Вопрос 86 Общая характеристика группы.

В подгруппу углерода входят углерод, кремний, германий, олово и свинец. Это р-элементы IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Их атомы на внешнем уровне содержат по четыре электрона ns²np², чем объясняется сходство их химических свойств.

Электронное строение внешних уровней атомов первых двух элементов подгрупы можно представить так

 

Вневозбужденном состоянии их атомы имеют по 2 неспаренных электрона. Поскольку атомы всей подгруппы имеют на внешнем уровне свободные орбитали, то при переходе в возбужденное состояние распа­ривают электроны s-подуровней (показано пунктирными стрелками).

В соединениях элементы подгруппы углерода проявляют степень окисления +4 и -4, а также +2, причем последняя с увеличением заряда ядра становится более характерной. Для углерода, кремния и германия наиболее типична степень окисления +4, для свинца +2. СО -4 в последовательности C – Pb становится все менее характерной.

 Свойства элементов подгруппы углерода

Свойства	С	Si	Ge	Sn	Pb
1. Порядковый номер	6	14	32	50	82
2. Валентные электроны	2s22p2	3s23р2	4s24р2	5s25р2	6s26р2
3. Энергия ионизации атома, эВ	11,3	8,2	7,9	7,3	7,4
4. Относительная электроотрицательность	2,50	1,74	2,02	1,72	1,55
5. Степень окисления в соединениях	+4, +2,  -4	+4, +2, -4	+4, -4	+4, +2, -4	+4, +2, -4
6. Радиус атома, нм	0,077	0,134	0,139	0,158	0,175

Элементы подгруппы углерода образуют оксиды общей формулы RO₂ и RO, а водородные соединения формулы RН₄.Гидраты высших оксидов углерода и кремния 

обладают кислотными свойствами, гидраты остальных элементов Амфотерные, 

причем кислотные свойства сильнее выражены у гидратов германия, а основные - у гидратов свинца. От углерода к свинцу уменьшается прочность водородных соеднений RН₄: СН₄ прочное вещество, а PbH₄ в свободном виде не выделено.

 В подгруппе с ростом порядкового номера уменьшается энергия ионизации атома и увеличивается атомный радиус, т. е. неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.

Дополнительная информация

Химические свойства углерода и кремния. Графит и кремний — типичные восстановители . При нагревании с избытком воздуха графит (именно этот аллотроп наибо­лее доступен) и кремний образуют диоксиды:

С + О₂ = СО₂,

Si + О₂ = SiO₂,

при недостатке кислорода можно получить монооксиды CO или SiO:

2С + О₂ = 2СО,

2Si + O₂ = 2SiO,

которые образуются также при нагревании простых веществ с их диоксидами:

 С + СО₂ = 2СО,

 Si + SiO₂ = 2SiO. 

 Приминение

Уже при обычной температуре углерод и кремний реагируют со фтором, образуя 

тетрафториды СF₄ и SiF₄, при нагревании с хлором, давая СCl₄ и SiCl₄.

При более сильном нагревании углерод и кремний реагируют с серой и азотом:

4С + S₈ = 4СS₂, 2С + N₂ = С₂N₂, 4Si + S₈ = 4SiS₂

и даже между собой, образуя карборунд — вещество, по твердости близкое к алмазу:

Si + С = SiC.

Обычные кислоты на углерод и кремний не действуют, тогда как концентрированные Н₂SО₄ и НNО₃ окисляют углерод:

С + 2Н₂SО₄ = СО₂↑+ 2SО₂↑ + 2Н₂О, 

3С + 4НNO₃ = 3СО₂↑ + 4NO↑ +2Н₂О.

Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот:

 3Si + 4НNО₃ + 12НF = 3SiF₄↑ + 4NO↑ +8Н₂О. 

Кроме того, кремний растворяется в водных растворах щелочей:

Si + 2NaОН + Н₂О = Na₂SiO₃ + Н₂↑.

Графит часто используют для восстановления малоактивных металлов из их оксидов:

СuО + С = Сu + СО↑.

При нагревании же с оксидами активных металлов углерод и кремний диспропорционируют, образуя карбиды

СаО + 3С = СаС₂ + СО↑,

2Аl₂О₃ + 9С = Аl₄С₃ + 6СО↑ 

или силициды

2МgО + 3Si = Мg₂Si + 2SiO.

