluminosilicati: feldspat, mica, caolin.

De asemenea, germaniul, staniul și plumbul nu se găsesc în formă liberă în natură, dar fac parte din unele minerale:

• germaniu: (Cu 3 (Fe, Ge)S 4) - mineral de germanit;
• staniu: SnO 2 - casiterit;
• plumb: PbS - galena; PbSO 4 - anglesite; PbCO 3 - cerusită.

Toate elementele grupului 14(IVa) în starea neexcitată la nivelul energiei externe au doi electroni p nepereche (valența este 2, de exemplu, CO). La tranziția la o stare excitată (procesul necesită costuri energetice), un electron s pereche al nivelului exterior „sare” la un orbital p liber, formând astfel 4 electroni „singuratici” (unul la subnivelul s și trei la nivelul s). subnivelul p), care extinde valența elementelor (valența este 4: de exemplu, CO 2 ).

Orez. Trecerea unui atom de carbon la o stare excitată.

Din motivul de mai sus, elementele grupului 14(IVa) pot prezenta stări de oxidare: +4; +2; 0; -4.

Deoarece este nevoie din ce în ce mai multă energie pentru a „sari” un electron de la subnivelul s la subnivelul p din seria de la carbon la plumb (este nevoie de mult mai puțină energie pentru a excita un atom de carbon decât pentru a excita un atom de plumb), carbonul „de bunăvoie” intră în compuși în care prezintă valență patru; și plumb - doi.

Același lucru se poate spune despre stările de oxidare: în seria de la carbon la plumb, manifestarea stărilor de oxidare +4 și -4 scade, iar starea de oxidare +2 crește.

Deoarece carbonul și siliciul sunt nemetale, ele pot prezenta atât stări de oxidare pozitive, cât și negative, în funcție de compus (în compușii cu mai multe elemente electronegative, C și Si donează electroni și câștigă în compușii cu elemente mai puțin electronegative):

C +2 O, C +4 O 2, Si +4 Cl 4 C -4 H 4, Mg 2 Si -4

Ge, Sn, Pb, ca și metalele din compuși, își donează întotdeauna electronii:

Ge +4Cl4, Sn+4Br4, Pb+2Cl2

Elementele grupului de carbon formează următorii compuși:

• instabil compuși volatili ai hidrogenului (formula generala EH 4), din care doar metanul CH 4 este un compus stabil.
• oxizi care nu formează sare- oxizi inferiori CO si SiO;
• oxizi acizi - oxizi mai mari CO 2 şi SiO 2 - corespund hidroxizilor, care sunt acizi slabi: H 2 CO 3 (acid carbonic), H 2 SiO 3 (acid silicic);
• oxizi amfoteri- GeO, SnO, PbO și GeO 2, SnO 2, PbO 2 - acestea din urmă corespund hidroxizilor (IV) de germaniu Ge (OH) 4, stronțiu Sn (OH) 4, plumb Pb (OH) 4;