4.3.4. Соединения с другими элементами
С и Si образуют с менее электроотрицательными элементами карбиды и силициды; состав многих из них нестехиометрический.
Кроме непосредственного взаимодействия элементов, карбид кремния (карборунд) SiC образуется при нагревании в электрической печи смеси песка и кокса:
SiO2 + 3С = SiС+ 2СO,
а силицид магния Mg2Si − при нагревании SiO2 с избытком магния
SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO
SiC – ковалентный карбид полимерного строения, твердый, тугоплавкий, химически стойкий. Аналогичными свойствами обладает нитрид кремния Si3N4.
Сульфиды известны для всех элементов рассматриваемой группы. Углерод образует только сульфид CS2; Si, Ge, Sn – сульфиды тапа ЭS и ЭS2, а Pb – лишь PbS.
Сероуглерод синтезируют из метана и паров серы при 500 – 700 0С:
SH4 + 4S = CS2 + 2H2S (катализатор – силикагель).
СS2 – бесцветная летучая жидкость, нерастворимая в воде, ядовита, легко воспламеняется на воздухе.
CS2 + 3O2 = CO2 + 2SO2
CS2 + 4H2 = 2H2S + CH4
Все сульфиды практически нерастворимы в воде, кроме SiS2:
SiS2 + 2H2O = SiO2 + 2H2S
SiS2 разлагается также кислотами, щелочами, гидратом аммиака:
SiS2 + 16HNO3 (конц.) = SiO2 + 2H2SO4 + 16NO2 + 6H2O
SiS2 + 4NaOH (разб.) = SiO2 + 2Na2S + 2H2O
SiS2 + 2NH3∙H2O (конц.) = SiO2 + 2NH4HS
Дициан C2N2 получают по реакциям:
2AgCN = 2Ag + C2N2
2CuSO4 + 4KCN = 2CuCN + C2N2 + 2K2 SO4
C2N2 – бесцветный газ с резким запахом. По химическим свойствам подобен иоду. C2N2 сгорает в кислороде, разлагается горячей водой и кислотами, реагирует со щелочами:
C2N2 + 2O2 = 2CO2N2
C2N2 + 4H2O (гор.) = (NH4)2C2O4
C2N2 + H2SO4 (конц. гор.) + 3H2O = CO + CO2 + 2NH4HSO4
C2N2 + 2NaOH = NaCN + H2O + NaOCN
(цианат натрия)
4.4. Кислоты, гидроксиды и их производные
Углероду соответствует очень слабая угольная кислота H2CO3, которая получается при взаимодействии СО2 с водой:
Угольная кислота образует два ряда солей: средние (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты).
Кремниевые кислоты можно представить общей формулой n SiO2·m H2O. В свободном состоянии выделены ортокремневая H4SiO4 и метакремниевая (или кремневая) кислоты (H2SiO3 в виде полимера).
Кислоты кремния малорастворимые в воде, в раствор их переводят действием концентрированных щелочей. По остальным химическим свойствам они подобны SiO2. В отсутствие стабилизаторов золь кремниевой кислоты переходит в гель, при высушивании которого образуется силикагель, применяемый в качестве осушителя и адсорбента.
Соли кремниевых кислот – силикаты – нерастворимы в воде (кроме силикатов натрия и калия). Они получаются при сплавлении SiO2 со щелочами, карбонатами или оксидами металлов:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2
SiO2 + Na2O = Na2SiO3
Для Ge, Sn и Pb известны гидроксиды составов Э(ОН)2 и Э(ОН)4. Эти формулы являются простейшими; в действительности осадки гидроксидов содержат переменные количества воды и их состав выражается формулами ЭО·nH2O и ЭО2·nH2O.
Все гидроксиды Ge, Sn и Pb амфотерны. Гидроксиды четырехвалентных германия и олова иногда записывают в виде кислот – H2GeO3 (германиевая), H2SnO3 (оловянная); они также переменного состава.
Гидроксиды взаимодействуют с сильными щелочами и кислотами, образуя при этом либо соли состава Na2[Э(ОН)4] (гидроксогерманиты, -станниты, -плюмбиты)
Sn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Sn(OH)4]
и Na2[Э(ОН)6] (гидроксогерманаты, -станнаты, -плюмбаты), либо соли катионов Э2+ и Э4+.
Гидроксогерманиты и гидроксостанниты, а также соли Sn2+ и Ge2+ ― сильные восстановители:
3Na2[Sn(OH) 4] + 2Bi (OH)3 = 2Bi + 3Na2[Sn(OH)6]
2GeCl2 + O2 + 8NaOH + 2H2O = 2Na2[Ge(OH)6] + 4NaCl
Соли катионов Э4+ малохарактерны, а растворимые сильно гидролизованы:
Pb(SO4)2 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4
На рис. 11 и 12 приведены схемы, отражающие химические свойства углерода, кремния и их соединений.