IVA група хімічних елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва включає в себе неметали (вуглець і кремній), а також метали (германій, олово, свинець). Атоми цих елементів містять на зовнішньому енергетичному рівні чотири електрона (ns 2 np 2), два з яких не спарені. Тому атоми цих елементів в з'єднаннях можуть виявляти валентність II. Атоми елементів IVA групи можуть переходити в збуджений стан і збільшувати число неспарених електронів до 4 і відповідно в з'єднаннях проявляти вищу валентність, що дорівнює номеру групи IV. Вуглець в з'єднаннях проявляє ступені окислення від -4 до +4, для інших стабілізуються ступеня окислення: -4, 0, +2, +4.

В атомі вуглецю на відміну від всіх інших елементів число валентних електронів дорівнює числу валентних орбіталей. Це одна з основних причин стійкості зв'язку С-С та виключної схильності вуглецю до утворення гомоцепей, а також існування великої кількості з'єднань вуглецю.

У зміні властивостей атомів і сполук в ряду C-Si-Ge-Sn-Pb проявляється вторинна перідічность (таблиця 5).

Таблиця 5 - Характеристики атомів елементів IV групи

6 C 1 4 Si 3 2 Ge 50 Sn 82 Pb
атомна маса 12,01115 28,086 72,59 118,69 207,19
валентні електрони 2s 2 2p 2 3s 2 3p 2 4s 2 4p 2 5s 2 5p 2 6s 2 6p 2
Ковалентний радіус атома, Ǻ 0,077 0,117 0,122 0,140 –
Металевий радіус атома, Ǻ – 0,134 0,139 0,158 0,175
Умовний радіус іона, Е 2, нм – – 0,065 0,102 0,126
Умовний радіус іона Е 4+, нм – 0,034 0,044 0,067 0,076
Енергія іонізації Е 0 - Е +, ев 11,26 8,15 7,90 7,34 7,42
зміст в земній корі, Ат. % 0,15 20,0 2∙10 –4 7∙10 – 4 1,6∙10 – 4

Вторинна періодичність (немонотонна зміна властивостей елементів в групах) обумовлена \u200b\u200bхарактером проникнення зовнішніх електронів до ядра. Так, немонотонність зміни атомних радіусів при переході від кремнію до германію і від олова до свинцю обумовлена \u200b\u200bпроникненням s-електронів відповідно під екран 3d 10-електронів у германію і подвійний екран 4f 14 - і 5d 10-електронів у свинцю. Оскільки проникаюча здатність зменшується в ряду s\u003e p\u003e d, внутрішня періодичність в зміні властивостей найбільш чітко проявляється у властивостях елементів, що визначаються s-електронами. Тому вона є найтиповішим для з'єднань елементів А-груп періодичної системи, що відповідають вищого ступеня окислення елементів.

Вуглець істотно відрізняється від інших р-елементів групи високим значенням енергії іонізації.

Вуглець і кремній мають поліморфні модифікації з різною будовою кристалічних решіток. Германій стосується металів, сріблясто-білого кольору з жовтуватим відтінком, але має алмазоподобную атомну кристалічну решітку з міцними ковалентними зв'язками. Олово має дві поліморфні модифікації: металеву модифікацію з металевою кристалічною решіткою і металевим зв'язком; неметаллическую модифікацію з атомної кристалічною решіткою, яка стійка при температурі нижче 13,8 С. Свинець - темно-сірий метал з металевою гранецентрированной кубічної кристалічною решіткою. зміна структури простих речовин в ряду германій-олово-свинець відповідає зміні їх фізичних властивостей. Так германій і неметалевої олово - напівпровідники, металеве олово і свинець провідники. Зміна типу хімічного зв'язку від переважно ковалентним до металевої супроводжується зниженням твердості простих речовин. Так, германій досить твердий, свинець же легко прокочується в тонкі листи.

З'єднання елементів з воднем мають формулу ЕН 4: СН 4 - метан, SiH 4 - силан, GeH 4 - герман, SnH 4 - Станнаєв, PbH 4 - плюмбан. У воді нерозчинні. Зверху вниз в ряду водневих з'єднань зменшується їх стійкість (плюмбан настільки нестійкий, що про його існування можна судити лише за непрямими ознаками).

З'єднання елементи з киснем мають загальні формули: ЕO і ЕO 2. Оксиди CO і SiO є несолеобразующіе; GeO, SnO, PbO - амфотерні оксиди; CO 2, SiO 2 GeO 2 - кислотні, SnO 2, PbO 2 - амфотерні. З підвищенням ступеня окислення кислотні властивості оксидів зростають, основні властивості слабшають. Аналогічно змінюються і властивості відповідних гідроксидів.


| | | | | | | |
елемент C Si Ge Sn Pb
Порядковий номер 6 14 32 50 82
Атомна маса (відносна) 12,011 28,0855 72,59 118,69 207,2
Щільність (н.у.), г / см 3 2,25 2,33 5,323 7,31 11,34
t пл, ° C 3550 1412 273 231 327,5
t кип, ° C 4827 2355 2830 2600 1749
Енергія іонізації, кДж / моль 1085,7 786,5 762,1 708,6 715,2
Електронна формула 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
Електронегативність (за Поллинг) 2,55 1,9 2,01 1,96 2,33

Електронні формули інертних газів:

  • He - 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;

Мал. Будова атома вуглецю.

У 14 групу (IVa групу за старою класифікацією) періодичної таблиці хімічних елементів Д. І. Менделєєва входять 5 елементів: вуглець, кремній, германій, олово, свинець (див. Таблицю вище). Вуглець і кремній - неметали, германій є речовиною, котрі виявляють металеві властивості, олово і свинець - типові метали.

Найпоширенішим в земній корі елементом 14 (IVa) групи є кремній (другий після кисню елемент по поширеності на Землі) (27,6% по масі), далі йдуть: вуглець (0,1%), свинець (0,0014%) , олово (0,00022%), германій (0,00018%).

Кремній, на відміну від вуглецю, у вільному вигляді в природі не зустрічається, його можна знайти тільки в зв'язаному вигляді:

  • SiO 2 - кремнезем, зустрічається у вигляді кварцу (входить до складу багатьох гірських порід, піску, глини) і його різновидів (агат, аметист, гірський кришталь, яшма та ін.);
  • багаті кремнієм силікати: тальк, азбест;
  • алюмосилікати: польовий шпат, слюда, каолін.

Германій, олово і свинець також у вільному вигляді в природі не зустрічаються, а входять до складу деяких мінералів:

  • германій: (Cu 3 (Fe, Ge) S 4) - мінерал Німеччини;
  • олово: SnO 2 - касситерит;
  • свинець: PbS - галеніт; PbSO 4 - англезит; PbCO 3 - церуссит.

Всі елементи 14 (IVa) групи в збудженому стані на зовнішньому енергетичному рівні мають два неспарених p-електрона (валентність дорівнює 2, наприклад, CO). При переході в збуджений стан (процес вимагає енергетичних витрат) один спарений s-електрон зовнішнього рівня "перескакує" на вільну p-орбіталь, утворюючи, таким чином, 4 "одиноких" електрона (один на s-підрівні і три на p-підрівні) , що розширює валентні можливості елементів (валентність дорівнює 4: наприклад, CO 2).


Мал. Перехід атома вуглецю в збуджений стан.

За вищевказаній причині елементи 14 (IVa) групи можуть проявляти ступеня окислення: +4; +2; 0; -4.

Оскільки для "перескоку" електрона з s-підрівні на p-підрівень в ряду від вуглецю до свинцю потрібно все більше і більше енергії (для збудження атома вуглецю потрібно набагато менше енергії, ніж для збудження атома свинцю), то вуглець "охочіше" вступає в з'єднання, в яких проявляє валентність чотири; а свинець - два.

Те ж саме можна сказати і про ступені окислення: в ряду від вуглецю до свинцю прояв ступенів окислення +4 і -4 зменшується, а ступінь окислення +2 зростає.

Оскільки вуглець і кремній є неметалами, вони можуть проявляти, як позитивну, так і негативну ступінь окислення, в залежності від сполуки (в з'єднаннях з більш електроотріцателнимі елементами C і Si віддають електрони, і отримують в з'єднаннях з менш електронегативними елементами):

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

Ge, Sn, Pb, як метали в сполуках завжди віддають свої електрони:

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

Елементи групи вуглецю утворюють такі сполуки:

  • нестійкі летючі водневі сполуки (загальна формула ЕH 4), з яких тільки метан CH 4 є стійким з'єднанням.
  • несолеобразующіе оксиди - нижчі оксиди CO і SiO;
  • кислотні оксиди - вищі оксиди CO 2 і SiO 2 - їм відповідають гідроксиди, які є слабкими кислотами: H 2 CO 3 (вугільна кислота), H 2 SiO 3 (кремнієва кислота);
  • амфотерні оксиди - GeO, SnO, PbO і GeO 2, SnO 2, PbO 2 - останнім відповідають гідроксиди (IV) германію Ge (OH) 4, стронцію Sn (OH) 4, свинцю Pb (OH) 4;

Ключові слова конспекту: вуглець, кремній, елементи IVA-групи, властивості елементів, алмаз, графіт, карбін, фулерен.

Елементи IV групи - це вуглець, кремній, германій, олово і свинець. Більш детально розглянемо властивості вуглецю і кремнію. У таблиці наведено найважливіші характеристики цих елементів.

Майже у всіх своїх сполуках, вуглець і кремній чотиривалентність , Їх атоми знаходяться в збудженому стані. Конфігурація валентного шару атома вуглецю при порушенні атома змінюється:

Аналогічно змінюється конфігурація валентного шару атома кремнію:

На зовнішньому енергетичному рівні атомів вуглецю і кремнію знаходиться 4 неспарених електрона. Радіус атома кремнію більше, на його валентном шарі є вакантні 3 dорбіталі, це обумовлює відмінності в характері зв'язків, які утворюють атоми кремнію.

Ступені окислення вуглецю змінюються в інтервалі від -4 до +4.

Характерною особливістю вуглецю є його здатність утворювати ланцюга: атоми вуглецю з'єднуються один з одним і утворюють стійкі з'єднання. Аналогічні з'єднання кремнію нестійкі. Здатність вуглецю до цепеобразованію обумовлює існування величезного числа органічних сполук .

До неорганічним сполукам вуглецю відносяться його оксиди, вугільна кислота, карбонати і гідрокарбонати, карбіди. Решта сполуки вуглецю є органічними.

Для вуглецю-елемента характерна аллотропия, Його алотропна модифікаціями є алмаз, графіт, карбін, фулерен. Зараз відомі й інші аллотропние модифікації вуглецю.

вугілля і сажу можна розглядати як аморфні різновиди графіту.

Кремній утворює проста речовина - кристалічний кремній. Існує аморфний кремній - порошок білого кольору (без домішок).

Властивості алмаза, графіту і кристалічного кремнію наведені в таблиці.

Причина явних відмінностей в фізичні властивості графіту і алмазу обумовлена \u200b\u200bрізним будовою кристалічної решітки . У кристалі алмаза кожен атом вуглецю (виключаючи ті, які знаходяться на поверхні кристала) утворює чотири рівноцінні міцні зв'язки з сусідніми атомами вуглецю. Ці зв'язки спрямовані до вершин тетраедра (як в молекулі СН4). Таким чином, в кристалі алмаза кожен атом вуглецю оточений чотирма такими ж атомами, що розташовуються в вершинах тетраедра. Симетричність і міцність С-С-зв'язків в кристалі алмаза обумовлюють виняткову міцність і відсутність електронної провідності.

В кристалі графіту кожен атом вуглецю утворює три міцні рівноцінні зв'язку з сусідніми атомами вуглецю в одній площині під кутом 120 °. У цій площині утворюється шар, що складається з плоских шестичленних кілець.

Крім того, кожен атом вуглецю має один неспарених електронів. Ці електрони утворюють спільну електронну систему. Зв'язок між шарами здійснюється за рахунок відносно слабких міжмолекулярних сил. Шари розташовані один щодо іншого таким чином, що атом вуглецю одного шару знаходиться над центром шестикутника іншого шару. Довжина зв'язку С-С всередині шару становить 0,142 нм, відстань між шарами - 0,335 нм. В результаті зв'язку між шарами набагато менш міцні, ніж зв'язку між атомами всередині шару. це обумовлює властивості графіту: Він м'який, легко розшаровується, має сірий колір і металевий блиск, електропроводів і хімічно активніший, ніж алмаз. Моделі кристалічних решіток алмазу і графіту зображені на малюнку.

Чи можливо перетворити графіт в алмаз? Такий процес можна здійснити в жорстких умовах - при тиску приблизно 5000 МПа і при температурі від 1500 ° С до 3000 ° С протягом декількох годин в присутності каталізаторів (Ni). Основну масу продукції становлять невеликі кристали (від 1 до декількох мм) і алмазний пил.

