Общая характеристика элементов подгруппы углерода.

Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать. Уже у германия проявляются металлические свойства, а у олова и у свинца они преобладают над неметаллическими. Таким образом, углерод и кремний относят к неметаллам, германий причисляют как к металлам, так и к неметаллам, а олово и свинец - металлы.

Германий по внешнему виду похож на металлы, но хрупок. Как и кремний, германий принадлежит к полупроводникам, т. е. к веществам, занимающим промежуточное положение между непроводниками электрического тока, или изоляторами (многие неметаллы), и проводниками (металлы). В качестве полупроводника германий широко применяется в радиоэлектронике.

Простые вещества, образованные оловом и свинцом- следующими элементами подгруппы, проявляют уже все типичные свойства металлов: металлический блеск, высокую электрическую проводимость и теплопроводность, пластичность. Как правило, олово и свинец образуют соединения, в которых они проявляют степени окисления +2 и +4. На внешнем энергетическом уровне атомов элементов главной подгруппы IV группы содержатся четыре электрона: два спаренных s-электрона и два неспаренных р-электрона. Поэтому при образовании соединений атомы этих элементов могут или отдавать все четыре электрона, проявляя высшую степень окисления +4, или принимать четыре электрона, проявляя при этом степень окисления -4.

Среди элементов IV группы наибольшее значение имеют углерод, входящий в состав всех живых организмов, и кремний - важнейший элемент земной коры.

Двухвалентные соединения для кремния менее характерны, чем для углерода. Это связано с меньшим значением энергии возбуждения атомов кремния благодаря большей удаленности наружных электронов от ядра. При обычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически не взаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами.

При обычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически не взаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами. Исключение составляет аморфный кремний, реагирую­щий с фтором.

При нагревании углерод и кремний взаимодействуют с галоге­нами, с элементами подгруппы серы, азотом, водородом и многими металлами. В последнем случае образуются соединения, называ­емые карбидами и силицидами. С углеродом и кремнием взаимо­действуют лишь некоторые кислоты, являющиеся сильными окис­лителями. Например, в присутствии окислителей (KClO3, MnO­2) аморфный углерод растворяется в концентрированных азотной и серной кислотах при нагревании. Кремний же растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 18HF + 4HNO­3 = 3H2SiF6 + 4NO + 8Н2О

Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выде­лением водорода:

Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2­

С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких тем­пературах:

С + Н2О ®¬ СО + Н2

Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2

Первая из этих реакций имеет большое практическое значение. Она лежит в основе процесса газификации твердого топлива.

Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодейству­ет с водородом:

С + 2Н2 = СН4

Реакция осуществляется при нагревании в присутствии ката­лизатора (мелкий раздробленный никель). Продукт взаимодействия — метан — является первым членом ряда предельных угле­водородов, состав которых выражается формулой CnH2n+2.

Аналогично углероду кремний тоже образует с водородом со­единения, но они менее устойчивы. Надежно идентифицированы только шесть низших гомологов предельного ряда. Их называют силанами. Простейший представитель моносилан SiH4 имеет строе­ние, аналогичное СН4. Силаны - крайне реакционноспособные соединения, воспламеняющиеся на воздухе. Низкая прочность связи Si—Si (DH = -220 кДж/моль) по сравнению со связью С—С (DH = -340 кДж/моль) обусловила возможность образова­ния лишь ограниченного числа силанов по сравнению с углево­дородами.

Склонность углерода к образованию полимерных цепей объясняет то обстоятельство, что он в обычных условиях тверд, нелетуч и химически инертен.

Copyright © 2024 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru