4.2.5. IV группа (подгруппа IV а) Подгруппа углерода

Элемент	Название	Кем открыт	Год открытия
С	Углерод	Известен с алхимического периода
Si	Кремний ("кремень")	Берцелиус	1825
Ge	Германий	Винклер	1886
Sn	Олово ("ста" – твердый)	Известно с алхимического периода
Pb	Свинец ("пломба")	Известен с алхимического периода

В ряду C – Si – Ge – Sn – Pb

а) углерод и кремний – неметаллы; остальные элементы - амфотерные соединения. Наиболее сильными металлическими свойствами из этих элементов обладает свинец.

б) все – твердые вещества.

Углерод

Углерод входит в состав огромного класса веществ - органических, которых насчитывается более 10 миллионов. Практически все они горючи.

Однако в данной работе мы будем рассматривать свойства неорганических соединений углерода.

В природе углерод находится главным образом в составе углекислого газа СО₂, карбоната кальция СаСО₃ (мел, мрамор, известняк), карбоната магния MgСО₃ (магнезита) и карбоната железа FeСО₃ (железного шпата).

1. Простое вещество "углерод" образует четыре аллотропных модификации.

Алмаз – самое твердое вещество, плотность  = 3,51 г/см³, изолятор, соединение с атомными связями, изотропен, атомы углерода находятся в sp³- гибридизации.

Графит – твердое вещество, плотность  = 2,22 г/см³, соединение с атомно-молекулярными связями, анизотропен, атомы углерода находятся в sp²- гибридизации.

Карбин – твердые черные кристаллы, образует цепочки с тройными связями между атомами углерода [– С  С –]_n, атомы углерода находятся в sp- гибридизации.

Фуллерены – шарообразные структуры, содержащие С₆₀, С₇₀. Растворимы в органических растворителях.

Возможны переходы от одной аллотропной модификации к другой.

t = 1200⁰C

t р > 50000 ат

Карбин  графит  алмаз

Испарение в атмосфере гелия

Графит  фуллерены

Все аллотропные модификации углерода горючи.

Сажа представляет собой аморфный углерод с высокой удельной поверхностью, высокой электропроводностью. При определенных условиях сажа может самовозгораться.

2. Чрезвычайно опасным соединением углерода является оксид углерода (II) – угарный газ. Этот газ имеет широкую область воспламенения: КПР 4 – 75 %. Кроме того, это одно из самых токсичных соединений. Угарный газ СО, попадая в кровь, существенно снижает способность крови переносить кислород. Реагируя в 200 раз быстрее кислорода, он связывает железо в гемоглобине, прекращая перенос кислорода.

Угарный газ входит в состав продуктов горения при неполном сгорании органических веществ, а кроме этого может образоваться в печах при взаимодействии углекислого газа и сажи

СО₂ + С  2СО

При взаимодействии угарного газа с хлором образуется отравляющее вещество – фосген:

CO + Cl₂  COCl₂

3. С металлами углерод образует карбиды. Некоторые из них, например, карбид вольфрама WC – чрезвычайно устойчивые твердые вещества. Однако карбиды металлов I – III групп, являясь негорючими веществами, представляют опасность при взаимодействии с водой, в результате чего выделяются горючие и взрывоопасные вещества (ацетилен С₂Н₂, метан СН₄, сажа С).

CaC₂ + 2H₂O  C₂H₂ + Ca(OH)₂

Al₄C₃ + 12H₂O  3CH₄ + 4Al(OH)₃

2Li₂C₂ + 2H₂O + O₂  4LiOH + 4C

Кремний

Кремний занимает 2 место по распространенности в земной коре, находится в природе главным образом в виде оксида кремния SiO₂, силикатов NaAlSi₃O₈ и глины Al₂O₃ x SiO₂  y H₂O.

1. Простое вещество "кремний" существует в двух аллотропных модификациях

Кремний кристаллический	Плавка в вакууме 	Кремний аморфный
Темно-серое твердое вещество с металлическим блеском; алмазоподобная структура; химически инертен; tпл = 14150С		Высокодисперсный бурый порошок; реакционноспособный.

2. Кремний образует чрезвычайно устойчивые вещества – оксид кремния SiO₂ (песок) и карбид кремния SiC (карборунд).

Песок используется как огнетушащее вещество.

3. С металлами кремний образует силициды. Силициды металлов I-II групп относятся к классу негорючих веществ, но представляющие пожарную опасность, т.к. разлагаются водой и кислотами с выделением чрезвычайно горючих веществ – силанов Si_nH_2n+2.

Mg₂Si + 4H₂O  SiH₄ + Mg(OH)₂

Mg₂Si + 4HCl  SiH₄ + MgCl₂

Силаны самовоспламеняются на воздухе при комнатной температуре, а при взаимодействии с водой и щелочью выделяют водород.

SiH₄ + 2O₂  SiO₂ + H₂O

SiH₄ +4H₂O  Si(OH)₄ + H₂

SiH₄ +H₂O + 2NaOH  Na₂SiO₃ + 4H₂

Силикаты натрия и калия (Na₂SiO₃ и К₂SiO₃) представляют собой "жидкое стекло".

4. На основе природных силикатов производят так называемые искусственные силикаты: стекла, цементы.

Обычное стекло можно представить общей формулой

Na₂O  CaO  SiO₂. Получают его сплавлением соды Na₂С O₃, известняка

СаСО₃ и белого песка SiO₂.

Химическую посуду и некоторые виды бытовой посуды изготавливают из тугоплавкого стекла. Для этого используют поташ К₂С O₃, известняк

СаСО₃ и белый песок SiO₂.

При изготовлении хрусталя сплавляют поташ К₂С O₃, оксид свинца PbO и белый песок SiO₂. Добавками различных солей металлов (кобальта, хрома, марганца) получают цветной хрусталь.

Основными компонентами цементов являются глины

Al₂O₃ x SiO₂  y H₂O и известняк СаСО₃.

Смешением цемента, песка и воды получают бетон.

Свинец

Из горючих соединений свинца следует упомянуть азид свинца Pb₃N₄, который используется как инициирующее взрывчатое вещество.

Из негорючих соединений свинца, которые широко применяются и в промышленности, и в быту наиболее известны красный сурик Pb₃О₄ (входит в состав красок как пигмент), свинцовые белила PbСО₃  Pb(ОН)₂ и тетраэтилсвинец Pb(С₂Н₅)₄ – соединение, добавление которого к бензину, повышает октановое число последнего. Тетраэтилсвинец – ядовитое вещество (как и все соединения свинца), и применение его запрещено.

Олово

Олово может существовать в различных аллотропных модификациях, которые могут переходить друг в друга при определенных условиях.

14⁰С 161⁰С 232⁰С

-Sn   - Sn  - Sn  жидкий металл

серый белый

порошок металл

При низких температурах (особенно при минусовых) металлическое белое олово переходит в порошкообразное -олово. Процесс этот назван "оловянной чумой".

Олово является компонентом ряда важнейших сплавов. Сплавы меди и олова называют "бронзы", сплавы свинца и олова – "баббиты". Эти сплавы относят к "неискрящим" при ударе и трении.

Олово входит в состав белой жести, и с 1809 года применяют для изготовления консервных банок, т.к. олово – сравнительно нетоксичный металл.

Сплавы, содержащие более 50 % олова, устойчивы к коррозии.