Активные металлы — более сильные восстановители, чем углерод или кремний, поэтому последние при непосредственном взаимодействии с ними выступают в качествеокислителей  Са + 2С = СаС₂,

 2Mg + Si = Мg₂Si. 

Вопрос 87 Общая характеристика углерода. Аллотропические модификации углерода. Типы гибридизации атома углерода и строение углеродсодержащих молекул. Углерод как основавсех органических молекул. Физические и химические свойства простых веществ.

Углерод (Carboneum), С - химический элемент IV группы, побочной подгруппы, 2-го периода периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 6. Относительная атомная масса: 12,011. Электроотрицательность: 2,6. Температура плавления: 3370єС (сгорает). Температура кипения: 4200єС. Плотность (графит): 2,27 г/смі. Число собственных минералов углерода - 112; исключительно велико число органических соединений углерода - углеводородов и их производных. В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них - и - являются стабильными, а один - - радиоактивным (в организме человека его содержится около 0,1мккюри)

Конфигурация внешней электронной оболочки атома углерода 2sІ2pІ. Для углерода характерно образование четырёх ковалентных связей, обусловленное возбуждением внешней электронной оболочки до состояния 2spі. Химическая связь может осуществляться за счет sp3-, sp2- и sp- гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2. Число валентных электронов углерода и число валентных орбиталей одинаково; это одна из причин устойчивости связи между атомами углерода.

Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода (углеводородов), изучаемых органической химией.

В соединениях углерод проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Б, ковалентные радиусы 0,77Б, 0,67Б, 0,60Б соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионной радиус

С4- 2,60Б, С4+ 0,20Б. При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства.

Углерод- основа всех органических молекул

Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счёт окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Содержание углерода в живых организмах в расчёте на сухое вещество составляет: 34,5-40% у водных растений и животных, 45,4-46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий

Физические и химические свойства

Известны четыре кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбин и лонсдейлит. 1Графит - 2 Алмаз - 3Карбин получен искусственно. Он представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность = 2 г/смі). Построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Лонсдейлит найден в метеоритах и получен искусственно; его структура и свойства окончательно не установлены. Фуллерит С 60 70, и – другие структурные организации(Смотри выше )

А Б

Структура алмаза (а) и графита (б).

Химическая активность или смотри схему ниже убывает в ряду: "аморфный" углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300-500єС, 600-700єС и 850-1000єС с образованием двуокиси углерода CO2 и окиси углерода CO.

"Аморфный" углеод реагирует с фтором при комнатной температуре, графит и алмаз - при нагревании. Непосредственное соединение углерода с хлором происходит в электрической дуге; с бромом и иодом углерод не реагирует, поэтому многочисленные галогениды углерода синтезируют косвенным путём. Водород с алмазом не взаимодействует; с графитом и "аморфным" углеродом реагирует при высоких температурах в присутствии катализаторов (никель Ni, платина Pt): при При взаимодействии CS2 с сульфидами металлов образуются тиокарбонаты - соли слабой тиоугольной кислоты. Все формы углерода при нагревании восстанавливают окислы металлов с образованием свободных металлов (Zn, Cd, Cu, Pb и др.) или карбидов (CaC2, Mo2C, WC, TaC и др.). Отличительной особенностью графита является способность при умеренном нагревании до 300-400єС взаимодействовать со щелочными металлами и галогенидами с образованием соединений включения типа C8Me, C24Me, C8X (где Х - галоген, Me – металл

Углерод широко используется в виде простых веществ. Драгоценный алмаз является предметом ювелирных украшений; непрозрачный алмаз - ценный абразив, а так же материал для изготовления резцов и другого инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Графит применяют для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит, электродов, твердых смазочных материалов; в ракетной технике; как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах; компонент состава для изготовления стержней для карандашей; для получения алмаза; наполнитель пластмасс. Каменноугольный кокс используется в черной металлургии в качестве топлива и восстановителя в доменных печах и вагранках. Нефтяной и электродный пековый кокс применяется для изготовления угольных и графитированных электродов, реже - как топливо. Сажа (технический углерод) применяется как наполнитель в производстве резины, пластмасс; пигмент в лакокрасочной промышленности; для изготовления электродов и т. п. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием (например, Al4C3, SiC, B4C) отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод применяется для получения металлов из их оксидов. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердость и износостойкость.

.Для углерода характерты кратные связи