«Элементы подгруппы углерода» (стр. 2 )

Карбин – черный мелкокристаллический порошок с плотностью 1,9 – 2 г/см3, обладает полупроводниковыми свойствами (ΔЕ ≈ 1 эВ). Под действием света его полупроводниковые свойства значительно возрастают. Решетка карбина гексагональная, построена из прямолинейных цепочек Сn двух типов - различают α-карбин (−С ≡ С−С ≡ С−) и β-карбин (=С=С=С=С=).

Фуллерены – эта аллотропная модификация углерода обнаружена в конце ХХ в. Шарообразные С60 или дынеобразные С70 полые молекулы, поверхность которых состоит из пяти - и шестиугольников из атомов углерода

Кремний. По распространенности на Земле кремний (20 ат.%) уступает только кислороду, но содержится в основном в виде кислородных соединений. Земная кора более чем на половину состоит из кремнезема SiO2, силикатных и алюмосиликатных пород.

В связи с тем, что наиболее характерным типом гибридизации валентных орбиталей атома кремния является sp3-гибридизация, то наиболее устойчивой будет алмазоподобная (кубическая) модификация. Она тугоплавка, отличается высокой твердостью, но уступает по этим свойствам алмазу. Из-за частичной делокализации связи эта модификация имеет темно-серый цвет и металлический вид. При комнатной температуре кремний - полупроводник (ΔЕ ≈ 1,12 эВ).

Гексагональная (графитоподобная) модификация кремния неустойчива.

В парах углерод и кремний содержат двухатомные молекулы, которые при охлаждении разрушаются и переходят в твердую фазу с алмазоподобной структурой.

Германий – тугоплавкое твердое вещество серебристо-белого цвета, по внешнему виду очень похож на металл, но имеет алмазоподобную решетку, поэтому очень хрупкий. Германий обладает высоким удельным сопротивлением, которое уменьшается при увеличении температуры.

Олово проявляет полиморфизм. Выше температуры 13,2ºС устойчивой является β- модификация, так называемое «белое» олово (плотность 7,3 г/см3) – серебристо-белый блестящий легкоплавкий металл тетрагональной структуры с октаэдрической координацией атомов. При охлаждении ниже 13,2ºС белое олово переходит в α-модификацию (серое олово) со структурой типа алмаза (ρ = 5,8 г/см3). Этот переход сопровождается увеличением удельного объема на 25,6 %, поэтому олово рассыпается в порошок. При нагревании белого олова выше 161ºС образуется третья модификация олова – γ-форма.

Свинец – темно-серый металл с синеватым оттенком, блести на свежем срезе, легкоплавкий, очень мягкий, ковкий и пластичный. Имеет типичную для металлов структуру гранецентрированного куба.

Некоторые свойства простых веществ приведены в таблице.

Таким образом, закономерное изменение в строении простых веществ, проявляется в изменении их физических свойств – в ряду Ge – Sn – Pb усиливаются металлические свойства простых веществ.

	С, алмаз	Si	Ge	Β-Sn, (к. ч. = 6)	Pb, (к. ч. = 12)
Плотность, г/см3	3,51	2,3	5,3	7,2	11,34
Т. пл., ºС	3500 (р)	1412	937	231	327
Т. кип., ºС	-	2480	2700	2200	1740
ΔЕ, эВ	5,6	1,12	0,78	металлы
dЭЭ, Аº	1,54	2,34	2,44	3,16	3,50
ΔНº 298 (возг.), кДж/моль	716	469	383	301	196
Твердость (по алмазу)	10	7	6	-	-

1.1.2 Химические свойства простых веществ.

Химические свойства углерода.

В обычных условиях углерод (особенно алмаз) очень инертен и вступает во взаимодействие только с очень энергичными окислителями. При нагревании химическая активность углерода повышается. В аморфном виде уголь и кокс легко горят на воздухе, образуя CO2. При недостатке кислорода углерод окисляется только до СО. Алмаз способен гореть лишь в чистом кислороде при 700 - 800ºС. Эта способность углерода окисляться при нагревании используется при восстановлении многих металлов из их оксидов.

C + 2F2 = CF4;

C + O2 = CO2;

2C + O2 = 2CO;

C галогенами углерод непосредственно не соединяется (за исключением фтора). Соответствующие соединения получают косвенным путем. Четыреххлористый углерод получают пропусканием хлора через сероуглерод при 60ºС в присутствии катализатора FeS:

CS2 + 2Cl2 = CCl4 + 2S.

При высокой температуре углерод взаимодействует с серой, азотом и кремнием:

C + 2S = CS2;

2C + N2 = C2N2 или (СN)2;

C + Si = SiC.

С металлами углерод реагирует при высоких температурах, образуя карбиды. Карбиды также можно получить при взаимодействии угля с оксидами металлов:

3C + CaO = CaC2 + CO.

Углерод взаимодействует и с оксидами других металлов при нагревании:

C + 2PbO = 2Pb + CO2.

Углерод растворяется только в кислотах-окислителях при нагревании:

С + 2H2SO4 (конц.) = CO2↑+ 2SO2↑+ 2H2O;

C + 4HNO3 (конц.) = CO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O.

Химические свойства кремния.

Кристаллический кремний – химически инертное вещество. Более высокая активность у кремния аморфного. Так например, последний взаимодействует со фтором при обычных условиях: Si + 2F2 = SiF4.

При повышенных температурах кремний реагирует со многими другими неметаллами:

400ºС: Si + 2Cl2 = SiCl4;

600ºС: Si + O2 = SiO2;

1000ºС: 3Si + 2N2 = Si3N4;

2000ºС : Si + C = SiC.

