Elemente ale grupului iva. Cei mai importanți compuși ai carbonului

grup IVA elemente chimice sistem periodic D.I. Mendeleev include nemetale (carbon și siliciu), precum și metale (germaniu, staniu, plumb). Atomii acestor elemente conțin patru electroni (ns 2 np 2) la nivelul energetic exterior, 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 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 sunt stabilizate: –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 cantitate mare compuși de carbon.

Periodicitatea secundară se manifestă prin modificări ale proprietăților atomilor și compușilor din seria C–Si–Ge–Sn–Pb (Tabelul 5).

Tabelul 5 - Caracteristicile atomilor elementelor grupei IV

Periodicitatea secundară (modificarea nemonotonă a proprietăților elementelor în grupuri) se datorează naturii pătrunderii electronilor externi în nucleu. Astfel, modificarea nemonotonă a 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 pătrundere 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, corespunzătoare celei mai înalte stări de oxidare a elementelor.

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

Carbonul și siliciul au modificări polimorfe cu structură diferită rețele cristaline. Germaniul este un metal, de culoare alb-argintiu, cu o nuanță gălbuie, dar are o rețea cristalină atomică asemănătoare unui diamant, cu o rețea puternică. legaturi covalente. Staniul are două polimorfe: o modificare metalică cu o rețea cristalină metalică și o legătură metalică; o modificare nemetalica cu o retea cristalina atomica, care este stabila la temperaturi sub 13,8 C. Plumbul este un metal gri inchis cu o retea cristalina cubica centrata pe fata metalica. Schimbarea structurii substanțe simpleîn seria germaniu-staniu-plumb corespunde unei modificări a proprietăților lor fizice. Deci germaniul și staniul nemetalic sunt semiconductori, staniul metalic și plumbul sunt conductori. O schimbare a tipului de legătură chimică de la predominant covalent la metal este însoțită de o scădere a durității substanțelor simple. Astfel, 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 - germaniu, SnH 4 - stanan, PbH 4 - plumban. Insolubil în apă. De sus în jos în seria compușilor cu hidrogen, stabilitatea acestora scade (plumbane este atât de instabil încât existența sa poate fi judecată doar prin semne indirecte).

Compușii elementelor cu oxigen au formule generale: EO și EO 2. Oxizii CO și SiO nu formează sare; GeO, SnO, PbO – oxizi amfoteri; CO 2 , SiO 2 GeO 2 – acid, SnO 2 , PbO 2 – amfoter. Pe măsură ce gradul de oxidare crește, proprietățile acide ale oxizilor cresc, în timp ce proprietățile de bază slăbesc. Proprietățile hidroxizilor corespunzători se modifică în mod similar.

Formule electronice ale gazelor nobile:

• 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 clasificării vechi) din tabelul periodic al elementelor chimice al 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 din grupa 14(IVa) din scoarța terestră este siliciul (al doilea element cel mai abundent de pe Pământ după oxigen) (27,6% din masă), urmat de: carbon (0,1%), plumb (0,0014%), staniu ( 0,00022%), germaniu (0,00018%).

Siliciul, spre deosebire de carbon, nu se găsește în formă liberă în natură; el 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.);
• silicati 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) - mineralit de germanit;
• staniu: SnO 2 - casiterit;
• plumb: PbS - galena; PbSO 4 - anglesite; PbCO 3 - cerusită.

Toate elementele grupului 14(IVa) într-o stare neexcitată la nivel de energie externă au două electron p nepereche(valența este 2, de exemplu CO). Când treceți la o stare excitată (procesul necesită energie), 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 p-sublevel) , care se extinde posibilități de valență elemente (valența este 4: de exemplu, CO 2).

Orez. Tranziția unui atom de carbon într-o stare excitată.

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

Deoarece „saritul” unui electron de la subnivelul s la subnivelul p din seria de la carbon la plumb necesită din ce în ce mai multă energie (este necesară mult mai puțină energie pentru a excita un atom de carbon decât pentru a excita un atom de plumb), carbonul „mai binevoitor” intră în compuși în care valența este 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 pozitive, cât și grad negativ oxidare, în funcție de compus (în compușii cu mai multe elemente electronegative, C și Si renunță la electroni, și se obțin în compușii cu elemente mai puțin electronegative):

C +2O, C +4O2, Si +4Cl4C-4H4, Mg2Si-4

Ge, Sn, Pb, ca metale din compuși, renunță întotdeauna la electroni:

Ge +4 Cl 4, Sn +4 Br 4, Pb +2 Cl 2

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 superiori CO 2 si SiO 2 - corespund hidroxizilor, care sunt acizi slabi: H2C03 (acid carbonic), H2Si03 (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;

Cuvinte cheie ale rezumatului: carbon, siliciu, elemente din grupa IVA, proprietăți ale elementelor, diamant, grafit, carabină, fuleren.

