уменьшается кислотный характер, а у оксидов ЭО увеличивается основной характер.
Таблица 1. Некоторые свойства атомов элементов IV А группы
|
|
|
|
|
Свойства |
6C |
14Si |
32Ge |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Атомная масса |
12.011 |
28.086 |
72.59 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электронная конфигурация* |
2s2 2p2 |
3s2 3p2 |
4s2 4p2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r (ат), нм |
0.077 |
0.118 |
0.122 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R (иона +2), нм |
– |
– |
0.093 |
|
R (иона +4), нм |
0.016 |
0.040 |
0.053 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергия ионизации, эВ |
11.2604 |
8.1517 |
7.900 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Относительная электроотрицательность |
2.5 |
1.74 |
2.02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Возможные степени окисления |
–4, +2, +4 |
–4, +2, +4 |
+2, +4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
% (распространненость в природе) |
21.15 |
10-3 |
10–5-10–6 |
|
|
|
|
|
|
Т пл, С |
3547 |
1410 |
937 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ткип, С |
4827 (субл) |
2355 |
2830 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность, г/см3 |
1. 2,265 |
2,328 |
5,323 |
|
2. 3,515 |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Углерод в природе встречается в виде алмаза и графита. В ископаемых углях его содержится: от 92 % - в антраците, до 80 % - в буром угле. В связном состоянии углерод встречается в карбидах: CaCO3 мел, известняк и мрамор, MgCO3·CaCO3 - доломит, MgCO3 - магнезит. В воздухе углерод содержится в виде углекислого газа (0.03 % по объему). Содержится углерод и в соединениях, растворенных в морской воде. Углерод входит в состав растений и животных, содержится в нефти и природном газе.
Кремний в природе встречается только в связанном виде в форме кремнезема SiO2 и различных солей кремниевой кислоты (силикатов). Он второй (после кислорода) по распространенности в земной коре химический элемент (27.6 %).
251
§2.Физические свойства элементов IV А группы.
Таблица 2.Аллотропные модификации углерода.
|
|
|
|
|
|
|
Алмаз |
Графит |
|
Карбин |
Фуллерит/фуллерен |
|
Графен |
|
|
|
|
|
|
|
sp3- |
sp2- |
|
sp- |
состоит из |
|
двумерная аллотропная модификация |
гибридизация, |
гибридизация, |
|
гибридизация |
фуллеренов С60, С70, |
|
углерода, образованная слоем атомов |
тетраэдрические |
слоистая |
|
|
имеющих форму |
|
углерода толщиной в один атом, |
&sigma-связи |
структура, |
|
линейный |
сферы. Растворим в |
|
находящихся в sp²-гибридизации и |
прочные, |
большое |
|
органических |
|
соединённых посредством σ- и π-связей в |
|
|
полимер, |
|
||||
ковалентные, |
расстояние и |
|
растворителях. |
|
гексагональную двумерную |
|
поэтому очень |
непрочные |
|
твердое |
Получают при |
|
кристаллическую решётку. Впервые |
|
вещество |
|
||||
твердый |
связи между |
|
испарении графита в |
|
получен в 2004 г. |
|
|
|
|
||||
|
слоями, |
|
|
атмосфере гелия |
|
Графен обладает большой механической |
|
поэтому |
|
|
|
|
жёсткостью и рекордно большой |
|
мягкий |
|
|
|
|
теплопроводностью. |
|
|
|
|
Фуллерен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
252
§3.Химические свойства элементов: Отношение к воде, кислотам, щелочам и неметаллам.
Углерод в реакциях с активными неметаллами углерод легко окисляется:
C + O2 = CO2,
2 C + O2 = 2 CO,
C + 2S = CS2,
C + 2 F2 = CF4.
Углерод может проявлять восстановительные свойства и при взаимодействии со сложными веществами:
C + 2 CuO = 2 Cu + CO2,
C + 2 H2SO4(конц) = CO2 + 2 SO2 + H2О, 2 C + BaSO4= BaS + 2 CO2.
В реакциях с металлами и менее активными неметаллами углерод - окислитель:
2C + H2 = C2H2,
C + Si = SiC,
2 C + Ca CaC2,
3 C + 4 Al = Al4C3.
Карбид алюминия является истинным карбидом: всеми четырьмя валентными связями каждый атом углерода связан с атомами металла. Карбид кальция является ацетиленидом, так как между углеродными атомами имеется тройная связь. Поэтому при взаимодействии карбидов алюминия с водой выделяется метан, а при взаимодействии карбида кальция с водой - ацетилен
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4,
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2.
Каменный уголь используется как топливо, применяется для получения синтез-газа. Из графита делают электроды, графитовые стержни используется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Алмазы используют для изготовления режущих инструментов, абразивов, ограненные алмазы (бриллианты) являются драгоценными камнями.
Кремний впервые получен по реакции (1811 г) SiF4 + 4 K = 4 KF +
Si
и лишь в 1824 г. швед Й.Берцелиус, получив кремний по реакции: K2SiF6 + 4 K = 6 KF + Si, и доказал, что это новый химический
элемент. Сейчас кремний получают из кремнезема: SiO2 + 2 Mg = Si + 2 MgO,
3SiO2 + 4Al = Si + 2Al2O3,
восстанавливая его магнием или углеродом. Получается он и при разложении силана:
253
SiH4 = Si + 2 H2.
В реакциях с неметаллами кремний может окисляться (т.е. Siвосстановитель):
Si + O2 = SiO2,
Si + 2 F2 = SiF4,
Si + C = SiC.
Кремний растворим в щелочах:
Si + 2 NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2 ,
нерастворим в кислотах (кроме плавиковой).
