Iva группа углерод кремний германий олово

Элементы группы IVA

Неметаллами в группе IVA Периодической системы Д.И. Менделеева являются углерод C, кремний Si. Кроме того, в нее входят германий Ge, олово Sn и свинец Pb.

На внешнем энергетическом уровне всех этих элементов находятся 4 электрона (конфигурации ns 2 np 2 ), наиболее характерные степени окисления — +2 и +4. В органических соединениях углерод может проявлять степени окисления от –4 до +4. С увеличением атомного номера возрастают радиусы нейтральных атомов, уменьшается энергия ионизации, ослабевают неметаллические свойства элементов и усиливаются металлические. Так, углерод и кремний — типичные неметаллы, а олово и свинец — металлы.

Некоторые физические характеристики этих элементов приведены в таблице 5.

С увеличением атомного номера ослабевают неметаллические свойства элементов и усиливаются металлические.

Для углерода известны стабильные аллотропные модификации (графит, алмаз), в виде которых он встречается в природе, а также полученные лабораторным путем карбин и фуллерены. Кремний получают восстановлением его оксида магнием или углеродом в электрических печах, а кремний высокой чистоты — восстановлением SiCl4 цинком или водородом, например:

Кремний может существовать в кристаллической или аморфной форме. Для кремния наиболее устойчива степень окисления +4.

Ниже приведены уравнения реакций, общие для углерода и кремния (Э = C, Si):

В реакциях с другими простыми и сложными веществами свойства углерода и кремния отличаются. Реакции, характерные для углерода:

Карбиды щелочных и щелочноземельных металлов являются ацетелинидами, т. е. при их взаимодействии с водой или кислотами образуется ацетилен, например:

Карбид алюминия относят к метанидам: при его взаимодействии с водой или кислотами выделяется метан:

Реакции, характерные для кремния:

Углерод и кремний образуют кислотные оксиды общей формулы ЭО2, а также летучие водородные соединения общей формулы ЭН4.

Свойства оксида углерода (IV):

Оксиду углерода (IV) соответствует очень слабая двухосновная угольная кислота H2CO3, которая не существует в чистом виде. Она образует два ряда солей: средние — карбонаты, например карбонат кальция CaCO3, и кислые — гидрокарбонаты, например Ca(HCO3)2 — гидрокарбонат кальция.

Карбонаты переходят в гидрокарбонаты под действием избытка углекислого газа в водной среде:

Гидрокарбонат кальция превращается в карбонат под действием гидроксида кальция:

Гидрокарбонаты и карбонаты разлагаются при нагревании:

Карбонаты ряда металлов (алюминия, железа (III), хрома (III) не существуют. При попытке их получения реакциями обмена образуются углекислый газ и гидроксид соответствующего металла, например:

Свойства оксида кремния (IV):

Кремний образует кислоты переменного содержания SiO2 и H2O. Соединение состава H2SiO3 в чистом виде не выделено, но для упрощения допускается его запись в уравнениях реакций:

Источник

Атомы элементов 14(IVa) группы

Элемент C Si Ge Sn Pb
Порядковый номер 6 14 32 50 82
Атомная масса (относительная) 12,011 28,0855 72,59 118,69 207,2
Плотность (н.у.), г/см 3 2,25 2,33 5,323 7,31 11,34
tпл, °C 3550 1412 273 231 327,5
tкип, °C 4827 2355 2830 2600 1749
Энергия ионизации, кДж/моль 1085,7 786,5 762,1 708,6 715,2
Электронная формула [He]2s 2 2p 2 [Ne]3s 2 3p 2 [Ar]3d 10 4s 2 4p 2 [Kr]4d 10 5s 2 5p 2 [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 6p 2
Электроотрицательность (по Поллингу) 2,55 1,9 2,01 1,96 2,33

Электронные формулы инертных газов:

  • He — 1s 2 ;
  • Ne — 1s 2 2s 2 2p 6 ;
  • Ar — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
  • Kr — [Ar]3d 10 4s 2 4p 6 ;
  • Xe — [Kr]4d 10 5s 2 5p 6 ;


Рис. Строение атома углерода.

В 14 группу (IVa группу по старой классификации) периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева входят 5 элементов: углерод, кремний, германий, олово, свинец (см. таблицу выше). Углерод и кремний — неметаллы, германий является веществом, проявляющим металлические свойства, олово и свинец — типичные металлы.

Самым распространенным в земной коре элементом 14(IVa) группы является кремний (второй после кислорода элемент по распространенности на Земле) (27,6% по массе), далее идут: углерод (0,1%), свинец (0,0014%), олово (0,00022%), германий (0,00018%).

Однако, по важности, ни один из элементов не может составить «конкуренцию» углероду, который составляет основу жизни на Земле, образуя колоссальное количество органических соединений (см. Органическая химия). В качестве неорганики углерод встречается, как в свободном состоянии (алмаз, графит, фуллерен), так и в соединениях (карбонаты, углеводороды), а также входит в углекислый газ (массовая доля в земной атмосфере 0,012%). Подробнее см. Углерод и его соединения.

Кремний, в отличие от углерода, в свободном виде в природе не встречается, его можно найти только в связанном виде:

  • SiO2 — кремнезём, встречается в виде кварца (входит в состав многих горных пород, песка, глины) и его разновидностей (агат, аметист, горный хрусталь, яшма и пр.);
  • богаты кремнием силикаты: тальк, асбест;
  • алюмосиликаты: полевой шпат, слюда, каолин.

Германий, олово и свинец также в свободном виде в природе не встречаются, а входят в состав некоторых минералов:

  • германий: (Cu3(Fe, Ge)S4) — минерал германит;
  • олово: SnO2 — касситерит;
  • свинец: PbS — галенит; PbSO4 — англезит; PbCO3 — церуссит.

Все элементы 14(IVa) группы в невозбужденном состоянии на внешнем энергетическом уровне имеют два неспаренных p-электрона (валентность равняется 2, например, CO). При переходе в возбужденное состояние (процесс требует энергетических затрат) один спаренный s-электрон внешнего уровня «перескакивает» на свободную p-орбиталь, образуя, таким образом, 4 «одиноких» электрона (один на s-подуровне и три на p-подуровне), что расширяет валентные возможности элементов (валентность равняется 4: например, CO2).


Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.

По вышеуказанной причине элементы 14(IVa) группы могут проявлять степени окисления: +4; +2; 0; -4.

Поскольку для «перескока» электрона с s-подуровня на p-подуровень в ряду от углерода к свинцу требуется все больше и больше энергии (для возбуждения атома углерода требуется гораздо меньше энергии, чем для возбуждения атома свинца), то углерод «охотнее» вступает в соединения, в которых проявляет валентность четыре; а свинец — два.

То же самое можно сказать и о степенях окисления: в ряду от углерода к свинцу проявление степеней окисления +4 и -4 уменьшается, а степень окисления +2 возрастает.

Поскольку углерод и кремний являются неметаллами, они могут проявлять, как положительную, так и отрицательную степень окисления, в зависимости от соединения (в соединениях с более электроотрицателными элементами C и Si отдают электроны, и получают в соединениях с менее электроотрицательными элементами):

Ge, Sn, Pb, как металлы в соединениях всегда отдают свои электроны:

Элементы группы углерода образуют следующие соединения:

  • неустойчивые летучие водородные соединения (общая формула ЭH4), из которых только метан CH4 является устойчивым соединением.
  • несолеобразующие оксиды — низшие оксиды CO и SiO;
  • кислотные оксиды — высшие оксиды CO2 и SiO2 — им соответствуют гидроксиды, являющиеся слабыми кислотами: H2CO3 (угольная кислота), H2SiO3 (кремниевая кислота);
  • амфотерные оксиды — GeO, SnO, PbO и GeO2, SnO2, PbO2 — последним соответствуют гидроксиды (IV) германия Ge(OH)4, стронция Sn(OH)4, свинца Pb(OH)4;

