«Элементы подгруппы углерода» (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙУНИВЕРСИТЕТ»

«ЭЛЕМЕНТЫ ПОДГРУППЫ УГЛЕРОДА»

(учебно-методическое пособие)

Ростов-на-Дону

2010

Рыбальченко -методическое пособие «Химия элементов подгруппы углерода». Ростов-на-Дону, 2010 г. - 70с.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 1 курса химического факультета университета, изучающих курс «Неорганической химии».

Пособие написано в соответствии с программой по химии; на модульной основе с диагностико-квалиметрическим обеспечением.

Учебно-методическое пособие содержит информацию по методике изучения одного из разделов неорганической химии – «Химия элементов подгруппы углерода». Пособие разбито на 7 модулей. В каждом модуле содержится: а) комплексная цель модуля; б) теоретическая часть (содержание модуля); в) проектное задание; г) тест рубежного контроля. В конце пособия указан список литературы.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Модуль 1. Общая характеристика подгруппы, получение и

свойства простых веществ 7

1.1 Содержание модуля 7

1.1.1 Простые вещества 10

1.1.2 Химические свойства простых веществ. 13

1.2 Проектное задание 16

1.3 Тест рубежного контроля 17

Модуль 2. Водородные соединения, гидриды и их производные 18

2.1 Содержание модуля 18

2.1.1 Водородные соединения элементов подгруппы углерода 18

2.1.2 Карбиды 20

2.1.3 Силициды 22

2.1.4 Германиды, станниды, плюмбиды 23

2.2 Проектное задание 23

2.3 Тест рубежного контроля 24

Модуль 3. Оксид углерода (IV), угольная кислота и их соли 25

3.1 Содержание модуля 25

3.2 Проектное задание 28

3.3 Тест рубежного контроля 28

Модуль 4. Диоксид кремния, кремниевые кислоты и их соли 29

4.1Содержание модуля 29

4.2 Проектное задание 37

4.3 Тест рубежного контроля 37

Модуль 5. Диоксиды германия(IV), олова(IV) и свинца (IV).

Германиевые, оловянные и свинцовые кислоты и их соли 38

5.1 Содержание модуля 38

5.2 Проектное задание 43

5.3 Тест рубежного контроля 43

Модуль 6. Оксиды Э(II), гидроксиды Э(II) и их соли 44

6.1 Содержание модуля 44

6.1.1 Оксид углерода (II) и оксид кремния (II) 44

6.1.2 Оксиды германия, олова и свинца (II) 46

6.2 Проектное задание 49

6.3 Тест рубежного контроля 50

Модуль 7. Галогениды, сульфиды, серосодержащие и

азотсодержащие соединения 50

7.1 Содержание модуля 51

7.1.1 Галогениды элементов подгруппы углерода 52

7.1.2 Соединения с серой 64

7.1.3 Азотсодержащие соединения 66

7.2 Проектное задание 68

7.3 Тест рубежного контроля 68

Список литературы 69

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебно-методическое пособие предназначено для более детального изучения и разъяснения вопросов широкого круга, связанных с химией углерода, кремния, германия, олова и свинца. Пособие разбито на 7 модулей.

Модуль № 1 посвящен вопросам общей характеристике всей подгруппы углерода на основе строения атомов, изменения радиусов, потенциалов ионизации, энергии сродства к электрону и изменения электроотрицательности. Кроме этого, рассматриваются физические свойства простых веществ, образованных атомами данных химических элементов, аллотропные модификации; химические свойства углерода, кремния, германия, олова и свинца, их взаимодействие с водой, кислотами и щелочами, отношение к другим простым веществам.

В модуле № 2 рассматривается строение водородных соединений элементов подгруппы углерода, оценивается изменение длины связи Э-Н, прочности связи, термодинамическая стабильность водородных соединений углерода, кремния и гидридов германия, олова и свинца; описываются физические свойства водородных соединений, химические свойства как водородных соединений, так и их производных – карбидов, силицидов, германидов, станнидов и плюмбидов.

Модули 3,4 и 5 содержат сведения об оксидах углерода, кремния, германия, олова и свинца в степени окисления (+4), соответствующих гидроксидах и их солях; приводятся способы получения оксидов и гидроксидов; описываются их физические свойства; давается характеристика кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов и характеристика окислительно-восстановительных свойств. В связи с тем, что модуль №3 очень обширен, то вопросы, практические задания и тест рубежного контроля даются не к модулю в целом, а к каждому подразделу модуля в отдельности.

Модуль № 6 содержит сведения об оксидах и гидроксидах элементов подгруппы углерода в степени окисления +2), их получении и физических свойствах; сравниваются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства оксидов и гидроксидов (II).

Модуль № 7 содержит подробное описание галогенидов, более краткое описание сульфидов, серо - и азотсодержащих соединений элементов подгруппы углерода.

