Химия элементов. Лекция 1 Общая характеристика элементов IVA-группы. Углерод и кремний

Элементы IVА-группы CSiGeSnPb z ArAr 1228,172,6118,7207,2 2,502,252,021,721,55 НеметаллыАмфотерные элементы Рост металличности

Общая электронная формула: […] ns 2 (n–1)d 10 np 2 Валентные возможности: С: 2, 4; Si, Ge, Sn, Pb: 2 6 Степени окисления: –IV, 0, +II, +IV Устойчивые ст.ок.: С, Si, Ge, Sn: +IV (Pb IV – сильн.окисл.). Уст. ст.ок.: Pb: +II ns 2 np 2 nd 0

Оксиды элементов IVА-группы +IV CO 2 (г) уст. SiO 2 (т) уст. GeO 2 (т) уст. SnO 2 (т) уст. PbO 2 (т) с.окисл. Кислотные оксиды +II CO SiO GeO SnO PbO уст. Амфот. оксиды Несолеобр. оксиды Восстан. св-ва

Водородные соединения элементов IVА-группы СH 4 SiH 4 GeH 4 SnH 4 PbH 4 неуст. Устойчивость падает Склонность к катенации (образование цепей состава ЭЭЭЭЭ в ряду C Si Ge Sn Pb уменьшается

Простые вещества Аллотропия Углерод: алмаз (sp 3 ), графит (sp 2 ), карбин (sp), фуллерен. Олово «белое» и «серое». Структура алмаза и графита Олово белое Олово серое АлмазГрафит

Химические свойства При комн. темп. С, Si, Ge + H 2 O С, Si, Ge + H 3 O + Sn, Pb + H 2 O Sn + H 3 O + Sn 2+ + H 2 Pb + H 3 O + Pb 2+ + H 2 Кремний Свинец Олово Германий

Химические свойства С(т) + KOH Si + 4NaOH = Na 4 SiO 4 + 2H 2 Si + 8OH – –4e – = SiO 4 4– + 4H 2 O 2H 2 O + 2e – = H 2 + 2OH – Ge + 2KOH + 2H 2 O 2 = K 2 [Ge(OH) 6 ] Ge + 6OH – –4e – = [Ge(OH) 6 ] 2– H 2 O 2 + 2e – = 2OH – Sn + NaOH + 2H 2 O = Na[Sn(OH) 3 ] + H 2 Sn + 3OH – –2e – = [Sn(OH) 3 ] – 2H 2 O + 2e – = H 2 + 2OH –

Простые вещества Э IVA +Г2+Г2 ЭГ 2, ЭГ 4 (Sn, Pb) +O 2 ЭO, ЭO 2 (Sn, Pb) ЭS, ЭS 2 +S SiO 4 4– [Э(OH) 3 ] – + H 2 (Sn, Pb) H3O+H3O+ Э 2+ + H 2 (Sn, Pb) HNO 3 (конц) CO 2, Pb 2+, SnO 2 · nH 2 O OH – HNO 3 (разб) Sn 2+, Pb 2+

Распространение в природе и важнейшие минералы 2. Si 25,80% (27,72% в литосфере) 13. C 0,087% (0,032% в литосфере) 31. Sn 0,0035% 35. Pb 0,0018% 46. Ge 6 ·10 –4 % (РРЭ) Кремний: кварц, яшма, агат, опал, силикаты, алюмосиликаты КварцАметист Каолинит Агат Опал

Углерод: графит, алмаз, каменный уголь, нефть, природный газ, орг. в-ва, карбонаты Алмаз Графит КальцитГазодобыча Каменный уголь

Германий, олово и свинец Касситерит SnO 2 Галенит PbS Германит (Fe II Cu 6 I Ge 2 )S 8 Аргиродит (Ag 8 I Ge IV )S 6

Шкала степеней окисления углерода +IV +II 0 IV CO 2, CO 3 2, H 2 CO 3, Na 2 CO 3, CS 2, CF 4, CCl 2 O, C(NH 2 ) 2 O CO, HCN, C 2 F 4 C (графит, алмаз, карбин, фуллерен) СH 4, Be 2 C, Al 4 C 3, SiC

Графит Т. пл С, т. кип С, плотность 2,27 г/см 3, электропроводен, устойчив. Типичный восст-ль (реагирует с водородом, кислородом, фтором, серой, металлами). Кристаллическая решетка слоистая (sp 2 - гибридизация).

Алмаз Бесцветные прозрачные кристаллы, диэлектрик, ювелирный драгоценный камень (бриллиант), плотность 3,515 г/см 3. Крист. решетка атомная (sp 3 -гибридизация). Выше 1200 С переходит в графит. При прокаливании на воздухе сгорает.

Карбин и фуллерен Карбин: линейные макромолекулы (С 2 ) n, бесцветен и прозрачен, полупроводник; плотность 3,27 г/см 3 ; выше 2300 С переходит в графит. Фуллерен: С 60 и С 70 (полые сферы), темно- окрашенный порошок, полупроводник, т. пл C, плотность 1,7 г/см 3 (С 60 ). Фуллерен С 60 Фуллерен С 70

Карбиды Солеобразные (CaC 2, Al 4 C 3 ) CaC 2 + 2H 2 O = = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 Al 4 C H 2 O = = 4Al(OH) 3 + 3CH 4 Ковалентные (SiC) Металлоподобные (Fe 3 C, WC) Карбид кальция Карбид кремния Поверхность стали под микроскопом Резец из победита (сплав на основе WC)

