Германий олово свинец общая характеристика

Металлы IV группы главной подгруппы (Ge, Sn, Pb)

Германий (Germanium)

Германий относится к числу элементов, которые сначала были предсказаны Д.И.Менделеевым и лишь затем открыты. Менделеев поместил элемент, названный им экасилицием, в подгруппу углерода.

В 1885 г. австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах, изучая состав нового минерала серебра, обнаружил, что в нем содержится около 7% какого-то неизвестного элемента. Вскоре немецкому ученому К.А.Винклеру удалось выделить его в виде простого вещества. Он назвал элемент германием в честь своей родины.

Германий встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и ее концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO2, который восстанавливают водородом при 600 до простого вещества: GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.

Германий – твердое хрупкое вещество серебристого цвета с металлическим блеском (tпл = 938 о С ), со структурой алмаза и свойствами полупроводника. При комнатной температуре он устойчив к действию воздуха, кислорода, воды, соляной и разбавленной серной кислот. Азотная и концентрированная серная кислота окисляют его до диоксида GeO2, особенно при нагревании: Ge + 2H2SO4 = GeO2↓ + 2SO2↑ + 2H2O

Германий взаимодействует также со щелочами в присутствии перекиси водорода. При этом образуются соли германиевой кислоты – германаты, например:

Соединения германия (II) малоустойчивы. Гораздо более характерны для германия соединения, в которых степень его окисления равна +4.

Германий обладает полупроводниковыми свойствами и с этим связано его основное применение. В технике его используют как материал для диодов, транзисторов, фотоэлементов. На основе пластин из высокочистого германия изготовляют солнечные батареи – устройства, преобразующие световую энергию в электрическую.

Из соединений германия применяют, например, GeO2, который входит в состав стекол, обладающих высоким коэффициентом преломления и прозрачностью в инфракрасной части спектра.

Олово (Stannum)

Олово наряду со свинцом, железом, золотом, ртутью, медью, серебром входит в число «семи металлов древности». Оно известно человечеству по крайней мере с середины III тысячелетия до н.э. Люди обнаружили, что добавка к меди 5-10% олова повышает ее прочность и несколько снижает температуру плавления: чистая медь плавится при 1083 о С , а медь содержащая 10% олова, — при 1005 о С .

В природе олово встречается в виде минерала касситерита SnO2, месторождения которого довольно редки: в древности его добывали лишь в Испании, на Кавказе и в Китае. Как свидетельствует гомеровский эпос, олово ценилось еще во времена Троянской войны. При прокаливании смеси касситерита с углем олово, благодаря низкой температуре плавления (232 о С ), легко отделялось. Так получают его и в наши дни.

Олово использовали для производства бронзы. Позже, когда человечество освоило выплавку железа, для которой необходима более высокая температура – порядка 1400 орудия из бронзы утратили своё значение.

Олово – мягкий серебристо-белый металл, пластичный и ковкий. Отлитая из олова палочка сгибается с характерным хрустом, вызванным трением друг от друга отдельных кристаллов. Интересно, что ниже 13,2 устойчива другая модификация – серое олово, которое имеет структуру алмаза. Переход белого олова в серое при низкой температуре часто происходит спонтанно, хотя для проведения его в лабораторных условиях требуется ввести небольшую затравку серого олова. Этот переход называют «оловянной чумой»: металл рассыпается в серый порошок, утрачивая металлические свойства. «Оловянная чума» послужила причиной гибели в 1912 г. английской экспедиции под руководством Роберта Скотта, направленной к Южному полюсу: керосин путешественники хранили в сосудах, паянных оловом.

Касситерит

Сплавы олова с сурьмой и медью применяются для изготовления подшипников. Эти сплавы обладают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы олова со свинцом – припои – широко применяются для пайки. В качестве легирующего компонента олово входит в некоторые сплавы меди.

На воздухе олово при комнатной температуре не окисляется, но нагретое выше температуры плавления постепенно превращается в диоксид олова SnO2.