Научное обоснование методики изучения данного раздела:

данное пособие предназначено для более углубленного изучения материала раздела неорганической химии – «Химия элементов подгруппы углерода», который дается в курсе соответствующих лекций; для самоподготовки к семинарским занятиям; для самостоятельной подготовки к лабораторным занятиям по темам - «Соединения углерода»; «Соединения кремния»; «Соединения подгруппы германия».

Методика выполнения деятельности: а) прочитать материалы соответствующего лекционного материала; б) прочитать содержание учено-методического пособия «Химия элементов подгруппы углерода»; в) выполнить проектное задание соответствующего модуля; г) ответить на вопросы теста рубежного контроля.

Модуль 1. Общая характеристика подгруппы, получение и свойства простых веществ.

Комплексная цель модуля: изучение строения атомов элементов подгруппы углерода; научиться давать общую характеристику подгруппы на основе строения атомов и положения в периодической системе ; знать физические свойства простых веществ; описывать химические свойства простых веществ, используя уравнения химических реакций.

1.1 Содержание модуля

Общая характеристика подгруппы. Физические свойства простых веществ.

Главная подгруппа четвертой группы периодической системы включает в себя типические элементы (углерод С, кремний Si) и элементы подгруппы германия (германий Ge, олово Sn, свинец Pb).

Элементы подгруппы углерода имеют четыре валентных электрона. Общая электронная формула ns2np2. Углерод и кремний имеют предвнешнюю электронную оболочку соответствующих благородных газов: 1s2 и 2s22p6. Элементы подгруппы германия на предвнешней оболочке содержат 18 электронов. Все основные характеристики атомов элементов подгруппы углерода приведены в таблице.

Общая характеристика углерода.

Это элемент IV группы второго периода. Электронное строение атома 1s22s22p2. На валентном уровне число электронов совпадает с числом орбиталей и это приводит к тому, что в соединениях с ковалентным характером связи атом углерода стремится быть четырехвалентным, образуя четыре ковалентных связи по обменному механизму. Это могут быть и s-, и p-связи, которые весьма прочны, как и у всех элементов II периода. У углерода нет предпочтения ни к тем, ни к другим.

У углерода не высокая и не низкая ЭО, поэтому для него весьма характерно образование прочных гомоатомных связей. Эти связи прочны еще и потому, что они короткие и не дестабилизируются межэлектронным расталкиванием, как, например, у кислорода или азота. Отсюда - огромное разнообразие органических соединений.

Согласно электронному строению атома углерода, степени окисления его лежат в интервале от –4 до +4, и в этом диапазоне для углерода возможны все степени окисления, причем в одном и том же соединении могут быть атомы углерода в разных степенях окисления. Соединения углерода весьма разнообразны, особенно если учесть органические соединения. У углерода, подобно азоту, невозможно выделить самую устойчивую степень окисления.

1.1.1 Простые вещества.

По содержанию в земной коре (0,14 ат.%) углерод уступает многим элементам. Тем не менее, углерод – главная составная часть животного и растительного мира. Он входит в состав каменного угля, нефти, природных газов, а также многих минералов: мел, мрамор, известняк CaCO3, доломит CaCO3 · MgCO3, магнезит MgCO3, сидерит FeCO3, малахит (CuOH)2CO3 и др. В виде углекислого газа присутствует в воздухе.

Аллотропия углерода. В свободном состоянии в природе углерод встречается в виде четырех простых веществ различного строения – графита, алмаза (структуры которых представлены на рис.1), карбина и фуллерена.

Рис.1 Кристаллические структуры алмаза (а) и графита (б)

Алмаз – бесцветное, прозрачное вещество с плотностью 3,5 г/см3. Он сильно преломляет лучи, не электропроводен, хрупок, плохо проводит тепло, является самым твердым из минералов. За счет sp3 – гибридизации каждый атом в алмазе образует четыре равноценные и прочные ковалентные σ- связи с соседними атомами углерода, что объясняет высочайшую твердость и отсутствие электропроводности в обычных условиях.

Графит – мягкое слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой, серовато-черного цвета, мягкий, жирный на ощупь, с плотностью 2,2 г/см3. Легко царапается ногтем и при трении оставляет черные полосы на бумаге. Хорошо проводит тепло и электрический ток, не пропускает свет, подобно металлам, отражая его своей поверхностью. Атомы углерода в графите расположены в вершинах правильных шестиугольников, расположенных в параллельных слоях. Расстояние между соседними слоями (93,4 Аº) больше, чем расстояние между атомами углерода в плоскости (1,415 Аº), вследствие чего связь между атомами в слоях гораздо прочнее, чем связь между атомами в различных слоях. sp2 – гибридное состояние «слоевых» атомов стабилизируется делокализованной π-связью, образованной оставшимися валентными электронами.