Групови IVA елементи. Основни съединения на въглерод

Ива група химически елементи Периодична система D.I. Менделеев включва не метали (въглерод и силиций), както и метали (Германия, калай, олово). Атомите на тези елементи съдържат четири електрона на външното енергийно ниво (NS 2 NP 2), две от които не са сдвоени. Следователно, атомите на тези елементи в съединенията могат да показват валентност II. Атомите на IVA елементите на групата могат да преминат към възбуденото състояние и да увеличат броя на неспарените електрони до 4 и съответно в съединенията показват най-високата валентност, равна на броя на групата IV. Въглеродът в съединенията показва степента на окисление от -4 до +4, за останалото, степените на окислението се стабилизират: -4, 0, +2, +4.

В въглеродния атом, за разлика от всички други елементи, броят на валентните електрони е равен на броя на валентния орбитал. Това е една от основните причини за устойчивостта на С-С и изключителния въглероден склонност към образуването на хомокиран, както и съществуване голямо число Въглеродни съединения.

При промяната в свойствата на атомите и съединенията в серия от С-Si-Ge-SN-PB се проявява вторичен период (Таблица 5).

Таблица 5 - Характеристики на атомите на елементите IV група

Вторична периодичност (немонотонична промяна в свойствата на елементите в групи) се дължи на естеството на проникването на външни електрони към ядрото. По този начин, не-монотонността на промяната в атомните радиуси по време на прехода от силиций до Германия и от калай до оловото се дължи на проникването на S-електрони, съответно под екрана 3D 10 -Electrols в Германия и двоен екран 4F 14 - и 5D 10 -electrols на олово. Тъй като проникващата способност намалява в серия S\u003e p\u003e D, вътрешната периодичност в промяната в свойствата е най-ясно проявена в свойствата на елементите, определени от S-електроните. Следователно, това е най-типично за съединенията от елементи на групи от периодична система, които съответстват на най-високото окисление на елементите.

Въглеродът се различава значително от други R-елементи на група високо йонизационна енергия.

Въглерод и силиций имат полиморфни модификации с различна сграда кристални решетки. Германий се отнася до метали, сребрист бял цвят с жълтеникав оттенък, но има диамантен атомният кристален решетка с траен ковалентни връзки. Калай има две полиморфни модификации: метална модификация с метална кристална решетка и метална връзка; Неметална модификация с атомна кристална решетка, която е устойчива при температури под 13.8 ° С. Оловото е тъмно сив метал с кубична кристална решетка, центрираща метал. Промяна на структурата прости вещества В редица от германия-калай-олово съответства на промяна в техните физически свойства. Така германий и неметални калай - полупроводници, метални калай и водещи проводници. Промяната в вида на химичната връзка от за предпочитане ковалентна към металик е съпроводена с намаляване на твърдостта на простите вещества. Така че германийът е доста твърдо, оловото лесно се търкаля в тънки листове.

Съединения от елементи с водород имат формула EN 4: CH4 - метан, SIH 4 - Силан, Geh 4 - Hermann, SNH4 - Stannan, PBH4 - Pliman. Във вода е неразтворима. Отгоре до дъното в редица водородни съединения, тяхната стабилност намалява (Pliman е толкова нестабилен, че може да се прецени само с непреки знаци).

Съединения Елементите с кислород имат общи формули: EO и EO2. Ко и SiO оксиди не са формирани; Гео, SNO, PBO - амфотерни оксиди; CO 2, Si0 2 Geo 2 - киселина, SNO 2, PBO 2 - амфотер. С увеличаване на степента на окисление, киселинните свойства на увеличаване на оксидите се увеличават, основните свойства отслабват. По същия начин се променят свойствата на съответните хидроксиди.

Електронни формули на инертни газове:

• Той - 1S 2;
• Ne - 1S 2 2S 2 2g6;
• AR - 1S 2 2S 2 2g 6 3S 2 3P 6;
• KR - 3D 10 4S 2 4P 6;
• XE - 4D 10 5S 2 5P6;

Фиг. Структурата на въглеродния атом.

В групата 14 (IVA, група от стара класификация) на периодичната таблица на химическите елементи D. I. Mendeleev включва 5 елемента: въглерод, силиций, германий, калай, олово (виж таблицата по-горе). Въглерод и силиций са не метали, Германия е вещество, което проявява метални свойства, калай и олово - типични метали.

Най-често срещаният елемент в земната кора (IVA) е силиций (втори след кислородния елемент за разпространение на земята) (27.6% тегловни), след това отидете: въглерод (0.1%), олово (0.0014%), калай (0.00022%) , Германия (0.00018%).

