Дмитрий Иванович Менделеев Выход

Подгруппа углерода, в которую входят углерод, кремний, германий, олово и свинец, является главной подгруппой 4 группы Периодической системы. История открытия химических элементов IVA группы.

На внешней электронной оболочке атомов этих элементов имеется 4 электрона и их электронную конфигурацию в общем виде можно записать так: ns2np2, где n - это номер периода, в котором расположен химический элемент. При переходе сверху вниз по группе неметаллические свойства ослабляются, а металлические возрастают, поэтому углерод и кремний - это неметаллы, а олово и свинец проявляет свойства типичных металлов. Образуя ковалентные полярные связи с атомами водорода, C и Si проявляют формальную степень окисления -4, а с более активными неметаллами (N, O, S) и галогенами проявляют степени окисления +2 и +4.

При выяснениии механизма реакций иногда используют изотоп углерода 13С (метод меченных атомов). Поэтому полезно знать, что распространненость изотопов углерода: 12С % и 13С %. Если ограничиться перечислением изотопов, распространенность которых более 0.01 %, то у кремния таких изотопа 3, у германия - 5, у олова - 10, у свинца 4 стабильных изотопа. При обычных условиях углерод может существовать в виде двух аллотропных модификаций: алмаза и графита; сверхчистый кристаллический кремний - полупроводник.

Первый потенциал ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность по Полингу атомов элементов IVA группы. Из соединений элементов (Э) подгруппы углерода с водородом рассмотрим соединения типа ЭН4. С увеличением заряда ядра атома Э стабильность гидридов уменьшается. При переходе от C к Pb устойчивость соединений со степенью окисления +4 уменьшается, а с +2 - увеличивается. У оксидов ЭО2 уменьшается кислотный характер, а у оксидов ЭО увеличивается основной характер.

Углерод в природе встречается в виде алмаза и графита. В ископаемых углях его содержится: от 92 % - в антраците, до 80 % - в буром угле. В связном состоянии углерод встречается в карбидах: CaCO 3 мел, известняк и мрамор, MgCO 3 ·CaCO 3 - доломит, MgCO 3 - магнезит. В воздухе углерод содержится в виде углекислого газа (0.03 % по объему). Содержится углерод и в соединениях, растворенных в морской воде. Углерод входит в состав растений и животных, содержится в нефти и природном газе. В реакциях с активными неметаллами углерод легко окисляется: C+O 2 =CO 2 2C+O 2 =2CO C+2S=CS 2 C+2F 2 =CF 4 Углерод может проявлять восстановительные свойства и при взаимодействии со сложными веществами: C+2CuO=Cu+Co 2 C+2H 2 SO 4(конц.) =CO 2 +2SO 2 +H 2 O 2C+BaSO 4 =BaS+2CO 2

В реакциях с металлами и менее активными неметаллами углерод - окислитель: 2C+H 2 =C 2 H 2 C+Si=SiC 2C+Ca=CaC 2 3C+4Al=Al 4 C 3 Карбид алюминия является истинным карбидом: всеми четырьмя валентными связями каждый атом углерода связан с атомами металла. Карбид кальция является ацетиленидом, так как между углеродными атомами имеется тройная связь. Поэтому при взаимодействии карбидов алюминия с водой выделяется метан, а при взаимодействии карбида кальция с водой - ацетилен 4Al 4 C 3 +12H 2 O=4Al(OH) 3 +3CH 4 CaC 2 +2H 2 O=Ca(OH) 2 +C 2 H 2 Каменный уголь используется как топливо, применяется для получения синтез-газа. Из графита делают электроды, графитовые стержни используется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Алмазы используют для изготовления режущих инструментов, абразивов, ограненные алмазы (бриллианты) являются драгоценными камнями.

