Лекция № 13

Элементы подгруппы углерода

Элементы главной подгруппы IV группы – N, P, As, Sb, Bi

История открытия

Углерод (С) – "carboneum – уголь (лат.), угарать, обжигать (др. рус.)"

Известен с древних времен.

1791 – Теннант (англ.) получил свободный углерод

1799 – Гитон де Морво (фр.) превратил алмаз в графит

1955 – алмаз получен из графита (t = 3000 °C, P = 10000 атм)

Кремний (Si) – "кремень (др.рус.) – камень; silex – кремень (лат.)"

Известен с древних времен (горный хрусталь, драгоценные камни)

1823 – Й.Я. Берцелиус (швед.) получил аморфный кремний

1855 – Сент Клер-Девиль (фр.) получил кристаллический кремний

Германий(Ge) – от названия Германии – родины первооткрывателя

1871 – его существования предсказал Д. И. Менделеев (назвал его эка-силицием)

1886 – Винклер (нем.) получил германий

Олово (Sn) – от "оловина" – напитка древних славян, который хранился в свинцовых сосудах. Олово часто путали со свинцом. "Stannum – прочно (санскрит)"

Это один из 7 металлов древности (Au, Ag, Hg, Fe, Sn, Pb, Cu), известно с III тыс. лет до н.э. в виде бронзы.

Свинец (Pb) – от слов "с вином" (в свинцовых сосудах хранилось вино). Plumbum – возможно, от "Plumbing – водопроводное дело (с древних времен водопроводные трубы были сделаны из свинца)". Происхождение названия не ясно.

Один из 7 металлов древности известен с III - II тысячелетия до н.э. в Месопотамии, Египте и других древних странах, где из него изготовляли большие кирпичи (чушки), статуи богов и царей, печати и различные предметы быта.

Распространение в земной коре

С – 0,14 %. Однако весьма распространен. В самородном виде (алмаз, графит, уголь). CaCO₃ – известняк, мрамор, мел; MgCO₃ – магнезит, MgCO₃·CaCO₃ – доломит. СО₂ – 0,03 % в воздухе. Нефть, природный газ – смесь углеводородов. Все живые организмы состоят из соединений углерода (на данный момент существует около 27 млн органических веществ).

Si – 27 %. II место по распространенности. В свободном состоянии не встречается. SiO₂ – кремнезем, песок – основа литосферы Земли. Алюмосиликаты – Al₂O₃·nSiO₂·MeO (Me = Ca, Mg, K); полевые шпаты, слюды, глина (каолин) – Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O; асбест – 3MgO·2SiO₂·2H₂O.

Ge – 7·10^-4 %. В виде сульфидов, сопутствующих медным, железным и серебряным рудам..

Sn –0,04 %. SnO₂ – оловянный камень (кассетерит).

Pb – 0,0016 %. В виде минералов – свинцовый блеск (галенит) PbS, англезит PbCO₃, церуссит PbSO₄.

Углерод с физические свойства углерода

Углерод существует в виде нескольких аллотропных модификаций:

1 . Графит – наиболее распространенная форма.

Это очень мягкое черное вещество с металлическим блеском, хорошо проводит электрический ток и тепло. Жирный на ощупь, при трении расслаивается на отдельные чешуйки.

t_пл = 3750 °С (плавится при давлении 10 МПа, при обычном давлении возгоняется).

Плотность 2,22 г/см³.

Структура графита образована параллельными слоями сеток, состоящих из шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Атомы в каждом отдельно взятом слое связаны достаточно прочно, а между слоями связь слабая.

2 . Алмаз – бесцветное (иногда желтоватое, коричневатое, зеленое, черное, синее, красноватое) прозрачное вещество, очень сильно преломляющее лучи света.

По твердости превосходит все известные природные вещества. Но обладает хрупкостью. Химически инертен, плохо проводит тепло и электрический ток.

Плотность 3,5 г/см³.

Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твердость алмаза.

При прокаливании алмаза в кислороде при t = 700 °C он превращается в СО₂, без кислорода – в графит.

Алмаз можно получить из графита при t = 3000 °C и Р = 6ГПа, Kat – Ni, FeS. Так получают темные технические алмазы – кристаллы диаметром около 4 мм.

Один из них состоит в подготовке высокоуглеродистого сплава Ni-Mn и его охлаждении под давлением в формах из твердого сплава (например, вольфрамо-кобальтового). Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения металлической матрицы в смеси кислот.

Отшлифованные прозрачные без дефектов алмазы – бриллианты.

Самый крупный алмаз ("Куллинан") был найден в 1905 г. в ЮАР. Он весил 3106 карат (621 г) и имел размеры 100х65х50 мм. Из него было изготовлено 105 бриллиантов. Его стоимость была оценена в 7,5 млн долларов.

3. Аморфный углерод состоит из мельчайших кристалликов с разноупорядоченной структурой графита.

– Уголь

– Древесный уголь (образуется при нагреве дерева без доступа воздуха)

– Сажа (наиболее чистый аморфный углерод – получается сжиганием богатых углеродом веществ)

– Костяной уголь (получается при обугливании обезжиренных костей животных)

Угли, особенно активированные (обработанные водяным паром) являются адсорбентами – поглощают газы и жидкости своей поверхностью (за счет пористой структуры). 1 грамм активированного угля имеет поверхность 500‑1500 м² и способен поглотить 88 литров газообразного хлора.

4. Карбин – синтетическая модификация углерода (получена в 1963 г, позднее обнаружена в природе). Черный мелкокристаллический порошок. Плотность 1,9–2 г/см³. Полупроводник.

Карбин является линейным полимером углерода и имеет две разновидности:

и =С=С=С=С=

5 . Фуллерен – синтетическая структура сферической формы. В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Молекула С₆₀ имеет форму футбольного мяча. Молекула С₇₀ имеет более вытянутую форму и напоминает мяч для игры в регби.

Фуллерены получают преимущественно электродуговым, а также электроннолучевым или лазерным распылением графита в атмосфере гелия. Образующаяся сажа конденсируется на холодной поверхности реактора, собирается и обрабатывается в кипящем толуоле, бензоле, ксилоле или других органических растворителях. После выпаривания раствора образуется черный конденсат, который примерно на 10‑15 % состоит из смеси фуллеренов C₆₀ и C₇₀, а также небольших количеств высших фуллеренов.