Тема: p-элементы IV группы

Ключевые слова: p-элементы, углерод, кремний, аллотропы углерода, алмаз, графит, карбин, гибридизация, карбиды, цианистоводородная кислота, цианиды, перкарбиды, фосген, карбонилы металлов, карбонаты, гидрокарбонаты, сероуглерод, тиокарбонаты, фреон, кремнизем, аморфный кремний, силициды, силикаты, силан, кремневая кислота, силиконы.

₆C 1s²2s²2p²

₁₄Si [Ne] 3s²3p²

₃₂Ge [Ar] 3d¹⁰4s²4p²

₅₀Sn [Kr] 4d¹⁰5s²5p²

₈₂Pb [Xe] 4f¹⁴5d¹⁰6s²6p²

Cходство элементов:

• одинаковая структура внешнего электронного слоя атомов ns²np²

• р-элементы

• высшая степень окисления +4

• типичные валентности II, IV

Для атомов всех элементов возможны два валентных состояния:

1. Основное ns²np² (невозбужденное). Более характерно для Sn и Pb

2. Возбужденное ns¹np³ Более характерно для C, Si и Ge

Простые вещества

Элементы подгруппы в свободном состоянии образуют твердые вещества, в большинстве случаев – с атомной кристаллической решеткой. Характерна аллотропия.

Как физические, так и химические свойства простых веществ существенным образом различаются, причем вертикальные изменения часто имеют немонотонный характер. Обычно подгруппу делят на две части:

1. углерод и кремний (неметаллы)

2. германий, олово, свинец (металлы)

Олово и свинец являются типичными металлами, германий, как и кремний, - полупроводники.

Оксиды и гидроксиды

Низшие оксиды Э⁺²О Высшие оксиды Э⁺⁴О₂

С

несолеобразующие

кислотные

О CO₂

SiO SiO₂

G

амфотерные

амфотерные

eO GeO₂

SnO SnO₂

PbO PbO₂

Существуют многочисленные гидроксопроизводные типа ЭО•nH₂O ЭO₂•nH₂O, которые проявляют слабокислотные или амфотерные свойства.

Соединения с водородом ЭН₄

Ввиду близости значений электроотрицательности связи Э-Н являются ковалентными, малополярными. Гидриды ЭН₄ при обычных условиях представляют собой газы, плохо растворимые в воде.

Сравнительная характеристика

СН₄ SiH₄ GeH₄ SnH₄ PbH₄

^{метан силан герман станнан не получен}

Прочность молекул ↓

Химическая активность ↑

Восстановительная способность ↑

Химическая активность

Метан химически малоактивен, остальные гидриды очень реакционноспособны, они полностью разлагаются водой с выделением водорода:

ЭH₄ + 2H₂O = ЭO₂ + 4H₂↑

или

ЭH₄ + 6H₂O = H₂[Э(OH)₆] + 4H₂↑

Углерод с водородом, кроме СН₄, образует бесчисленное множество соединений C_xH_y – углеводородов (предмет изучения органической химии).

Получены также кремневодороды и германоводороды общей формулы Э_nH_2n+2 , где n≤8. Практического значения не имеют.

По значимости два элемента главной подгруппы IV группы занимают особое положение. Углерод является основой органических соединений, следовательно – главным элементом живой материи. Кремний – главный элемент всей неживой природы.

Общая характеристика углерода.

Углерод не принадлежит к самым распространенным в природе элементам – на его долю приходится 0,15 % от общего числа атомов земной коры. Формы нахождения углерода в природе многообразны. Кроме тканей всех живых организмов и продуктов их разрушения, он находится в составе карбонатных минералов (прежде всего CaCO₃ и MgCO₃), каменного угля, нефти, а также в виде графита и реже алмаза. Атмосфера содержит углерод в виде углекислого газа, который в растворенном состоянии находится также во всех природных водах. Углерод – главная составная часть животного и растительного мира.

Углерод – типичный неметаллический элемент, относящийся к р-элементам IV группы. В зависимости от числа σ-связей координационное число углерода равно четырем (sp³-гибридизация), трем (sp²-гибридизация) или двум (sp-гибридизация валентных орбиталей):

Характер гибридизации орбиталей атома углерода	Пространственное расположение σ-связей	Примеры соединений
sp3 sp2 sp	Тетраэдрическое Треугольное Линейное	Алмаз, CH4 Графит, C6H6 Карбин, CO2

В большинстве неорганических соединений углерод проявляет степени окисления – 4; + 4; + 2. В атоме углерода число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Это одна из основных причин большой устойчивости связи С-С и исключительной склонности углерода к образованию гомоцепей. Гомоцепные молекулы, содержащие связь С-С, бывают самых разнообразных типов: линейные, разветвленные, сшитые и циклические. В зависимости от этого мы можем выделить три аллотропные модификации углерода – алмаз, графит и карбин.

Алмаз – бесцветное кристаллическое вещество с атомной координационной кубической решеткой (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения атомов углерода в алмазе

Каждый атом в алмазе образует равноценные прочные σ-связи с четырьмя соседними. Это обуславливает исключительную твердость и отсутствие электронной проводимости в обычных условиях.

Графит – слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой, серого цвета и металлическим блеском. В соответствии с sp²-гибридизацией орбиталей атомы углерода объединяются в макромолекулы, представляющие собой бесконечные слои из шестичленных колец (рис. 2).

Рис. 2. Структура графита

Прочность химических связей в плоскости макромолекулы значительно больше, чем между слоями. Поэтому графит довольно мягок, легко расслаивается, химически несколько активнее алмаза.

Карбин – черный порошок; его решетка гексагональная, построена из прямолинейных цепочек. sp-гибридизация орбиталей углерода отвечает объединению атомов в цепи вида:

-С≡С-С≡С-С≡ (полиин)

или

=С=С=С=С=С (поликумулен).

Карбин – полупроводник. Под влиянием света его электрическая проводимость резко возрастает.

Сочетание атомов углерода разных гибридных состояний в единой полимерной структуре порождает множество аморфных форм углерода. Типичным примером аморфного углерода является стеклоуглерод и фуллерен, кокс, древесный уголь и сажа.

Уголь (особенно древесный) обладает большой адсорбционной способностью (т. е. поглощением на поверхности газов, паров и растворенных веществ). Такая способность угля обусловливается его пористостью. Чем больше пор, тем больше поверхность угля и тем больше адсорбционная способность. Обычно поры древесного угля частично заполнены различными веществами, что снижает его адсорбционную способность. Для усиления адсорбции уголь подвергают специальной обработке – нагревают в струе водяного пара, чтобы освободить его поры от загрязняющих веществ. Обработанный таким образом уголь называют активным. В медицине таблетки из активного угля используют для удаления вредных веществ из организма.