Работа 20. Свойства элементов подгруппыIva.

Цель работы: изучение химических свойств элементов углерода и кремния и элементов олова и свинца.

Углерод и кремний - элементы IVA группы периодической системы. На внешнем энергетическом уровне у них находится по четыре электрона (s²р²), из которых только 2р-электроны непарные. При возбуждении один из s-электронов перемещается на р - подуровень и электронная конфигурация наружного энергетического уровня становится s¹p³. В этом состоянии все электроны непарные. Поэтому углерод и кремний образуют соединения, в которых им свойственны степени окисления как +4, так и -4.

Сродство к электрону у этих элементов небольшое. Поэтому у углерода и кремния слабо выражены как способность к потере, так и к присоединению электронов. Многочисленные соединения углерода и кремния образованы при помощи ковалентных связей. Таким образом, углерод и кремний являются неметаллами.

В обычных условиях углерод и кремний весьма инертны, но при высоких температурах они становятся химически активными по отношению ко многим металлам и неметаллам.

Углерод непосредственно соединяется со многими металлами, образуя карбиды.

Кремний также дает соединения с металлами - силиды, из которых солеподобны только силиды щелочных и щелочноземельных металлов.

В соединениях с кислородом углерод и кремний образуют соединения, в которых их окислительное число +2 и +4: СО, SiO, CO₂, SiO₂.

Более устойчивы из них CO₂ и SiO₂. Оксиды СО и SiO относятся к несолеобразующим, CO₂ и SiO₂ обладают кислотными свойствами. Им соответствуют кислоты угольная Н₂СО₃ и кремниевая Н₂SiО₂, причем кислотные свойства кремниевой кислоты выражены слабее, чем угольной.

Вместе с углеродом и кремнием в IVA группу входят германий, олово. свинец. На наружном слое у этих элементов находится четыре электрона s²p².

Этим элементам свойственны обычно окислительные числа +2 и +4, число +4 возникает вследствие перехода одного из s-электронов на уровень р вследствие химических реакций. Ввиду роста радиусов атомов и уменьшения энергии ионизации в группе IVB сверху вниз наблюдается усиление металлических свойств. Германий по электрическим свойствам является полупроводником.. В своих соединениях германий характеризуется ковалентным характером связей. Олово, свинец - металлы менее активные и типичные, чем металлы IА, IIА, IIIА.

Оксиды германия, олова, и свинца (GeO, PbO, SnO) представляют собой типичные амфотерные оксиды.

В свободном состоянии все элементы этой подгруппы довольно инертны. Под действием кислорода воздуха германий и олово не изменяются. Свинец же кислородом воздуха окисляется и покрывается слоем оксидов. При повышении температуры элементы этой подгруппы легко соединяются с кислородом, образуя GeO₂, SnO₂, а свинец окисляется до оксида PbO. Элементы этой подгруппы в свободном состоянии являются восстановителями.

Разбавленная серная и соляная кислота не действуют на германий. Олово и свинец хотя и медленно, но реагируют с разбавленными кислотами. При этом свинец очень быстро покрывается пленкой PbSO₄, предохраняющей металл от дальнейшего разрушения. С концентрированной НС1 олово. реагирует при нагревании, вытесняя водород.

В азотной кислоте олово и свинец растворяются значительно скорее. Разбавленные щелочи медленно действуют на олово и свинец, реакция протекает скорее в концентрированных растворах щелочей, особенно при высокой температуре.

Экспериментальная часть.

ОПЫТ 1. Соли угольной кислоты (карбонаты.).

а) В одну из четырех пробирок поместите МgСО₃, во вторую – СаСО₃, в третью – NaHCO₃, в четвертую- Nа₂СО₃. В каждую из пробирок прибавьте по 5-6 капель 1Н раствора соляной кислоты. Выделение СО₂ сопровождается характерным шипением. Составьте уравнение реакции.