Силикон, за разлика от въглерода, не се намира в свободна форма в природата, тя може да бъде намерена само в съответната форма:

• Sio 2 - силициев диоксид, настъпва в кварц (част от много скали, пясък, глина) и нейните сортове (ахат, аметист, планински кристал, яспис и др.);
• силикатите са богати на силиций: талк, asbesti;
• алонизиликати: поле слива, роуд, каолин.

Германий, калай и олово също не са намерени в свободна форма в природата, но са част от някои минерали:

• германия: (CU 3 (FE, GE) S 4) - минерален немски;
• tIN: SNO 2 - Каситерит;
• олово: PBS - Galenit; PBSO 4 - английски; PBCO 3 - кърмене.

Всички елементи 14 (IVA) на групи в необлязло състояние на външно енергийно ниво имат две несръчен P-Electron (Valency е 2, например CO). При преминаване към възбудено състояние (процесът изисква разходи за енергия) едно сдвоено S-Electron външно ниво "скокове" към свободния P-Orbital, като по този начин се образува 4 "единични" електрони (един на S-supro и три на PP- supel) какво се простира възможности за валентност Елементи (Valence е равно на 4: например, CO 2).

Фиг. Прехода на въглеродния атом в възбудено състояние.

По горната причина елементите 14 (IVA) на групата могат да покажат степента на окисление: +4; +2; 0; -.

Тъй като електронът с електрона с S-SU-P-superer подред от въглерод за олово, се изисква все повече енергия (за възбуждане на въглероден атом, много по-малко енергия се изисква от това за възбуждане на оловния атом ), въглеродът "Кой" е по-готов "влиза в съединения, в които четири валентни експонати; И олово - две.

Същото може да се каже за степените на окислението: в ред от въглерод за олово, проявяването на окислителни степени е +4 и -4 намалява и степента на окисление е +2 увеличава.

Тъй като въглеродът и силиций са не метали, те могат да се показват като положителни и отрицателна степен Окисляването, в зависимост от съединението (в съединения с повече електрически елементи С и Si, дават електрони и се получават в връзки с по-малко електрически елементи):

C +2O, C +4O2, Si +4C14С -4Н 4, mg 2 Si -4

GE, SN, PB, като метали в връзките винаги дават своите електрони:

GE +4 C4, SN +4 BR4, PB +2C1

Елементите на въглеродната група образуват следните съединения:

• нестабилен летливи водородни съединения (обща формула Eh4), от които само метан СН4 е постоянно съединение.
• неформални оксиди - долни оксиди и Si0;
• кисели оксиди - По-високи CO 2 и Si02 оксиди - съответства на хидроксиди, които са слаби киселини: Н203 (вълна киселина), Н2 Si03 (силиконова киселина);
• амфотерни оксиди - GEO, SNO, PBO и GEO 2, SNO 2, PBO2 - последният съответства на хидроксиди (IV) германий GE (OH) 4, стронций SN (OH) 4, оловен PB (OH) 4;

Ключови думи на абстрактно: въглерод, силиций, елементи на ИВП-група, свойства на елементи, диамант, графит, карабини, пълнолетен.

IV Групови елементи са въглерод, силиций, Германия, калай и олово. Нека разгледаме по-подробно свойствата на въглерод и силиций. Таблицата показва най-важните характеристики на тези елементи.

Почти всичките му съединения, въглерод и силиций quadras. Техните атоми са в възбудено състояние. Конфигурацията на валенския слой на въглеродния атом по време на възбуждането на атом промени:

По същия начин конфигурацията на силиконовия атом на промените в силицийните променливи:

На външното енергийно ниво на въглеродните и силициевите атоми са 4 несвързани електрона. Радиусът на силиконовия атом е по-голямо, върху неговия валентен слой има свободни 3 д.При това причинява различията в естеството на връзките, които образуват силициеви атоми.

Степента на въглеродно окисление се променя в диапазона от -4 до +4.

Характерната характеристика на въглерод е способността му да образува вериги: въглеродните атоми са свързани помежду си и образуват стабилни връзки. Подобни силициеви съединения са нестабилни. Въглеродната способност за образуване на вериги определя съществуването на огромен брой органични съединения .

ДА СЕ неорганични съединения Въглеродът включва своите оксиди, въглища, карбонати и бикарбонати, карбиди. Останалите въглеродни съединения са органични.

За въглеродния елемент е характерен allotropy.Неговите амвотропни модификации са диамант, графит, карбин, fullerene. Известни са също и други аулотропни въглеродни модификации.

Въглища и юг. може да се счита за аморфен Графитни сортове.

Силиций образува проста субстанция - кристален силиций. Има аморфен силиций - бял прах (без примеси).

Свойствата на диамант, графит и кристален силиций са показани в таблицата.

