«Элементы подгруппы углерода» (стр. 3 )

1. Исходя из теории валентных связей, укажите, какие гибридные состояния валентных орбиталей и соответствующие им координационные числа характерны для углерода?
а) sp-состояние; к. ч.= 2	б) sp-состояние; к. ч.= 3
в) sp2-состояние; к. ч.= 2	г) sp2-состояние; к. ч.= 3
д) sp3-состояние; к. ч.= 4	е) sp3d2-состояние; к. ч.= 6
2. При нагревании элементов подгруппы углерода с кислородом образуются следующие оксиды:
а) СО2	б) SiO3	в) SiO
г) GeO	д) SnO2	е) PbO
3. Вычислить ΔGo298 для реакций Э(к) + ЭО2(к) = 2ЭО(к) и определить, в каком направлении они протекают? (Э = Ge, Sn, Pb)
а) +47 кДж/моль, влево; - 6,1 кДж/моль, практически устанавл. равновесие; - 159,9 кДж/моль, вправо;	б) - 47 кДж/моль, вправо; - 6,1 кДж/моль, практически устанавл. равновесие; - 159,9 кДж/моль, влево
в) +47 кДж/моль, влево; - 600,1 кДж/моль, влево; + 159,9 кДж/моль, вправо	г) +47 кДж/моль, влево; + 66,1 кДж/моль, влево; + 159,9 кДж/моль, влево
4. С какими из перечисленных веществ взаимодействует углерод?
а) соляная кислота	б) азотная кослота
в) раствор гидроксида калия	г) оксид кальция
5. С какими из перечисленных веществ взаимодействует кремний?
а) царская водка	б) азотная кослота
в) раствор гидроксида калия	г) хлор
6. С какими из перечисленных веществ взаимодействует германий?
а) царская водка	б) фтор
в) раствор гидроксида калия	г) плавиковая кислота
7. С какими из перечисленных веществ взаимодействует свинец?
а) соляная кислота (на холоду)	б) азотная кослота
в) раствор гидроксида калия	г) уксусная кислота

Бланк ответов

№	1	2	3	4	5	6	7
а)
б)
в)
г)
д)
е)

Модуль 2. Водородные соединения, гидриды и их производные

Комплексная цель модуля: знать строение водородных соединений элементов подгруппы углерода, оценивать изменение длины связи Э-Н, прочность связи, термодинамическая стабильность гидридов; описывать физические свойства водородных соединений; давать характеристику химическим свойствам, как водородных соединений, так и их производным (с уравнениями реакций).

2.1 Содержание модуля.

2.1.1 Водородные соединения элементов подгруппы углерода

Гидриды состава ЭН2 не характерны.

Углерод, кремний и германий (в меньшей степени) образуют с водородом соединения, относящиеся к типу ковалентных гидридов. Углеводороды являются наиболее стабильными, так как перекрывание малых по размеру валентных орбиталей максимально, различие в электроотрицательностях углерода и водорода невелико, поэтому образуются прочные ковалентные связи С−Н.

При переходе к Si, Ge, Sn и Pb ионный вклад в связь Э−Н увеличивается, длина связи возрастает, прочность связи уменьшается, термодинамическая стабильность гидридов олова и особенно свинца очень мала.

Прямой синтез метана (простейшего углеводорода) можно осуществить только в присутствии катализатора, например мелкодисперсного никеля. Бесконечное разнообразие соединений – углеводородов или веществ, содержащих углеводородные радикалы – объясняется способностью углерода к образованию бесконечных линейных и разветвленных цепочек (−С−С−, >С=С< и −C≡C−) замыканию их в циклы с одинарными или кратными связями между атомами углерода как в гомоатомных, так и в гетероатомных соединениях (ароматические соединения с делокализованными π-связями).

Сам метан не реагирует с водой, кислотами и щелочами, с кислородом взаимодействует только при поджигании. Ненасыщенные углеводороды являются более реакционноспособными, чем углеводороды ряда метана. Их примеси могут служить причиной самовоспламенения болотного газа (метана) в природных условиях.

Смесь водородных соединений кремния – кремневодороды гомологического ряда SinH2n+2 или силаны – образуются при действии разбавленной соляной кислоты на силициды магния, кальция, лития. Реакция сопровождается вспышками и образованием белого дыма. Вспышки обусловлены самовоспламенением высших силанов на воздухе, а белый дым – это диоксид кремния. Простейшим водородным соединением является моносилан, применительно к нему уравнения реакций выглядят следующим образом:

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4,

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O.