б) В две пробирки налейте по 2 мл дистиллированной воды и по 2-3 капли раствора фенолфталеина. Затем введите по несколько кристаллов соли: в одну - карбоната натрия Nа₂СО₃, а во вторую - гидрокарбоната натрия NаНСО₃. Наблюдайте за появлением окраски. Объясните, почему окраска различна. Составьте уравнение реакции гидролиза взятых солей.

ОПЫТ 2. Свойства карбида кальция (опыт проводится под тягой).

Поместите в пробирку крупинки карбида кальция (немного) и добавьте воды. Составьте уравнение реакции. Дайте характеристику различных известных вам карбидов.

ОПЫТ 3. Гидролиз солей кремниевой кислоты ('силикатов.).

В пробирку налейте 2-Змл силиката натрия или калия и добавьте 1-2 капли раствора фенолфталеина. Объясните причину изменения окраски индикатора. Составьте молекулярное и ионное уравнение реакции гидролиза.

ОПЫТ 4. Получение кремниевой кислоты.

В пробирку налейте 5мл концентрированного раствора силиката натрия и пропускайте в нее из аппарата Киппа диоксид углерода до появления студнеобразного осадка. Каков состав осадка? Составьте уравнение реакции.

ОПЫТ 5. Получение свинца из его соединений.

Налейте в две пробирки по 5-6 капель раствора соли свинца и опустите в одну пластинку цинка, во вторую - хорошо очищенную пластинку алюминия. Отметьте появление кристаллов свинца на поверхности металлов. Напишите уравнение соответствующих реакций.

ОПЫТ 6. Отношение свинца к разбавленным кислотам. В три цилиндрические пробирки положите по кусочку свинца и прилейте по 5-7 капель 2М растворов кислот: в одну - соляной, во вторую серной, в третью - азотной. Что наблюдается? Нагрейте пробирки на маленьком пламени горелки. Во всех ли пробирках идет реакция? По охлаждении растворов добавьте к ним 2-3 капли раствора иодида калия. В какой из пробирок выпал желтый осадок иодида свинца?

На основании опыта сделайте вывод, в какой кислоте растворяется свинец. Какой газ при этом выделяется? Напишите уравнение реакций растворения свинца в кислоте и получение иодида свинца.

ОПЫТ 7. Качественные реакции на ион Pb²⁺.

Примерно к 1мл 1М раствора РЬ(МО₃)₂ прилейте с небольшим избытком О,2М раствора КI. После выделения осадка слейте с него жидкость, добавьте 2мл разбавленной СН₃СООН, затем содержимое кипятите, приливая при этом понемногу воды до тех пор, пока весь осадок не растворится. При медленном охлаждении пробирки наблюдайте золотистые кристаллы Рb₂. Эта реакция получила название реакции золотого дождя.

Получившиеся в начале опыта кристаллы PbI₂ растворились при кипячении в уксусной кислоте:

Рb₂ + 2СН₃СООН  РЬ(СН₃СОО)₂ + 2НI

При охлаждении это равновесие постепенно смещалось влево. Какие условия необходимы для образования крупных кристаллов?

Контрольные вопросы и задачи.

1. Сопоставьте сходные и отличительные черты углерода и кремния. Дайте характеристику прочности связей С-С, С-Н, Si-H. Какого вида химические связи характерны для углерода и кремния?

2. Охарактеризуйте кратко химические свойства германия, олова, свинца и укажите их сходные и отличительные черты.

3. Опишите свойства угольной кислоты и ее солей - карбонатов.

4. Какие кремниевые кислоты вам известны?

5. Что такое силиды? Дайте их характеристику.

6. На каких свойствах основано применение свинца и олова в технике?

7. Назовите распространенные сплавы свинца и олова и укажите их применение.

8. Назовите аналитические реакции на свинец.

3. Какое вещество будет более сильно гидролизоваться – SnCl₂ или SnCl₄? Мотивируйте ответ.

10. Как изменяются свойства оксидов и гидроксидов в группе германий, олово, свинец?