Причина за изрични различия в физически свойства Графит и диамант поради различно структурата на кристалната решетка . В диамантен кристал, всеки въглероден атом (с изключение на тези, които са на повърхността на кристалната) форми четири Равни силни връзки със съседните въглеродни атоми. Тези връзки са насочени към върховете на тетраедрона (както в молекулата на СН 4). Така, в диамантения кристал, всеки въглероден атом е заобиколен от четири от същите атома, разположени в върховете на тетраедрона. Симетрията и якостта на С-С-връзките в диамантения кристал определят изключителната сила и липса на електронна проводимост.

В кристален графит Всеки въглероден атом образува три силни еквивалентни връзки с съседни въглеродни атоми в една равнина под ъгъл от 120 °. В този самолет се образува слой, състоящ се от плоски шестчленни пръстени.

В допълнение, всеки въглероден атом има един несвратен електрон. Тези електрони формират обща електронна система. Връзката между слоевете се извършва за сметка на относително слаби интермолекулни сили. Слоевете са разположени един по отношение на другия по такъв начин, че въглеродният атом на един слой е над центъра на шестоъгълника на друг слой. Дължината на С-С вътре в слоя е 0.142 nm, разстоянието между слоевете е 0.335 nm. Връзката между слоевете е много по-малко трайна от връзките между атомите вътре в слоя. Това причинява свойства Graphite.: Това е меко, лесно странно, има сив цвят и метален гланц, електрически проводим и химически активен от диаманта. Моделите на кристални решетки диамант и графит са показани на фигурата.

Възможно ли е да се превърне графит в диамант? Такъв процес се извършва в твърди условия - при налягане около 5000 МРа и при температура от 1500 ° С до 3000 ° С за няколко часа в присъствието на катализатори (NI). Основната маса на продуктите са малки кристали (от 1 до няколко mm) и диамантен прах.

Карбин - анотропна въглеродна потапяне, при която въглеродните атоми образуват линейни вериги от типа:

-S-с≡с-s- (α-карбин, полиин) или \u003d C \u003d c \u003d c \u003d c \u003d c \u003d c \u003d (β-карбин, полиран)

Разстоянието между тези вериги е по-малко, отколкото между слоевете на решетката, поради по-силното междумолекулно взаимодействие.

Карбините са черен прах, е полупроводник. Химически, той е по-активен от графит.

Fullerene. - анотропна въглеродна модификация, образувана от молекули с 60, от 70 или от 84. На сферичната повърхност на молекулата с 60 въглеродни атома се намират в върховете на 20 от десните шестоъгълници и 12 от десните пентони. Всички фулерени са затворени структури от въглеродни атоми. Кристалите на Fullerene принадлежат на вещества с молекулна структура.

Силиций. Има само една стабилна аулотропна силиций, кристална клетка което е подобно на диамантената решетка. Силиций - твърд, огнеупорен ( t.° P \u003d 1412 ° С), много крехка субстанция на тъмно сив цвят с метален блясък, при стандартни условия - полупроводници.

Елементи Въглерод с, силиций Si, германий GE, TIN SN и LOD PB са IVA групата на периодичната система D.I. Менделеева. Обща електронна формула за Valence ниво на атомите на тези елементи - n с. 2 N. пс. 2, преобладаваща степента на окисление на елементи в връзки +2 и +4. Чрез електричество, елементите c и si се отнасят до неметалам, GE, SN и PB към амфотерни елементи, чиито метални свойства се увеличават, тъй като номерът на последователността се увеличава. Следователно, в калай съединения (IV) и олово (IV) химически връзки. Ковалент, за оловен (II) и в по-малка степен за калай (II) йонни кристали са известни. В редица елементи от С до РВ, съпротивлението на степента на окисление е +4 намалява и степента на окисление е +2. Оловни съединения (IV) - Силни окислители, съединения на други елементи в окислителна степен +2 - силни редуциращи агенти.

Прости вещества Въглерод, силиций и германий са химически доста инертни и не реагират с вода и неоксидантни киселини. Калай и олово също не реагират с вода, но под действието на неоксидантни киселини те се придвижват в разтвор под формата на гнездене на калай (II) и олово (II). Алкали, въглерод не се превежда в разтвора, силиций се превежда с трудности и Германия реагира с основата само в присъствието на окислители. Калай и олово реагират с вода в алкална среда, движещи се към калай (II) хидроксамплекси (II). Реактивността на простите вещества IVA-GROUP-POP се засилва чрез увеличаване на температурата. Така че, когато се нагрява, всички те реагират с метали и неметали, както и с окислителни киселини (HNO 3, H2S04 (конц.) И т.н.). По-специално, концентрирана азотна киселина по време на отопление окислява въглерод върху СНО 2; Силиконът се разтваря химически в HNO3 и HF сместа, превръщайки се във водороден хексафлуоросиликат Н2. Разредената азотна киселина превежда калай в калаен нитрат (II) и концентриран - в хидратиран калаен оксид (IV) SNO 2 · н.H 2 O, наречен β - киселина. Воденето под действието на гореща азотна киселина образуват оловен нитрат (II), докато студената азотна киселина пасива повърхността на този метал (оформен оксид).

