Подгруппа углерода Общая характеристика
Главную подгруппу четвертой группы периодической системы элементов составляют углерод, кремний, германий, олово и свинец. Все эти элементы имеют электронную конфигурацию внешнего валентного слоя ns2np2 (где n = 2, 3, 4, 5 и 6 соответственно у С, Si, Ge, Sn и Pb). На внешнем электронном слое атомы элементов подгруппы углерода имеют 4 валентных электрона, и в соединениях они могут проявлять степени окисления от +4 до -4. Для всех элементов подгруппы известны степени окисления +4, +2, 0, -4.
Углерод и кремний – типичные неметаллы, германий, олово, свинец – металлы. При переходе от углерода к свинцу неметаллические свойства исчезают, при этом уменьшается способность присоединять электроны и увеличивается способность отдавать их. В обычных условиях углерод, кремний, германий, олово устойчивы по отношению к кислороду воздуха, свинец – окисляется.
В соединениях с кислородом атомы подгруппы углерода склонны проявлять степень окисления +4. Кислотообразующие свойства оксидов уменьшаются в ряду от С до Рb. Устойчивость соединений кислорода с элементами подгруппы со степенью окисления +2 увеличивается в ряду от С до Pb. Оксиды углерода (II) и кремния (II) являются несолеобразующими, а соответствующие оксиды германия, олова и свинца проявляют амфотерные свойства.
В электрохимическом ряду напряжений олово и свинец находятся до водорода, германий – после. Поэтому свинец и олово реагируют с НС1 и разбавленной Н2SO4 с выделением водорода, а германий не реагирует.
Проявление атомами элементов подгруппы углерода в соединениях степени окисления -4 связано с присоединением четырех электронов и образованием устойчивой восьмиэлектронной конфигурации ns2np6 . С водородом они образуют соединения с ковалентной связью и общей формулой ЭН4. Устойчивость гидридов уменьшается в ряду от метана СН4 до плюмбана РbН4. Эти гидриды не проявляют ни кислотных, ни основных свойств.
Углерод, как и другие элементы, обладает способностью образовывать гомоатомные одинарные и кратные связи.
Для атома углерода характерна высокая прочность связи С—С. Молекулы соединений, содержащие эту связь, бывают самых различных типов: линейные, разветвленные, циклические, сшитые и др.
Распространенность в природе (в земной коре) у С составляет 0,3% (по массе), Si—27,6%, Ge – 1,5-10-4 % и Pb – 1,6-10-3 %.
Углерод в природе встречается в свободном состоянии в виде алмаза, графита и угля. В атмосфере он находится в виде оксида углерода (IV) – 0,03%. Каменный уголь содержит 90 – 96% С, бурый – 62 – 72%, нефть – 83 – 86%, торф – 53 – 62%. Углерод встречается в виде многочисленных минералов: мела, известняков, мрамора СаСО3, магнезита MgCO3, доломита MgC03 СaСОз, малахита СuСО3 Сu(ОН)2; и др.
Значительные количества углерода представлены природными газами и нефтью.
Углерод является важнейшей составной частью тканей растений и животных. В животных организмах его содержание колеблется от 1 до 26% от живой массы и до 45% от сухой массы растений.
Кремний – наиболее распространенный после кислорода элемент земной коры. В свободном виде в природе не встречается. Кремний входит в состав множества минералов, которые преимущественно являются кислородными соединениями (оксиды и соли кремниевых кислот – силикаты). Наиболее известными из них являются кварц, слюда, глины, асбест, тальк, горный хрусталь, яшма, агат, опал, халцедон.
Германий в свободном виде в природе не встречается. Известно несколько минералов, содержащих германий: аргидорит, германит и др. Как примесь германий встречается во многих цинковых рудах, в золе каменных и бурых углей.
Олово в свободном виде встречается крайне редко. Наиболее распространенным оловосодержащим минералом является кассерит.
Свинец встречается в природе только в виде соединений. Наиболее распространенными минералами являются галенит, англезит и церуссит.