Водородные соединения. Метан CH 4 СН 4 – газ без цвета и запаха, горюч, главная сост. часть природного газа. Получение в лаборатории: CH 3 COONa + NaOH (+t) = = Na 2 CO 3 + CH 4 Горение: CH 4 + O 2 = С + 2H 2 O CH 4 + 2O 2 (изб.) = = СO 2 + 2H 2 O sp 3

Монооксид углерода CO – несолеобразующий оксид Бесцветный газ, без запаха, легче воздуха, малорастворим в воде, т.кип. –191,5 С, ядовит («угарный газ»). Восстановительные свойства (t): 4CO + Fe 3 O 4 = 3Fe + 4CO 2 (пирометаллургия) EE св. * * 2p22p2 6С06С0 2p42p4 8O08O0

Монооксид углерода CO Донорные свойства: CO образует прочные комплексы, например [Fe(CO) 5 ]. Fe: C ::: O Обнаружение: PdCl 2 + CO + H 2 O = Pd + CO 2 + 2HCl I 2 O 5 + 5CO = I 2 + 5CO 2

Диоксид углерода CO 2 (кислотный оксид) Бесцветный газ, без запаха, тяжелее воздуха, умеренно растворим в воде (при комн. т-ре в 1 л воды – около 1,7 л CO 2 ). В тв. сост. («сухой лёд») – молекулярная крист. решетка; т. возгонки –78 С, т.пл. –57 С (р = 5 атм). OOС,, «Сухой лед» sp -гибридизация

Моногидрат CO 2. H 2 O и угольная кислота H 2 CO 3 В водном растворе: CO 2 (г) + H 2 O CO 2. H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 – слабая двухосновная кислота: H 2 CO 3 + H 2 O HCO 3 – + H 3 O + ; K K = 4,27 · 10 –7 HCO 3 – + H 2 O CO 3 2– + H 3 O + ; K K = 4,68 · 10 –11 Соли – карбонаты и гидрокарбонаты M 2 CO 3 и MHCO 3 подвергаются гидролизу (рН > 7). Термическое разложение гидрокарбонатов: 2NaHCO 3 = Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O Видеофрагмент

Строение: sp 2 -гибридизация C O HOOH Угольная кислота C O OOH – Гидрокарбонат-ион C O OO 2–2– Карбонат-ион

Карбамид и цианамид Синтез карбамида: NH 4 NCO (NH 2 ) 2 CO (+t) (Фридрих Вёлер, 1828 г.) Цианамид NH 2 CN и цианамид кальция Ca(CN 2 ) – соль цианамида H 2 (CN 2 ) C O H2NH2NNH 2 Карбамид sp 2 sp Цианамид-ион CN 2 2– (сравн. строение CO 2 ) C:N:NN:N: 2–2–..

Псевдогалогениды Циановодород HCN – бесцв.ж., т. пл. –13,3 С, т.кип. +25,6 С). В водн. р-ре – слабая «синильная кислота»: HCN + H 2 O CN – + H 3 O + ; K K = 4,93 · 10 –10 Цианид-ион CN : донорные св-ва, образует прочные комплексы, ядовит. Fe: C:::N – HCN – производное дициана C 2 N 2

Псевдогалогениды Тиоцианат водорода HNCS («родановодород») не ядовит. В водном растворе HNCS - сильная к-та Ион NCS : слабые донорные свойства Тиоцианат-ион NCS – (сравн. строение CO 2 ) C:N:NS:S: –.. sp CNS:S:.. H sp 2 sp : SCN – M: NCS – M тиоцианато-Nтиоцианато-S HNCS – производное дитиоциана (SCN) 2

Кремний Химическое растворение 3Si + 4HNO HF = 3H 2 [SiF 6 ] + 4NO + 8H 2 O Si + 4NaOH = Na 4 SiO 4 + 2H 2 Получение кремния SiO 2 + 2Mg = 2MgO + Si SiCl 4 + 2H 2 = Si + 4HCl (кремний ос.ч.)

Водородные соединения Si n H 2n+2 (силаны) Моносилан SiH 4 : SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O Получение силанов: SiO 2 + 4Mg(изб) = Mg 2 Si + 2MgO (силицид магния) Mg 2 Si + 4H 2 O = 2Mg(OH) 2 + SiH 4 Mg 2 Si + 4H 3 O + = 2Mg H 2 O + SiH 4 Видео: магниетермия и получение силанамагниетермияполучение силана Получение кремния и силана

Кислородные соединения Полиморфизм диоксида кремния: кварцтридимиткристобалитSiO 2(ж) (расплав) 573 С 1470 С 1728 С SiO 2 GeO 2 + H 2 O SiO 2 + 4NaOH(р) = Na 4 SiO 4 + 2H 2 O (ортосиликат натрия) GeO 2 + 2NaOH(т) = Na 2 GeO 3 + H 2 O (метагерманат натрия) SiO 2 GeO 2 + H 3 O +

Травление стекла SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O SiO 2 + 6HF (изб.) = H 2 [SiF 6 ] + 2H 2 O (гексафторосиликат водорода)

При подкислении водных растворов силикатов и германатов SiO 2. nH 2 O ( n 300) дикремниевая к-та H 6 Si 2 O 7 трикремниевая к-та H 6 Si 3 O 10, тетраметакремниевая к-та (H 2 SiO 3 ) 4, полиметакремниевая к-та (H 2 SiO 3 ) n GeO 2. nH 2 O H 4 SiO 4 K к 10 –10 H 2 GeO 3 K к 10 –9 Na 4 SiO 4 (р) + 2CO 2 + 2H 2 O = H 4 SiO 4 + 2Na 2 CO 3 Na 2 CO 3 + SiO 2 (т) = Na 2 SiO 3 (т) + CO 2 (сплавление)