Въглеродът под формата на кокс се използва в металургията като силен редуциращ агент, образуван във въздушно сътрудничество и СО2. Това ви позволява да получите безплатен SN и PB от техните оксиди - естествени SNO 2 и PBO, получени чрез печене на руди, съдържащи оловен сулфид. Силиконът може да бъде получен чрез магнитомичен метод от Si02 (с излишък от магнезий, mg 2 Si силицид също се образува).

Химия въглерод - Това са предимно химични органични съединения. От неорганични въглеродни производни се характеризират с карбиди: физиологичен разтвор (като CAC2 или AL 4C3), ковалентен (SIC) и метален (например, Fe3C и WC). Много физиологични карбиди са напълно хидролизирани с освобождаването на въглеводороди (метан, ацетилен и др.).

Въглеродните образуват два оксид: CO и CO 2. Въглеродният оксид се използва в Пирометалургия като силен редуциращ агент (превежда метални оксиди към металите). За CO се характеризира и с реакции на закрепване с образуването на карбонилни комплекси, например. Въглеродният оксид е не-покриващ оксид; Той е отровен ("газов газ"). Въглеродният диоксид е кисела оксид, във воден разтвор съществува под формата на монохидрат СО2 · Н20 и слаба биегодишна въглища H2C3. Соли със салабеи карбонова киселина - карбонати и въглеводородни - поради хидролиза, те имат рН\u003e 7.

Силиций Образува няколко водородни съединения (силани), които се отличават с висока волатилност и реактивност (самостоятелно предложение във въздуха). За да се получат сили, се използва взаимодействието на силицидите (например, магнезиев силицид mg 2 si) с вода или киселини.

Силиконът до степента на окисление +4 е част от Si02 и много многобройни и често много сложни върху структурата и състава на силикатни йони (Si04 4-; Si2O 7 6-; SI3O 9 6-; Si 4 O 11 6-; SI 4O 12 8- и т.н.), чийто елементарен фрагмент е тетраедрена група. Силиконовият диоксид е кисел оксид, той реагира с алкали, когато се свързва (образувайки полиметазис) и в разтвор (с образуването на ортосилитни йони). Силиконов Sio 2 силициев хидрат силиций Si02 се освобождава от алкални метални силикатни разтвори н.Н20, в равновесие, с което слаба орто-силицинова киселина Н 4 Si04 винаги е в разтвор в малка концентрация. Водни решения Силикатите на алкални метали, дължащи се на хидролиза са рН\u003e 7.

Калай и водя Степента на окисление е +2 форма SNO и RBO оксиди. Оксидният калай (II) е термично нестабилен и разграден върху SNO 2 и SN. Оловен оксид (II), напротив, е много стабилен. Той се формира по време на изгарянето на олово във въздуха и се намира в природата. Обиксиди на калай (II) и олово (II) Амфотерни.

Водолачността на калай (II) показва силни киселинни свойства и следователно стабилна само при рН< 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.

Оксиди на калай (IV) и олово (iv) амфотерни с преобладаване на киселинни свойства. Отговорени са от EO 2 полихидрати · н.Н20, преместване в разтвор под формата на хидроксимпи под действието на излишните алкали. Оксидният калай (IV) се образува по време на изгарянето на калай във въздуха и оловът (IV) може да бъде получен само при действие върху оловни съединения (II) силни окислители (например калциев хипохлорит).

Ковалентният хлорид на калай (IV) е напълно хидролизиран чрез вода с освобождаване на SNO2 и оловът хлорид (IV) се пренебрегва с вода, подчертаващ хлор и възстановяване до оловен хлорид (II).

(II) съединения (II) проявяват заместващи свойства, особено силни в алкална среда и оловни съединения (IV) - окислителни свойства, особено силни в киселата среда. Общото оловно съединение е неговият двоен оксид (PB2 II pB IV) O4. Това съединение под действието на азотна киселина се разлага, с олово (II) преминава в разтвор под формата на катион и оловът (IV) попада в утайка. Разположен в двоен оксид (IV), определя силните окислителни свойства на това съединение.

Германия сулфиди (IV) и калай (IV) по силата на амфотерността на тези елементи с добавяне на излишен натриев сулфид образуват разтворими тиочувствителни, например, Na2 Ges 3 или Na2 SNS3. Същата тиосулска калай (IV) може да бъде получена от сулфида на калай (II) SNS с окисляването на цветовия полисулфид на NAT-RIYAL. Тиоолите се разрушават чрез действие на силни киселини с освобождаване на газообразно Н2S и GES2 или SNS2 утайка. Сулфидният олово (II) не реагира с полисулфиди и оловът сулфид (IV) е неизвестен.