В реакциях с металлами кремний проявляет окислительные свойства: 2 Mg + Si = Mg2Si.
При разложении соляной кислотой силицида магния получается силан:
Mg2Si + 4 HCl = 2MgCl2 + SiH4.
Кремний используется для получения многих сплавов на основе железа, меди и алюминия. Добавление кремния в сталь и чугун улучшает их механические свойства. Большие добавки кремния придают сплавам железа кислотоустойчивость. Сверхчистый кремний является полупроводником и используется для изготовления микросхем и в производстве солнечных батарей.
§4. Свойства основных соединений: оксидов, гидроксидов, солей. Кислородные соединения. Получение, свойства и применение
Оксиды углерода. Оксид углерода (II) (CO - угарный газ) – ядовитый газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде.
Получают CO в лаборатории разложением муравьиной или щавелевой кислоты (в присутствии концентрированной H2SO4):
HCOOH = CO + H2O, H2C2O4 = CO + CO2 + H2O
или нагреванием цинковой пыли с карбонатом кальция: CaCO3 + Zn = CaO + ZnO + CO.
В заводских условиях CO получают, пропуская воздух или углекислый газ через раскаленный уголь:
2C + O2 = 2CO ,
C + CO2 = 2 CO.
Отравляющее действие угарного газа вызвано тем, что сродство гемоглобина к окиси углерода больше, чем к кислороду. При этом образуется карбоксигемоглобин и тем самым блокируется перенос кислорода в организме.
Оксид углерод (II) легко окисляется, на воздухе горит с выделением большого количества тепла:
254
2 CO + O2 = 2 CO2 + 577 кДж/моль.
CO восстанавливает многие металлы из их окислов: FeO + CO = Fe + CO2,
CuO + CO = Cu + CO2.
CO легко вступает в реакции присоединения: CO + Cl2 = COCl2,
CO + NaOH = HCOONa,
Ni + 4 CO = Ni(CO)4.
В промышленности часто используют не чистый CO, а различные его смеси с другими газами. Генераторный газ получают при пропускании в шахтной печи через раскаленный уголь воздуха:
2 C + O2 = 2 CO + 222 кДж.
Водяной газ получается при пропускании через раскаленный уголь паров воды:
C + H2O = CO + H2 - 132 кДж.
Первая реакция экзотермическая, а вторая идет с поглощением тепла. Если оба процесса чередовать, то удается поддерживать в печи необходимую температуру. При объединении генераторного и водяного газа получают смешанный газ. Эти газы используют не только как топливо, но и для синтеза, например, метанола:
CO + 2H2 = CH3OH.
Оксид углерода (IV) (CO2 - углекислый газ) – бесцветный негoрючий газ без запаха. Он выделяется при дыхании животных. Растения поглощают CO2 и выделяют кислород. В воздухе обычно содержится 0.03 % углекислого газа. Из-за деятельности человека (бесконтрольная вырубка лесов, сжигание все большего количества угля, нефти и газа) содержание CO2 в атмосфере постепенно увеличивается, что вызывает парниковый эффект и грозит человечеству экологической катастрофой.
В лаборатории CO2 получают в аппарате Киппа, действуя соляной кислотой на мрамор:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2.
Можно привести много реакций, в результате которых получается
CO2:
KHCO3 + H2SO4 = KHSO4 + H2O + CO2, C + O2 = CO2,
2 CO + O2 = 2 CO2,
Ca(HCO3)2 CaCO3Ї + CO2 + H2O, CaCO3 = CaO + CO2,
BaSO4 + 2 C = BaS + 2 CO2,
C + 2 H2SO4(конц) = CO2 + 2 SO2 + 2H2O,
C + 4 HNO3(конц) = CO2 + 4 NO2 + 2 Н2O.
При растворении CO2 в воде образуется угольная кислота – слабая двухосновная кислота:
255
H2O + CO2 H2CO3.
Для CO2 известны все те реакции, которые характерны для кислотных оксидов:
Na2O + CO2 = Na2CO3, Ca(OH)2 + 2 CO2 = Ca(HCO3)2, Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O.
Подоженный Mg продолжает гореть в углекислом газе: CO2 + 2 Mg = 2 MgO + C.
Угольная кислота является слабой двухосновной кислотой:
H2O + CO2 = H2CO3
H++HCO3 -= H++CO32-
и может вытеснять более слабые кислоты из растворов их солей: Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3 + Na2CO3,
KCN + CO2 + H2O = KHCO3 + HCN.
Соли угольной кислоты. Карбонаты и гидрокарбонаты. Общие способы получения солей типичны и для получения солей угольной кислоты:
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2, Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O.
Карбонаты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде и подвержены гидролизу. Все остальные карбонаты практически
нерастворимы:
Na2CO3 + H2O = 2 Na+ + OH- + HCO3-.
При сравнительно слабом нагревании гидрокарбонаты разлагаются: Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O.
При прокаливании карбонатов получаются оксиды металлов и CO2: CaCO3 = CaO + CO2.
Карбонаты легко разлагаются более сильными (чем угольная) кислотами:
MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + CO2 + H2O.
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O.
При прокаливании карбонатов с песком SiO2 вытесняет более летучий оксид:
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2.
Оксиды кремния (IV) (SiO2)
Кремнезем SiO2 существует в природе в кристаллической (главным образом кварц) и аморфной (например, опал SiO2··nH2O) формах.
SiO2 - кислотный оксид, который может быть получен по реакциям: Si + O2 = SiO2,
H2SiO3 = SiO2 + H2O, SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O.
При взаимодействии с металлами или углеродом SiO2 может восстанавливаться до кремния
256