По составу (SiH4, Si2H6, Si3H8 до Si6H14) и физическим свойствам силаны проявляют сходство с соответствующими углеводородами. В обычных условиях SiH4 и Si2H6 газообразны, Si3H8 – жидкость, Si4H10 и др. – твердые вещества. Поскольку связи Si−H и Si−Si слабее, чем С−Н и С−С, кремневодороды менее устойчивы и более реакционноспособны, чем углеводороды. Все силаны обладают резким запахом и весьма ядовиты.

Силаны проявляют сильные восстановительные свойства. С галогенами при комнатной температуре они взаимодействуют со взрывом, очень медленно взаимодействуют с парами воды:

SiH4 + Cl2 = HCl + SiH3Cl;

SiH4 + 2H2O = SiO2 +4H2.

Германий и олово с водородом непосредственно не взаимодействуют, их водородные соединения получают косвенным путем. Гидриды Э(+4) выделяются при действии разбавленных кислот на некоторые германиды и станниды:

Mg2Э + 4HCl = 2MgCl2 + ЭH4.

Существует гомологический ряд германоводородов GenH2n+2 вплоть до декагермана.

В ряду SiH4 (силан) – GeH4 (герман) – SnH4 (станнан) – PbH4 (плюмбан) устойчивость соединений понижается. Последний настолько неустойчив, что о его существовании судят только по косвенным признакам.

2.1.2 Карбиды

С менее электроотрицательными элементами углерод дает соединения, которые называют карбидами. Их можно разделить на 3 группы.

Ионно-ковалентные карбиды (солеподобные) – к ним относят метаниды и ацетилениды. Метаниды можно рассматривать как производные метана, содержащие ион С−4 , например карбид бериллия Be2C или карбид алюминия Al4C3, тугоплавкие кристаллические вещества, которые реагируют с разбавленными кислотами с выделением метана:

Al4C3 + 12HCl = 4AlCl3 + 3CH4↑.

Ацетилениды являются производными ацетилена состава М+12 С2, М+2С2 и М+32 (С2)3, содержат ион С2−2 (где М – это s - и d-металлы I и II группы периодической системы или Al+3). Ацетилениды детонируют даже в сухом виде, разлагаются водой и разбавленными кислотами:

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 .

Солеподобные карбиды получают при взаимодействии оксидов металлов с графитом при высокой температуре:

CaO + 3C = CaC2 + CO↑; 2 Al2O3 +9C = Al4C3 + 6CO.

Ацетилениды можно получить обменным взаимодействием ацетилена с солью соответствующего металла.

Металлоподобные карбиды – это карбиды d-металлов IV – VIII групп нестехиометрического состава, который изменяется в широких пределах; проявляют металлические свойства: металлический блеск, высокую твердость, высокие температуры плавления. Карбиды титана, ванадия, ниобия, молибдена и вольфрама характеризуются еще и высокой коррозионной устойчивостью.

Металлоподобные карбиды получают непосредственным взаимодействием металлов или их оксидов с углеродом в электропечах при высокой температуре:

3Fe + C = Fe3C; V2O5 + 7C = 2VC + 5CO.

Карбиды состава M3C (где металл имеет небольшой радиус) термически и химически менее устойчивы, например, разлагаются разбавленными кислотами, выделяя смесь углеводородов с достаточно длинными цепями.

Ковалентные карбиды с атомной кристаллической решеткой – B4C и SiC – продукты частичного замещения атомов углерода в структуре алмаза на атомы бора или кремния. Карбид бора очень тверд, царапает алмаз, химически достаточно инертен. Карборунд по твердости близок к алмазу, но более хрупок, химически стоек и окисляется кислородом только при температуре свыше 1000ºС. При сплавлении со щелочью в присутствии кислорода карборунд разрушается с образованием карбоната и силиката. SiC растворяется только в смеси концентрированных плавиковой и азотной кислот, в царской водке.

Такие карбиды получают в электропечах при очень высокой температуре из смесей соответственно SiO2 или B2O3 с коксом, графитом или сажей.

Применение. Металлические карбиды придают сталям и чугунам твердость, износоустойчивость. Карбиды вольфрама и тантала используют для изготовления режущих инструментов и получения сверхтвердых сплавов. Карборунд используют как абразивный материал, как компонент огнеупорных материалов, в качестве стержней сопротивления в электронагревательных приборах.

2.1.3 Силициды

Силициды формально можно рассматривать как продукты замещения водорода в соответствующих гидридах кремния на атомы других элементов.

Ионно-ковалентный тип связи существует в силицидах, образованных щелочными и щелочно-земельными металлами и d-металлами I и II групп, например Ca2Si, CaSi, CaSi2. Такие солеподобные силициды химически неустойчивы, разлагаются водой, щелочами и особенно кислотами; являются проводниками: