6.1 Введение

Главную подгруппу IV группы образуют пять элементов: углерод, кремний, германий, олово и свинец.

Атомы рассматриваемых элементов во внешнем электронном слое содержат четыре электрона, что описывается электронной формулой ns²np².

П ри переходе от углерода к свинцу с увеличением радиусов атомов усиливаются металлические свойства, которые проявляются уже у германия, и если углерод и кремний являются неметаллами, то олово и свинец – металлы.

Элементы рассматриваемой подгруппы могут иметь степени окисления +2 и +4, неметаллы в соединениях с менее электроотрицательными элементами – степень окисления минус 4. Степень окисления +2 для кремния и германия менее характерна, чем +4.

6.2 Углерод и его соединения

6.2.1 Свойства углерода – простого вещества

У

Рисунок 6.1 – Аллотропные модификации углерода: а) структура алмаза; б) структура графита.

глерод имеет несколько аллотропных модификаций: алмаз, графит (кристаллические решётки алмаза и графита показаны на рисунке 6.1); карбин:

(–CC–CC–CC–C),

поликумулен:

(=C=C=C=C=C=C=);

фуллерен (полые шарообразные молекулы C₆₀, C₇₀ и др.). Углерод проявляет высокую активность лишь при высоких температурах и служит хорошим восстановителем, что позволяет использовать его в металлургии для восстановления металлов из руд:

Cu₂O + C  2 Cu + CO; Fe₂O₃ + 3 C  2 Fe + 3 CO.

Углерод образует два оксида: CO (угарный газ) и CO₂ (углекислый газ).

6.2.2 Оксид углерода (IV). Угольная кислота и её соли

Оксид углерода (IV) – легко сжижающийся под давлением бесцветный газ. Твёрдая углекислота при атмосферном давлении и температуре минус 78,5 C без плавления переходит в газообразное состояние.

CO₂ – ангидрид слабой (K₁ = 4,510^–7 , K₂ = 4,710^–11) неустойчивой угольной кислоты H₂CO₃ (соли – карбонаты). Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, при нагревании разлагаются с выделением диоксида углерода. Это свойство используется для промышленного получения углекислого газа:

CaCO₃  CaO + CO₂ (t > 1000 C).

Углекислый газ также получается в качестве побочного продукта при горении угля и органических веществ: C + O₂  CO₂ .

В лаборатории CO₂ получают, действуя на мрамор соляной кислотой:

СaCO₃ + 2 HCl  CaCl₂ + CO₂ + H₂O .

Карбонаты, за исключением карбонатов щелочных металлов и аммония, малорастворимы в воде, однако способны переходить в растворимые гидрокарбонаты при поглощении углекислого газа:

СaCO₃ + H₂O + CO₂  Сa(HCO₃)₂ .

Гидрокарбонаты – термически неустойчивые вещества: при нагревании они переходят в карбонаты: Сa(HCO₃)₂  СaCO₃ + H₂O + CO₂ .

Одним из главных продуктов химической промышленности является сода (карбонат натрия). В настоящее время её получают аммиачно-хлоридным способом: концентрированный раствор NaCl насыщают аммиаком, после чего пропускают под давлением CO₂. При взаимодействии аммиака, углекислого газа и воды образуется гидрокарбонат аммония:

NH₃ + CO₂ + H₂O  NH₄HCO₃ .

Образовавшийся гидрокарбонат аммония вступает в обменную реакцию с хлоридом натрия: NH₄HCO₃ + NaCl  NH₄Cl + NaHCO₃ .

Гидрокарбонат натрия малорастворим в холодной воде и выделяется в виде осадка; он широко используется в пищевой промышленности под названием питьевой (пищевой) соды. При прокаливании гидрокарбоната натрия получают Na₂CO₃ – кальцинированную соду: 2 NaHCO₃  Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ .

Выделяющийся CO₂ снова возвращается в производство, как и аммиак, который выделяют из хлорида аммония: 2 NH₄Cl + Ca(OH)₂  СaCl₂ + 2 NH₃ + 2 H₂O .

Кристаллическая сода представляет собой кристаллогидрат Na₂CO₃10H₂O; при прокаливании она обезвоживается.