Карбин - аллотропная модифікація вуглецю, в якій атоми вуглецю утворюють лінійні ланцюги типу:

-С≡С-С≡С-С≡С- (Α-карбін, поліін) або \u003d С \u003d С \u003d С \u003d С \u003d С \u003d С \u003d (Β-карбін, поліен)

Відстань між цими ланцюгами менше, ніж між шарами графіту, за рахунок більш сильного міжмолекулярної взаємодії.

Карбин є чорний порошок, є напівпровідником. Хімічно він активніший, ніж графіт.

Фуллерен - аллотропная модифікація вуглецю, утворена молекулами З 60, З 70 або С 84. На сферичної поверхні молекули С 60 атоми вуглецю розташовуються в вершинах 20 правильних шестикутників і 12 правильних п'ятикутників. Все фулерени представляють собою замкнуті структури з атомів вуглецю. Кристали фуллерена відносяться до речовин з молекулярною будовою.

Кремній. Існує тільки одна стійка аллотропная модифікація кремнію, кристалічна решітка якої подібна до гратки алмазу. Кремній - тверде, тугоплавкое ( t° пл \u003d 1412 ° С), дуже крихке речовина темно-сірого кольору з металевим блиском, при стандартних умовах - напівпровідник.

елементи вуглець С, кремній Si, германій Ge, олово Sn і свинець Рb складають IVA-групу періодичної системи Д.І. Менделєєва. Загальна електронна формула валентного рівня атомів цих елементів - n s 2 n p 2, переважаючі ступеня окислення елементів в з'єднаннях +2 і +4. За електронегативності елементи С і Si відносять до неметалів, a Ge, Sn і Рb - до амфотерним елементів, металеві властивості яких зростають у міру збільшення порядкового номера. Тому в з'єднаннях олова (IV) і свинцю (IV) хімічні зв'язки ковалентних, для свинцю (II) і в меншій мірі для олова (II) відомі іонні кристали. У ряду елементів від С до Рb стійкість ступеня окислення +4 зменшується, а ступеня окислення +2 -растет. Сполуки свинцю (IV) - сильні окислювачі, з'єднання інших елементів в ступені окислення +2 - сильні відновники.

прості речовини вуглець, кремній і германій хімічно досить інертні і не реагують з водою і кислотами-неокислителях. Олово і свинець також не реагують з водою, але під дією кислот-неокислителях переходять в розчин у вигляді аквакатіону олова (II) і свинцю (II). Лугами вуглець в розчин не перекладається, кремній перекладається з працею, а германій реагує з лугами тільки в присутності окислювачів. Олово і свинець реагують з водою в лужному середовищі, переходячи в гідроксокомплекси олова (II) і свинцю (II). Реакційна здатність простих речовин IVA-груп-пи посилюється при підвищенні температури. Так, при нагріванні всі вони реагують з металами і неметалами, а також з кислотами-окислювачами (HNO 3, H 2 SO 4 (конц.) І ін.). Зокрема, концентрована азотна кислота при нагріванні окисляє вуглець до СО 2; кремній хімічно розчиняється в суміші HNO 3 і HF, перетворюючись в гексафторосілікат водню H 2. Розбавлена \u200b\u200bазотна кислота переводить олово в нітрат олова (II), а концентрована - в гідратований оксид олова (IV) SnO 2 · nН 2 О, званий β -оловянной кислотою. Свинець під дією гарячої азотної кислоти утворює нітрат свинцю (II), в той час як холодна азотна кислота пасивує поверхню цього металу (утворюється оксидна плівка).

Вуглець у вигляді коксу застосовують в металургії як сильний відновник, який утворює на повітрі СО і СО 2. Це дозволяє отримати вільні Sn і Рb з їх оксидів - природного SnO 2 і РbО, одержуваного випаленням руд, що містять сульфід свинцю. Кремній можна отримати магнійтерміческім методом з SiO 2 (при надлишку магнію утворюється також силицид Mg 2 Si).

хімія вуглецю - це головним чином хімія органічних сполук. З неорганічних похідних вуглецю характерні карбіди: солеобразние (такі, як Сас 2 або Al 4 C 3), ковалентні (SiC) та металлоподобниє (наприклад, Fe 3 С і WC). Багато солеобразние карбіди повністю гідролізуються з виділенням вуглеводнів (метану, ацетилену і ін.).



Вуглець утворює два оксиду: СО і СО 2. Монооксид вуглецю використовується в пирометаллургии як сильний відновник (переводить оксиди металів в метали). Для СО характерні також реакції приєднання з утворенням карбонільних комплексів, наприклад. Монооксид вуглецю - несолеобразующіе оксид; він отруйний ( «чадний газ»). Діоксид вуглецю - кислотний оксид, у водному розчині існує у вигляді моногідрату СО 2 · Н 2 О і слабкою двухосновной вугільної кислоти Н 2 СО 3. Розчинні солі вугільної кислоти - карбонати і гідрокарбонати - внаслідок гідролізу мають рН\u003e 7.

кремній утворює кілька водневих з'єднань (силанов), які відрізняються високою летючість і реакційною здатністю (самовоспламеняются на повітрі). Для отримання силанов використовують взаємодію силіцидів (наприклад, силіциду магнію Mg 2 Si) з водою або кислотами.

Кремній в ступені окислення +4 входить до складу SiO 2 і вельми численних і часто дуже складних за будовою і складом силікатних іонів (SiO 4 4-; Si 2 O 7 6; Si 3 O 9 6; Si 4 O 11 6 ; Si 4 O 12 8- і ін.), елементарним фрагментом яких є тетраедричних група. Діоксид кремнію - кислотний оксид, він реагує з лугами при сплаву (утворюючи поліметасі-Ликата) і в розчині (з утворенням ортосілікат-іонів). З розчинів силікатів лужних металів при дії кислот або діоксиду вуглецю виділяється осад гідрату діоксиду кремнію SiO 2 · nН 2 О, в рівновазі з яким в розчині в невеликій концентрації завжди знаходиться слабка орто-кремнієва кислота H 4 SiO 4. водні розчини силікатів лужних металів внаслідок гідролізу мають рН\u003e 7.

олово і свинець в ступені окислення +2 утворюють оксиди SnO і РbО. Оксид олова (II) термічно нестійкий і розкладається на SnO 2 і Sn. Оксид свинцю (II), навпаки, дуже стійкий. Він утворюється при згорянні свинцю на повітрі і зустрічається в природі. Гідроксиди олова (II) і свинцю (II) амфотерний.

Аквакатіону олова (II) проявляє сильні кислотні властивості і тому стійкий тільки 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 олова (IV) і свинцю (IV) амфотерни з переважанням кислотних властивостей. Їм відповідають полігідрат ЕО 2 · nН 2 О, що переходять в розчин у вигляді гідроксокомплексів під дією надлишку лугів. Оксид олова (IV) утворюється при згорянні олова на повітрі, а оксид свинцю (IV) можна отримати тільки при дії на сполуки свинцю (II) сильних окислювачів (Наприклад, гіпохлориту кальцію).

Ковалентний хлорид олова (IV) повністю гідролізується водою з виділенням SnO 2, а хлорид свинцю (IV) під дією води розпадається, виділяючи хлор і відновлюючись до хлориду свинцю (II).

Сполуки олова (II) виявляють відновні властивості, особливо сильні в лужному середовищі, а сполуки свинцю (IV) - окислювальні властивості, особливо сильні в кислому середовищі. Поширеним з'єднанням свинцю є його подвійний оксид (Рb 2 II Рb IV) О 4. Це з'єднання під дією азотної кислоти розпадається, причому свинець (II) переходить в розчин у вигляді катіона, а оксид свинцю (IV) випадає в осад. Що знаходиться в подвійному оксиді свинець (IV) обумовлює сильні окислювальні властивості цього з'єднання.

Сульфіди германію (IV) і олова (IV) в силу амфотерности цих елементів при додаванні надлишку сульфіду натрію утворюють розчинні тиосоли, наприклад, Na 2 GeS 3 або Na 2 SnS 3. Така ж тиосоли олова (IV) може бути отримана з сульфіду олова (II) SnS при його окисленні полісульфідом нат-рия. Тиосоли руйнуються під дією сильних кислот з виділенням газоподібного H 2 S і осаду GeS 2 або SnS 2. Сульфід свинцю (II) не реагує з полісульфідами, а сульфід свинцю (IV) невідомий.