Вода на него не действует. Разбавленные соляная и серная кислоты действуют на него очень медленно, что объясняется большим перенапряжением водорода на этом металле. Концентрированные растворы этих кислот, особенно при нагревании, растворяют олово. При этом в соляной кислоте получается хлорид олова (II), а в серной – сульфат олова (IV):

C азотной кислотой олово взаимодействует тем интенсивнее, чем выше концентрация кислоты и температура. В разбавленной кислоте образуется растворимый нитрат олова (II): 4Sn + 10HNO3 = 4Sn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

а в концентрированной – соединения олова (IV), главным образом нерастворимая β-оловянная кислота, состав которой приблизительно соответствует формуле H2SnO3:

Концентрированные щелочи также растворяют олово. В этом случае получаются станниты – соли оловянистой кислоты H2SnO2:

На воздухе олово покрывается тонкой оксидной пленкой, обладающей защитным действием. Поэтому в условиях несильного коррозионного воздействия оно является стойким металлом. Около 40% всего выплавляемого олова расходуется для покрытия им изделий из железа, соприкасающихся с продуктами питания, прежде всего – консервных банок. Это объясняется указанной химической активностью олова, а также тем, что оно легко наносится на железо и что продукты его коррозии безвредны. Олово образует устойчивые соединения, в которых имеет степень окисления +2 и +4.

Свинец (Plumbum)

В Древнем Риме расплавленным свинцом заливали места стыков каменных блоков и труб водопровода (недаром в английском языке слово plumber – означает «водопроводчик»). Есть предположение, что именно поэтому многие историки отмечали частые отравления водой среди римлян.

Читайте также:  Можно ли паять железо оловом

Свинцовыми листами покрывали крыши зданий. Свинец шёл на изготовление печатей. Известны сосуды, отлитые из свинца. Плиний Старший в «Естественной истории» описывает и другие области применения этого металла: «В медицине свинец сам по себе применяется для стягивания рубцов, а привязанные в области чресел и почек пластинки из него своей более холодной природой сдерживают вожделения… Нерон… накладывая на грудь такие пластинки, громко произносил мелодекламации, показав этот способ для усиления голоса».

Свинцовые самородки крайне редко встречается в природе. Однако в виде соединения с серой – свинцового блеска, или галенита, PbS – свинец был известен уже древним мастерам. Красивые, блестящие кристаллы этого вещества, по-видимому привлекли внимание людей. Если положить их в костер, разведенный в неглубокой яме, на дно ее вскоре стечет расплавленный металл, ведь температура плавления свинца невысока – 327 о С . Так его получали уже в III тысячелетии до н.э. Интересно, что и в наши дни в основе промышленного производства свинца лежат те же химические реакции – прокаливание свинцового блеска на воздухе: PbO + C = Pb + CO. Только древесный уголь заменен гораздо более дешевым коксом.

В Средние века считали, что свинец, символом которого была планета Сатурн, может превратиться в золото: ведь свинец очень тяжелый металл. Происхождение латинского названия элемента Plumbum до сих пор вызывает споры среди исследователей.

Галенит

Свинец – тяжелый и легкоплавкий металл синевато-серого цвета, плохо проводящий тепло и электричество. Он обладает удивительной мягкостью – его можно без особых усилий резать ножом. На воздухе свинец тускнеет, покрываясь тонкой плёнкой оксида PbO или основного карбоната Pb3(OH)2(CO3)2. Вода сама по себе не реагирует со свинцом, но в присутствии воздуха свинец постепенно разрушается водой с образованием гидроксида свинца (II):

Однако при соприкосновении с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (главным образом сульфата и основного карбоната свинца), препятствующей дальнейшему действию воды и образованию гидроксида.

Разбавленные соляная и серная кислоты почти не действуют на свинец. Это связано со значительным перенапряжением выделения водорода на свинце, а также с малой растворимостью хлорида и сульфата свинца, закрывающих поверхность растворяющегося металла. В концентрированной серной кислоте, особенно при нагревании, свинец интенсивно растворяется с образованием растворимой кислой соли Pb(HSO4)2.

В азотной кислоте свинец растворяется легко, причем в кислоте невысокой концентрации быстрее, чем в концентрированной. Это объясняется тем, что растворимость продукта коррозии – нитрата свинца – падает с увеличением концентрации кислоты. Сравнительно легко свинец растворяется в уксусной кислоте, содержащей растворенный кислород.

О способности свинца реагировать с уксусом знали уже в древности: из ацетата свинца в Древнем Риме делали свинцовые белила – смесь основных карбонатов свинца. Эту краску можно также получить взаимодействием свинцового сахара (ацетата свинца) с углекислым газом.

В щелочах свинец также растворяется, хотя и с небольшой скоростью; более интенсивно растворение идет в горячих разбавленных растворах. В результате растворения образуются гидроксоплюмбиты, например:

Все растворимые соединения свинца ядовиты.

Для свинца характерны степени окисления +2 и +4. Значительно более устойчивы и многочисленны со степенью окисления свинца +2.

Оксиды свинца

Сегодня около половины всего выплавляемого свинца используют в производстве аккумуляторов. Из свинца изготовляют оболочки кабелей, аппаратуру для химической промышленности, пули. Свинцовые экраны хорошо поглощают радиоактивное и рентгеновское излучения. Свинцовый сурик Pb3O4 необходим в производстве красок и эмалей. Оксид свинца (IV) PbO2, являющийся сильным окислителем, входит в состав спичек. В качестве инициирующего взрывчатого вещества используют азид свинца Pb(N3)2 – соль азидоводородной кислоты HN3.

Источник

ГЕРМАНИЙ, ОЛОВО И СВИНЕЦ

Свойства. Германий — вещество серебристо-серого цвета, похожее на металл, но имеет алмазоподобную атомную кристаллическую решётку, полупроводник.

Олово существует в виде двух модификаций: а-олово и р-олово. р-Оло- во («белое олово») — серебристобелый легкоплавкий металл (Тпл =

= 231,9 °С) имеет тетрагональную кристаллическую решётку, существует при температуре выше 13 °С.

При температуре ниже 13 °С «белое олово» переходит в а-модифика- цию — «серое олово» с кубической структурой кристаллической решётки типа алмаза. Такой переход р-оло- ва в a-модификацию при низких температурах сопровождается увеличением объёма, и в связи с этим олово рассыпается в порошок. Это явление известно под названием «оловянная чума».

Свинец — тёмно-серый, очень мягкий и тяжёлый металл с низкой температурой плавления (Тпл = 327 °С), легко поддаётся литью, ковке, прокатке.

В ряду Ge—Sn—Pb химическая связь изменяется от ковалентной до металлической, что сказывается и на характере изменения химических свойств. При нормальных условиях германий и олово устойчивы по отношению к кислороду воздуха, свинец окисляется — покрывается серой окисной плёнкой, которая защищает его от дальнейшего окисления. При повышенных температурах все эти элементы взаимодействуют с кислородом воздуха и с большинством неметаллов:

С разбавленными НС1 и H2S04 реагирует только олово. Свинец с разбавленными НС1 и H2S04 не реагирует вследствие образования на поверхности металла малорастворимых соединений РЬС12 и PbS04. С концентрированными НС1, H2S04 и HN03 взаимодействуют все элементы этой подгруппы.

Олово и свинец при нагревании реагируют с водными растворами щелочей:

Германий реагирует с щелочами только в присутствии окислителей. Элементы подгруппы германия образуют оксиды и гидроксиды (схема 5).

Читайте также:  Олово получают восстанавливая углем минерал касситерит при восстановлении решение

Получение. Германий получают из отходов переработки руд и коксохимического производства. Олово получают из природного минерала касситерита Sn02 путём восстановления углем:

Свинец получают из руды, содержащей минерал галенит PbS:

Применение. Германий и его соединения находят применение в технике в качестве по-

лупроводников. В очищенном виде используется для изготовления диодов, транзисторов и фотодиодов. Германий применяют при получении линз для приборов ИК-техники и изготовлении стекловолокна. Сплавы с золотом обладают высокой твёрдостью и используются в ювелирном деле и зубопротезной технике. Сплавы германия с ниобием и титаном обладают сверхпроводящими свойствами.

Олово применяют в составе многих сплавов, например бронза — сплав олова с медью, при изготовлении конденсаторов (оловянная фольга), в качестве защитных покрытий («белая жесть» — железо, покрытое слоем олова, используется для изготовления консервных банок).

Свинец применяют при изготовлении пластин аккумуляторов, оболочек электрических кабелей, в качестве защиты от радиоактивного и рентгеновского излучения. Соединения свинца входят в состав красок и эмалей, оптического стекла и хрусталя.

Источник

ГЕРМАНИЙ, ОЛОВО, СВИНЕЦ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ ПОДГРУППЫ ГЕРМАНИЯ

Используя данные, представленные в разделе 1.1, составьте ответ на вопрос «общая характеристика элементов подгруппы германия» приняв во внимание, что атомы германия, олова и свинца имеют сходное строение не только внешнего, но и предвнешнего уровня, а также го, что их ионы Э 2+ и Э 4+ имеют (18 + 2)ё и 18е оболочки.

При составлении ответа используйте рекомендованный общий план подачи материала поданному вопросу, а также дополнительные данные, представленные в последующих разделах.

ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА: АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ

Германий — тугоплавкое твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском, имеет кристаллическую элементарную ячейку типа алмаза, кристаллы твёрдые, но достаточно хрупкий. Кристаллический германий — полупроводник.

Для олова характерно образование трёх полиморфных модификаций: ниже 13,2 °С стабильно а-олово (серое олово, плотность — 5,8 г/см 3 , алмазоподобное отроение кристаллов), выше 13,2 °С стабильна фаза [З-Sn («белое» олово, плотность — 7,3 г/см 3 ) с тетрагональной кристаллической решеткой и октаэдрической координацией атомов. При нагревании белого олова выше 161 °С образуется третья модификация олова — у-олово — белое, металлическое, хрупкое. При охлаждении ниже 13,2 °С белое олово переходит в серое олово (a-модификация), что приводит к увеличению объёма системы более, чем на 25 %. Поэтому указанный переход способствует разрушению образца белого олова с образованием ультра- дисперсного порошка a-формы простого вещества. Это явление называется «оловянной чумой». В сильные морозы во время войны 1812 г. оловянные пуговицы на мундирах солдат армии Наполеона рассыпались в порошок. Также были утрачены коллекции оловянных солдатиков, находившихся в запасниках петербургского музея. Экспедиция Скотта к Южному полюсу (1912) осталась без горючего из-за того, что топливо просочилось из запаянных оловом баков, поражённых «оловянной чумой».

Свинец — серый металл с синеватым оттенком, блестит на срезе, легкоплавкий, ковкий мягкий, и очень пластичный. Имеет типичную для металлов структуру ГЦК. Сам свинец и его соединения токсичны: известен печальный опыт использования свинца в качестве материала труб для водопроводов в Древнем Риме.

Свинец переходит в сверхпроводящее состояние при 7 К. На сверхпроводимости свинца был основан интересный физический опыт — «гроб Магомета», показанный В. К. Аркадьевым.

Некоторые свойства простых веществ приведены в таблице 8.

Таким образом, закономерное изменение в строении простых веществ проявляется в изменении их физических свойств. В ряду простых веществ Ge — Sn-Pb наблюдается переход от полупроводниковых свойств к металлическим.

Основные физические свойства простых веществ подгруппы германия

Источник

Свойства соединений германия, олова, свинца.

Соединения с водородом. Гидриды элементов подгруппы германия общей формулы ЭН2 нехарактерны. Гидриды ЭН4 — малоустойчивы.

В ряду SiH4 GeH4 SnH4 (стаииап) —» —> РЬН4 <плюмбан)устойчивость понижается. Гидриды GeH4 и SnH4 образуются при разложении кислотами сплавов германия и олова с магнием:

Герман GeH4 и станнан SnH4, так же, как силан SiH4 и метан СН4, представляют собою бесцветные газы с низкими температурами плавления и кипения. При хранении постепенно разлагаются на металлы и водород, а при пропускании через нагретую докрасна стеклянную трубку разлагаются, осаждаясь в виде металлического зеркала. Оба они чрезвычайно ядовиты.

Плюмбан, полученный таким же способом, настолько неустойчив, что о его существовании можно сделать заключение лишь по косвенным признакам. В индивидуальном состоянии он не получен.

Оксиды ЭО и соответствующие им гидроксиды химически малоактивны, в воде не растворяются. Обладают амфотерным характером с преобладанием основных свойств.

Оксиды Э02 и соответствующие им гидроксиды также химически малоактивны, в воде не растворяются, обладают амфотерным характером. В ряду Ge —> Sn —> Pb усиливаются основные свойства: у производных германия преобладают кислотные свойства, а у производных свинца — основные. Они взаимодействуют как с кислотами, так и со щелочами.

При сплавлении ЭО и Э02 со щелочами или соответствующими оксидами образуются соли германистой и германиевой

(германиты и германаты), оловянистой и оловянной (станниты и станнаты), свинцовистой и свинцовой (плюмбиты и плюмбаты) кислот:

Германиевые, оловянные и свинцовые кислоты (как и кремневые) в индивидуальном состоянии не образуются. При их получении обычно образуются коллоидные растворы кислот различного состава, превращающиеся в белые студенистые осадки с неопределенным составом (Э02«Н20).

Равновесие в насыщенных растворах амфотерных гидроксидов олова(Н), (IV) можно представить следующим образом:

Добавление кислоты (Н + ) приводит к смещению равновесия влево (диссоциации но основному типу) вследствие течения процессов:

Читайте также:  Олово четыреххлористое 5 водное ту

Добавление щелочи (ОН ) приводит к смещению равновесия вправо (диссоциации по кислотному типу) вследствие течения процессов:

При этом образуются соли соответственно катионного или анионного типа.

Аналогичными схемами можно представить равновесия в растворах гидроксидов свинца(И) и (IV).

Уравнения реакций взамодействия гидроксидов олова со щелочью:

Из германатов, станнатов и плюмбатов в воде растворимы лишь производные щелочных металлов. При этом они сильно гидролизуются.

Большинство солей олова хорошо растворимы в воде. Растворимыми солями свинца являются нитрат Pb(N03)2 и ацетат РЬ(СН3СОО)2, в горячей воде растворимы РЬС12 и РЫ2. Из нерастворимых солей свинца наиболее характерны PbS04 (белого цвета), РЬСг04 (желтого цвета), PbS (черного цвета), РЬ3(0Н)2(С03)2 (белого цвета — свинцовые белила).

Для свинца характерно образование солеобразных оксидов РЬ23 и РЬ34, которые можно рассматривать как соли метасвин- цовой H2Pb03(PbPb03) и ортосвинцовой H4Pb04(Pb2Pb04) кислот.

РЬ2РЬ04 можно рассматривать как ортоплюмбат(1У) свинца(П) и как смешанный оксид 2РЬО РЬ02 — так называемый свинцовый сурик, а меташпомбат РЬРЬ03 — как смешанный оксид РЬО х х РЬС)2.

В разном валентном состоянии атомов РЬ в РЬ34 можно легко убедиться: при действии разбавленной IIN03 протекает обменная реакция и образуются производные РЬ(П) и Pb(IV):

Процесс растворения солей олова(П) и свинца(П) сопровождается гидролизом с образованием основных солей. Например:

Соединения Ge(II) и Sn(II) — сильные восстановители. Восстановительная активность в ряду Ge —» Sn —> Pb ослабевает:

Так, GcC12 окисляется хлором С12 мгновенно, SnCl2 — быстро, а РЬС12 в обычных условиях с хлором вообще нс взаимодействует. Производные Ge(II) и Sn(II) восстанавливают некоторые металлы из соединений, например:

Они переводят Fe 3+ B Fe 2+ , СгО|» в Сг 3+ и т.д.

Для соединений свинца(П) восстановительные свойства не характерны. Перевод РЬ(И) в Pb(IV) возможен лишь при электролитическом окислении или действием наиболее сильных окислителей (С12, белильная известь и др.) при нагревании в щелочной среде. Например:

Соединения германия и олова(1У) устойчивы, а соединения Pb(IV) — сильные окислители, особенно в кислой среде. Они, например, окисляют Мп 2+ до MnOj, I до 12:

Применение. Основная масса кремния и германия расходуется в полупроводниковой технике. Диоксид кремния является основой кварцевого стекла и всех силикатных стекол.

Диоксид германия широко используется в производстве оптического стекла, благодаря тому, что при добавлении его в кварцевое стекло получаются очень прозрачные, сильно преломляющие свет стекла.

Олово главным образом используется для лужения железа. Оловянная фольга (станиоль) применяется для изготовления конденсаторов в электротехнической промышленности. Из свинца делают аккумуляторные пластины, обкладки электрических кабелей, свинец применяется для защиты от радиоактивных и рентгеновских излучений; в качестве коррозионностойкого материала используется в химической промышленности.

Оба металла применяются для изготовления легкоплавких сплавов. Из сплавов олова и свинца важнейшими являются следующие: типографские (84—62% РЬ, 4—8% Sn, 10—25% Sb, 2—4% As), подшипниковые (80—60% РЬ или Sn с добавками Sb и Си), легкоплавкие припои (80—60% РЬ, 17—40% Sn, до 2,5% Sb или 90—50% Sn, остальное РЬ).

Диоксид олова применяется в стекольной и керамической промышленности для изготовления эмалей и глазурей.

Дисульфид олова SnS2 в виде желтых чешуек применяется для мозаичных работ, «позолоты» дерева и др. Малорастворимый фторид SnF2 применяют как фторсодержащую добавку к зубным пастам.

Сурик РЬ2РЬ04 (оранжево-красного цвета) применяется в производстве красок, предохраняющих металлы от коррозии, для приготовления высокотемпературных замазок, в качестве окислителя и др.

РЬ02 и РЬ34 используются в качестве окислителей в спичечной промышленности.

Из соединений свинца(Н) РЬО применяется в производстве оптического стекла, хрусталя, глазурей и олиф; РЬСЮ4 (оранжево-красного цвета) входит в состав минеральных красок; 2РЬС03 РЬ(0Н)2 используют для изготовления свинцовых белил.

Токсичность элементов. Высокое содержание углерода в атмосфере приводит к заболеваниям органов дыхания. Профессиональные заболевания — антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м 3 : алмаз — 8,0, антрацит и кокс — 6,0, каменный уголь — 10,0, технический углерод и углеродная пыль — 4,0; в атмосферном воздухе максимальная среднесуточная доза 0,05 мг/м 3 .

Углеводороды, СО, СОС12 (фосген), сероуглерод, HCN, цианиды, дициан чрезвычайно ядовиты! Фосген вызывает отек легких и связанное с этим кислородное голодание (ПДК = 0,5 мг/м 3 , опасная для жизни концентрация — 5 мг/м 3 ). Цианистый водород вызывает быстрый паралич тканевого дыхания. Отравление цианистым калием или натрием возможно при вдыхании пыли, попадании этих веществ внутрь организма, а также через кожу. Смертельная доза цианидов натрия и калия соответственно 0,10 и 0,12 г. Цианамид кальция опасен при вдыхании пыли и соприкосновении с кожей; смертельная доза — 40—50 г. Все газообразные соединения элементов с водородом (гидриды — силан, герман, станнан), с галогенами (фториды и хлориды кремния, германия), а также все фторосиликаты чрезвычайно ядовиты! Олово представляет опасность для человека в виде паров и различных аэрозольных частиц, пыли. При воздействии паров или пыли олова может развиться станноз — поражение легких. Очень токсичны некоторые оловоорганические соединения — нервные яды. Временно допустимая концентрация соединений олова в атмосферном воздухе 0,05 мг/м 3 , ПДК олова в пищевых продуктах — 200 мг/кг, в молочных продуктах и соках — 100 мг/кг. Токсическая доза олова для человека — 2 г. Свинец — яд, вызывающий изменения главным образом в нервной системе, крови и сосудах. Обладает кумулятивным действием. Наименьшее количество свинца, вызывающее отравление при попадании внутрь организма, — 5 мг/кг. ПДК для свинца и его неорганических соединений составляет 0,01 мг/м 3 .

Источник