Elementele grupei IV sunt carbon, siliciu, germaniu, staniu și plumb. Să aruncăm o privire mai atentă asupra proprietăților carbonului și siliciului. Tabelul prezintă cele mai importante caracteristici ale acestor elemente.

În aproape toți compușii lor, carbon și siliciu tetravalent , atomii lor sunt în stare excitată. Configurația stratului de valență al unui atom de carbon se schimbă atunci când atomul este excitat:

Configurația stratului de valență al atomului de siliciu se schimbă în mod similar:

Nivelul de energie exterior al atomilor de carbon și siliciu conține 4 electroni nepereche. Raza atomului de siliciu este mai mare; există pete libere pe stratul său de valență. 3 d-orbitali, acest lucru determină diferențe în natura legăturilor care formează atomii de siliciu.

Stările de oxidare ale carbonului variază în intervalul de la –4 la +4.

O trăsătură caracteristică a carbonului este capacitatea sa de a forma lanțuri: atomii de carbon se conectează între ei și formează compuși stabili. Compușii similari de siliciu sunt instabili. Capacitatea carbonului de a forma lanțuri determină existența unui număr imens compusi organici .

LA compuși anorganici carbonul include oxizii săi, acidul carbonic, carbonații și bicarbonații, carburile. Compușii de carbon rămași sunt organici.

Elementul carbon se caracterizează prin alotropie, modificările sale alotropice sunt diamant, grafit, carbyne, fullerene. Alte modificări alotropice ale carbonului sunt acum cunoscute.

CărbuneȘi funingine poate fi privit ca amorf soiuri de grafit.

Siliciul formează o substanță simplă - siliciu cristalin. Există siliciu amorf - o pulbere albă (fără impurități).

Proprietățile diamantului, grafitului și siliciului cristalin sunt date în tabel.

Motivul diferențelor evidente în proprietăți fizice grafit și diamant datorită diferitelor structura rețelei cristaline . Într-un cristal de diamant, fiecare atom de carbon (cu excepția celor de pe suprafața cristalului) se formează patru legături puternice egale cu atomii de carbon vecini. Aceste legături sunt îndreptate spre vârfurile tetraedrului (ca în molecula CH 4 ). Astfel, într-un cristal de diamant, fiecare atom de carbon este înconjurat de patru dintre aceiași atomi, localizați la vârfurile tetraedrului. Simetria și rezistența legăturilor C-C dintr-un cristal de diamant determină rezistența excepțională și lipsa conductibilității electronice.

ÎN cristal de grafit Fiecare atom de carbon formează trei legături puternice, echivalente, cu atomi de carbon vecini în același plan, la un unghi de 120°. În acest plan, se formează un strat format din inele plate cu șase membri.

În plus, fiecare atom de carbon are un electron nepereche. Acești electroni formează un comun sistem electronic. Legătura dintre straturi se datorează unor forțe intermoleculare relativ slabe. Straturile sunt poziționate unul față de celălalt în așa fel încât atomul de carbon al unui strat să fie situat deasupra centrului hexagonului celuilalt strat. Lungimea legăturii C-C în interiorul stratului este de 0,142 nm, distanța dintre straturi este de 0,335 nm. Ca urmare, legăturile dintre straturi sunt mult mai slabe decât legăturile dintre atomi din strat. Aceasta determină proprietățile grafitului: este moale, se exfoliaza usor, are culoare griși luciu metalic, conductiv electric și mai reactiv din punct de vedere chimic decât diamantul. În figură sunt prezentate modele de rețele cristaline de diamant și grafit.

Este posibil să transformi grafitul în diamant? Acest proces poate fi efectuat în condiții dure - la o presiune de aproximativ 5000 MPa și la temperaturi de la 1500 °C la 3000 °C timp de câteva ore în prezența catalizatorilor (Ni). Cea mai mare parte a produselor sunt cristale mici (de la 1 la câțiva mm) și praf de diamant.

carabină– modificarea alotropică a carbonului, în care atomii de carbon formează lanțuri liniare de tipul:

–С≡С–С≡С–С≡С–(α-carbină, poliină) sau =C=C=C=C=C=C=(β-carbină, polienă)

Distanța dintre aceste lanțuri este mai mică decât între straturile de grafit din cauza interacțiunilor intermoleculare mai puternice.

Carbyne este o pulbere neagră și este un semiconductor. Din punct de vedere chimic, este mai activ decât grafitul.

Fullerene– modificarea alotropică a carbonului format din moleculele C60, C70 sau C84. Pe suprafața sferică a moleculei C60, atomii de carbon sunt localizați la vârfurile a 20 de hexagoane regulate și a 12 pentagoane regulate. Toate fulerenele sunt structuri închise ale atomilor de carbon. Cristalele de fullerenă sunt substanțe cu structură moleculară.

Siliciu. Există o singură modificare alotropică stabilă a siliciului, celulă de cristal care este ca rețeaua unui diamant. Siliciul este dur, refractar ( t° pl = 1412 °C), o substanță foarte fragilă de culoare gri închis cu o strălucire metalică, în condiții standard este un semiconductor.

Elemente carbon C, siliciu Si, germaniu Ge, staniu Sn și plumb Pb alcătuiesc grupul IVA Tabelul periodic DI. Mendeleev. Formula electronică generală pentru nivelul de valență al atomilor acestor elemente este n s 2n p 2, stările de oxidare predominante ale elementelor din compuși sunt +2 și +4. În funcție de electronegativitatea lor, elementele C și Si sunt clasificate ca nemetale, iar Ge, Sn și Pb sunt clasificate ca elemente amfotere, ale căror proprietăți metalice cresc pe măsură ce numărul atomic crește. Prin urmare, în compușii staniului (IV) și plumbului (IV) legături chimice Cristalele ionice covalente sunt cunoscute pentru plumb (II) și într-o măsură mai mică pentru staniu (II). În seria de elemente de la C la Pb, stabilitatea stării de oxidare +4 scade, iar starea de oxidare +2 crește. Compușii plumbului (IV) sunt agenți oxidanți puternici, în timp ce compușii altor elemente în starea de oxidare +2 sunt agenți reducători puternici.

Substanțe simple Carbonul, siliciul și germaniul sunt destul de 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 influența acizilor neoxidanți intră în soluție sub formă de acvații de staniu(II) și plumb(II). Alcaliile nu transferă carbonul în soluție, siliciul este dificil de transferat, 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). Reactivitatea substanțelor simple din grupa IVA 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 nitrat de staniu (II), iar acidul concentrat îl transformă în oxid de staniu (IV) hidratat SnO 2 n H 2 O, numit β -acid tinic. 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 magnezio-termică din SiO 2 (cu un exces de magneziu se formează şi siliciura Mg 2 Si).

Chimie carbon- Aceasta este în principal chimia compușilor organici. Carburele sunt tipice derivaților de carbon anorganic: 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 utilizat 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 un dibazic slab acid carbonic H2C03. Sărurile solubile ale acidului carbonic - carbonați și bicarbonați - datorate hidrolizei au un pH > 7.

Siliciu formează mai mulți compuși cu hidrogen (silani), care sunt foarte volatili și reactivi (se aprind spontan 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 face parte din SiO 2 și foarte numeroși și adesea foarte complexi ca structură și compoziție ioni 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 cărui fragment elementar este grupul tetraedric. Dioxidul de siliciu este un oxid acid; reacţionează cu alcalii la fuziune (formând polimetasilicaţi) şi în soluţie (formând ioni de ortosilicat). Din soluții de silicați de metale alcaline sub acțiunea acizilor sau a dioxidului de carbon se eliberează un precipitat de dioxid de siliciu hidrat SiO 2 n H 2 O, în echilibru cu care acidul orto-silicic slab H 4 SiO 4 se găsește întotdeauna în soluție în concentrație mică. Soluții apoase Silicații de metale alcaline datorate hidrolizei au un pH > 7.

StaniuȘi conduceîn starea de oxidare +2 formează oxizii SnO şi PbO. Oxidul de staniu(II) este instabil termic și se descompune în SnO 2 și Sn. Oxidul de plumb(II), dimpotrivă, este foarte stabil. Se formează atunci când plumbul arde în aer și apare în mod natural. 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. Ele corespund polihidraților EO 2 · n H 2 O, trecând în soluție sub formă de complecși hidroxo sub influența excesului de alcalii. Oxidul de staniu(IV) se formează prin arderea staniului în aer, iar oxidul de plumb(IV) poate fi obținut numai prin reacția cu compușii plumbului(II). agenţi oxidanţi puternici(de exemplu hipoclorit de calciu).

Clorura covalentă de staniu(IV) este complet hidrolizată de apă, eliberând SnO2, iar clorura de plumb(IV) se descompune sub influența 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 oxidante, mai ales puternice într-un mediu acid. Un compus comun de plumb este oxidul său dublu (Pb 2 II Pb IV) O 4. Acest compus se descompune sub acțiunea acidului azotic, iar plumbul (II) intră în soluție sub formă de cation, iar oxidul de plumb (IV) precipită. Plumbul(IV) prezent în oxidul dublu determină proprietățile puternic oxidante ale acestui compus.

Datorită naturii amfoterice a acestor elemente, sulfurile de germaniu (IV) și staniu (IV) formează tiosăruri solubile, de exemplu, Na2GeS3 sau Na2SnS3, atunci când se adaugă sulfură de sodiu în exces. Aceeași tiosare de staniu(IV) poate fi obținută din sulfura de staniu(II) SnS prin oxidarea acesteia cu polisulfură de sodiu. Tiosolii sunt distruși sub influență acizi tari cu eliberarea de H 2 S gazos și un precipitat de GeS 2 sau SnS 2. Sulfura de plumb(II) nu reacţionează cu polisulfurile, iar sulfura de plumb(IV) este necunoscută.