Кремний в природе встречается только в связанном виде в форме кремнезема SiO2 и различных солей кремниевой кислоты (силикатов). Он второй (после кислорода) по распространенности в земной коре химический элемент (27.6%). В 1811 г. французы Ж.Л.Гей-Люссак и Л.Ж.Тенер получили буро- коричневое вещество (кремний) по реакции: SiF 4 +4K=4KF+Si и лишь в 1824 г. швед Й.Берцелиус, получив кремний по реакции: K 2 SiF 6 +4K= 6 KF+Si доказал, что это новый химический элемент. Сейчас кремний получают из кремнезема: SiO 2 +2MgSi+2MgO 3SiO 2 +4AlSi+2Al 2 O 3 восстанавливая его магнием или углеродом. Получается он и при разложении силена: SiH 4 =Si+2H 2 В реакциях с неметаллами кремний может окисляться (т.е. Si-восстановитель): Si+O 2 =SiO 2 Si+2F 2 =SiF 4 Si+C =SiC Кремний растворим в щелочах: Si 2 NaOH+H 2 O=Na 2 SiO 3 +2H 2 нерастворим в кислотах (кроме плавиковой). В реакциях с металлами кремний проявляет окислительные свойства: 2Mg+Si=Mg 2 Si

При разложении соляной кислотой силицида магния получается силан: Mg 2 Si+4HCl=2MgC 12 +SiH 4 Кремний используется для получения многих сплавов на основе железа, меди и алюминия. Добавление кремния в сталь и чугун улучшает их механические свойства. Большие добавки кремния придают сплавам железа кислотоустойчивость. Сверхчистый кремний является полупроводником и используется для изготовления микросхем и в производстве солнечных батарей. Типичные степени окисления элементов группы IVA в различных соединениях.

Ge Твердый металлоподобный германий (с атомной кристаллической решеткой) Рассеян в земной коре, рудных месторождений не образует, входит в состав сульфидных минералов, содержащих железо и цинк

Sn Твердые модификации: а) белое олово б) серое олово Касситерит (оловянный камень SnO 2 )

Pb Твердый серебристо- белый мягкий металл Галенит (свинцовый блеск PbS)

В 1867 г. Менделеев был назначен профессором химии Петербургского университета. Заняв кафедру химии столичного университета, он стал главой университетских химиков в России и инициатором создания Русского химического общества (1868 г.). В 1868 г. Менделеев начал работать над учебником "Основы химии". Он писал, что его цель - "познакомить учащихся с основными данными и выводами химии в общедоступном научном зложении, указать на значение этих выводов для понимания как природы вещества и явлений вокруг нас совершающихся, так и тех применений, которые получила химия в сельском хозяйстве, технике". В процессе работы над второй частью учебника в феврале 1869 г. Менделеев сформулировал Периодический закон и предложил наиболее совершенную форму его воплощения в виде таблицы, которую он назвал "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве". В течение двух лет Менделеев работал над развитием и углублением открытого закона и готовил обобщающую статью "Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов". Менделеев предсказал существование экаалюминия (был открыт в 1875 г. французом Лекоком де Буабодраном и назван галлием), экабора (был открыт в 1879 г. шведом Л.Ф.Нильсоном и назван скандием) и экасилиция (был открыт в 1886 г. немцем К.А.Винклером и назван германием). К середине 80-х годов XIX в. Периодический закон был признан всеми учеными и вошел в арсенал науки как один из важнейших законов природы. Изучая газы, Менделеев (в 1874 г.) уточнил уравнение состояния для идеальных газов (уравнение Клапейрона-Менделеева).В 1877 г. Менделеев высказал гипотезу о происхождении нефти из карбидов тяжелых металлов и предложил принцип дробной перегонки при переработке нефти, в 1888 г. - выдвинул идею о подземной газификации углей, в 1891 г. - разработал технологию изготовления нового типа бездымного пороха. Выдающийся русский химик, автор Периодического закона - родился в г. Тобольске, там же он закончил гимназию, а в 1850 г. был принят в Петербургский главный педагогический институт на физико-математический факультет. После защиты диссертации Менделеев в 1857 г. был назначен приват-доцентом. В 1859 г. он уехал заграничную командировку в Германию на два года, где работал в Гейдельберге у Бунзена, принял участие в работе Международного химического конгресса в Карлсруэ. После возвращения в Петербург Менделеев вел большую научную и преподавательскую деятельность, в 1865 г. защитил докторскую диссертацию, в которой была изложена его гидратная теория растворов и выдвинута идея о возможности существования в растворах соединений переменного состава.