Окислительные свойства кремний проявляет только по отношению к некоторым металлам, например, 2Mg + Si = Mg2Si.

С водородом непосредственно кремний не взаимодействует, водородные соединения получаются косвенным путем.

Кислоты на кремний при обычных условиях не действуют за исключением плавиковой кислоты, которая растворяет защитную оксидную пленку за счет комплексообразования. Поэтому, в отсутствии плавиковой кислоты, кислоты-окислители не реагируют с кремнием:

Si + 6HF (конц.) = H2[SiF6] + 2H2↑;

3Si + 4HNO3 (конц.) + 18HF = 3H2[SiF6] + 4NO↑ + 8H2O.

Кремний нерастворим в воде, но растворяется в водных растворах щелочей:

Si + 4NaOH (конц.) = Na2H2SiO4 + 2H2↑

Химические свойства Ge, Sn, Pb.

В обычных условиях Ge и Sn устойчивы по отношению к воздуху и воде. Свинец на воздухе тускнеет, покрываясь синевато-серой оксидной пленкой PbO, а в присутствии влаги взаимодействует с кислородом воздуха по реакции:

2PbO + O2 + 2H2O = 2Pb(OH)2.

При повышенных температурах Ge, Sn, Pb взаимодействуют с большинством неметаллов. При этом германий и олово образуют соединения в степени окисления (+4), а свинец – соединения (+2):

Ge + O2 = Ge O2 ; Ge + 2Cl2 = GeCl4;

Sn + O2 = SnO2; Sn + 2Cl2 = SnCl4;

Pb + O2 = PbO; Pb + 2Cl2 = PbCl2

В ряду напряжений германий расположен правее водорода (между медью и серебром), а олово и свинец непосредственно перед водородом. Поэтому германий не растворяется в разбавленных кислотах-неокислителях. Германий растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах только при нагревании, а в концентрированной азотной кислоте и в царской водке растворяется при обычной температуре:

Ge + 6HF = H2[GeF6] + 2H2;

Ge + 4H2SO4 (конц.) = Ge(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O;

Ge + 4HNO3 (конц.) = GeO2 + 4NO2↑ + 2H2O;

Ge + 4HNO3 (конц.) + 18HCl = 3H2[GeCl6] + 4NO↑ + 8H2O.

Олово легко вытесняет водород из кислот-неокислителей:

Sn + 3HCl = H[SnCl3] + H2.

Горячая серная кислота окисляет олово до Sn (+4):

Sn + 4H2SO4 (конц.) = Sn(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O.

Концентрированная азотная кислота окисляет олово до β-оловянной кислоты, в разбавленной азотной кислоте олово ведет себя как металл:

Sn + 4HNO3 (конц.) + x H2O = SnO2 ∙ x H2O↓+ 4NO2↑ + 2H2O;

4Sn + 4HNO3 (разб.) = 4Sn(NO3)2 + NH4NO3 + 3 H2O.

Свинец практически не растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах, так как на поверхности образуются малорастворимые соли PbCl2 и PbSO4:

Pb + 2HCl = PbCl2 ↓ + H2; Pb + 4HCl (конц.) = H2PbCl4 + H2;

Pb + H2SO4 = PbSO4 ↓ + H2; Pb + H2SO4 (ср. конц.) = Pb(HSO4)2 + H2

Легко растворяется свинец в уксусной кислоте в присутствии кислорода воздуха:

2Pb + 4CH3COOH + O2 = 2Pb(CH3COO)2 + 2H2O.

Концентрированная азотная кислота свинец пассивирует, в разбавленной азотной кислоте он легко растворяется:

3Pb + 8HNO3 (разб.) = 3Pb(NO3)2 + 2NO↑ +4H2O.

С растворами щелочей германий реагирует только в присутствии окислителей: олово и свинец, хотя и медленно, взаимодействуют с растворами щелочей с выделением водорода:

Ge +2NaOH + 2H2O2 = Na2[Ge(OH)6];

Sn + 4NaOH + 2H2O = Na4[Sn(OH)6] + H2↑;

Pb + 2NaOH + 2H2O = Na2[Sn(OH)4] + H2↑.

Еще раз обратим внимание на то, как проявляется стабилизация низшей степени окисления (+2) и дестабилизация высшей степени окисления (+4) в подгруппе углерода.

1.2 Проектное задание:

Объясните причины стабилизации и дестабилизации высших и низших степеней окисления в подгруппе углерода и объясните окислительно-восстановительные процессы, показав переходы электронов методом электронного баланса:

а) C + HNO3 (конц.) → CO2↑ + NO2↑ + H2O

б) Si + HNO3 (конц.) + HF → H2[SiF6] + NO↑ + H2O

в) Si + NaOH (конц.) → Na2H2SiO4 + H2↑

г) Ge + HNO3 (конц.) → GeO2 + NO2↑ + H2O

д) Sn + HNO3 (конц.) + H2O → SnO2 ∙ x H2O↓+ NO2↑ + H2O

е) Sn + HNO3 (разб.) → Sn(NO3)2 + NH4NO3 + H2O

ж) Pb + 8HNO3 (разб.) → Pb(NO3)2 + 2NO↑ +H2O

з) Ge +NaOH + H2O2 → Na2[Ge(OH)6]

и) Sn + NaOH + H2O → Na4[Sn(OH)6] + H2↑

1.3  Тест рубежного контроля:

Тест содержит 7 заданий, на выполнение которых отводится 5 минут. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его в бланке ответов любым значком (правильных ответов может быть несколько!)