4. Химия р– элементов ivгруппы
Главную подгруппу IV группы составляют элементы C, Si, Ge, Sn, Pb. Электронная конфигурация внешнего уровня их атомов ns2np2. В соединениях проявляют положительные степени окисления +2 и +4, а С и Si также и отрицательные.
С и Si – неметаллы, Ge, Sn и Pb – амфотерные элементы, металлические свойства которых возрастают с увеличением порядкового номера.
В природе углерод встречается в виде четырех аллотропических модификаций: алмаза, графита, карбина и фуллеренов. Уникальным свойством фуллеренов является их способность размещать внутри своей кристаллической решетки атомы различных элементов. Это открывает большие перспективы использованияфуллеренов для создания новых магнитных носителей информации со сверхвысокой плотностью записи, аккумуляторов высокой емкости, в медицине.
Важнейшие данные о р – элементах IV группы приведены в таблицах 7-9.
4.1. Способы получения
Углерод в форме древесного угля может быть получен при нагревании древесины без доступа воздуха, при обугливании животных останков, неполном сгорании органических соединений (сажа). Графит получают из смеси кокса и каменно - угольной смолы, алмаз – из графита при очень высоком давлении и температуре, а карбин – каталитическим окислением ацетилена.
Фуллерены получают испарением графита в электрической дуге в вакууме.
Технический кремний получают в электропечах восстановлением SiO2 коксом или магнием:
SiO2 + 2С = Si + 2СО
SiO2 + 2Mg = Si + 2MgО
Таблица 7
Общие сведения
Символ элемента |
С |
Si |
Ge |
Sn |
Pb |
Русское название |
Углерод |
Кремний |
Германий |
Олово |
Свинец |
Латинское название |
Carboneum |
Silicium |
Germanium |
Stannum |
Plumbum |
Автор и год открытия |
Известен с древних времен |
Гей-Люссак, Тернар Л.Ж., 1811г. |
Винклер К.А., 1886г. |
Известен с древних времен |
Известен с древних времен |
Содержание в земной коре, масс. % |
0,14 |
27,6 |
7 ∙ 10-4 |
4 ∙ 10-3 |
1,6 ∙ 10-3 |
Основные природные соединения |
В свободном состоянии – графит, алмаз; в связном –уголь, нефть, карбонаты и т. д. |
SiO2 – кремнезем; силикаты, алюмосиликаты; Al2O3∙2SiO2∙ ∙2H2O – каолин Na2O3∙Al2O3∙ ∙6Si O2 – альбит |
Зола некоторых сортов каменного угля; Ag8GeS6 – аргиродит; Cu3(Fe,Ge)S4 – германит |
SnO2–касситерит; Cu2FeSnS4 – станнит |
PbS – галенит; PbSO4 – англезит; PbCO3 – церуссит |
Атомные характеристики элементов Таблица 8
Элемент |
С |
Si |
Ge |
Sn |
Pb |
Порядковый номер |
6 |
14 |
32 |
50 |
82 |
Относительная атомная масса |
12,01 |
28,09 |
72,59 |
118,71 |
207,20 |
Сокращенная электронная формула |
2s22p2 |
3s23p2 |
4s24p2 |
5s25p2 |
6s26p2 |
Степень окисления элемента в соединениях |
−4, +2,+4 |
−4,+2,+4 |
+2,+4 |
+2,+4 |
+2,+4 |
Радиус атома, нм |
0,091 |
0,134 |
0,139 |
0,156 |
0,175 |
Радиус иона, нм
Э2+ Э4+ |
− 0,020 |
− 0,039 |
0,065 0,044 |
0,102 0,067 |
0,126 0,076 |
Первый потенциал ионизации, В |
11,26 |
8,15 |
7,90 |
7,34 |
7,42 |
Средство к электрону, эВ |
1,27 |
1,36 |
1,74 |
1,03 |
1,03 |
Электроотрицательность |
2,50 |
1,74 |
2,02 |
1,72 |
1,55 |
Таблица 9
Основные физико-химические свойства
Элемент |
С |
Si |
Ge |
Sn |
Pb |
Тип кристаллической решетки |
Алмаз – кубическая, графит, карбин – гексагональная |
Кубическая типа алмаза |
Кубическая типа алмаза |
Тетрагональная |
Кубическая гранецентрированная |
Плотность, г/см3 |
3,5 (алмаз) 2,3 (графит) |
2,33 |
5,32 |
5,8-7,3 |
11,34 |
Тпл., 0 С |
3547 |
1410 |
937 |
231,9 |
327,4 |
Ткип, 0 С |
4827 |
2355 |
2830 |
2270 |
1740 |
Электропроводимость (Hg−1) |
0,074 |
− |
− |
7,2 |
4,0 |
Стандартная энтальпия атомизации элементов, кДж/моль |
715,6 |
468,9 |
383,1 |
301,4 |
196,1 |
Стандартная энтропия, Дж/моль ∙ К |
5,74 (графит) 2,36 (алмаз) |
18,95 |
31,09 |
44,1− −51,46 |
64,81 |
Стандартный электродный потенциал, В, процессов Э+4 + 4е = Э Э+2 + 2е = Э
|
− − |
− −0,808 |
− −0,247 |
0,009 −0,136 |
0,80 −0,126 |
Кремний высокой чистоты получают восстановлением SiCl4 водородом или цинком, а также термическим разложением его водородных соединений или SiI4:
SiH4 = Si + 2H2 ; SiI4 = Si + 2I2
Ge, Sn и Pb получают термическое восстановление их оксидов H2, C или CO:
GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O
SnO2 + 2C = Sn + 2CO
PbO + CO = Pb + CO2