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Источник

Iva группа углерод кремний германий олово

§ 4.1. Общая характеристика элементов подгруппы углерода

К химическим элементам главной подгруппы IV группы относятся углерод C, кремний Si, германий Ge, олово Sn и свинец Pb. В ряду C — Si — Ge — Sn — Pb из-за различной химической природы элементов их разбивают на две подгруппы: углерод и кремний составляют подгруппу углерода, германий, олово, свинец — подгруппу германия.

Электронные конфигурации внешнего слоя атомов элементов ns 2 np 2 , в соединениях они могут проявлять степени окисления от –4 до +4. Как и в главной подгруппе V группы, наблюдается изменение химических свойств элементов: углерод и кремний проявляют свойства типичных неметаллов, для германия характерны переходные свойства, а олово и свинец — типичные металлы. С увеличением атомного номера в подгруппе уменьшается электроотрицательность элементов. Для углерода и кремния характерны ковалентные соединения, для олова и свинца — ионные.

Читайте также:  Как убрать лишнее олово с паяльника

Некоторые свойства элементов главной подгруппы IV группы представлены в табл. 4.1.

Свойства элементов
подгруппы углерода и простых веществ

Радиус атома, нм

Потенциал ионизации,
эВ

Данные табл. 4.1 подтверждают, что в ряду C — Si — Ge — Sn — Pb наблюдается монотонное изменение свойств от неметаллических к металлическим. Это проявляется в уменьшении устойчивости соединений элементов в высшей степени окисления +4 и возрастании стабильности соединений элементов в низкой степени окисления +2. Для C, Si и Ge не характерно образование свободных катионов, Sn и Pb легко образуют катионы Sn 2+ и Pb 2+ .

Об усилении металлических свойств свидетельствует изменение кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов элементов в степени окисления +4 при переходе от углерода к свинцу:

слабо
выраженные
кислотные свойства

амфотерные свойства
с преобладанием основных

Кислотные свойства соответствующих гидроксидов изменяются аналогично.

В ряду от углерода до свинца усиливается устойчивость оксидов элементов в степени окисления +2.

Углерод существует в природе в виде двух устойчивых изотопов: 12 C (98,9%) и 13 C (1,1%).

Большое значение имеет b -радиоактивный изотоп углерода 14 C. В основе радиоуглеродного метода определения возраста углеродсодержащих пород лежит вычисление соотношения долей стабильных и радиоактивного изотопов углерода.

Углерод занимает 11-е место по распространенности на Земле. Он встречается в атмосфере в виде CO2, из него образованы многие минералы и горные породы, например мел, известняк, мрамор (химическая формула которых CaCO3), доломит (MgCO3 · CaCO3), малахит (CuCO3 · Cu(OH)2). Углерод входит в состав белков, нуклеиновых кислот, углеводов — веществ, без которых невозможна жизнь.

Почти во всех соединениях (кроме CO и SiO) углерод и кремний четырехвалентны. Атомы углерода во многих соединениях образуют цепи –C–C–. Для соединений кремния также характерна полимерная структура, но в отличие от атомов углерода атомы кремния образуют разветвленные цепи, соединяясь не друг с другом, а через кислород –Si–O–Si–.

Углерод образует несколько простых веществ: алмаз, графит, карбин, фуллерен и аморфный углерод.

АЛМАЗ представляет собой бесцветные прозрачные, сильно преломляющие свет кристаллы плотностью 3,52 г/см 3 . Строение внешнего энергетического уровня атома углерода в невозбужденном состоянии описывает электронная конфигурация 2s 2 2p 2 . При образовании химических связей в атоме углерода распариваются электроны, находящиеся на s-подуровне, и он приобретает конфигурацию 2s 1 2p 3 . Орбитали четырех неспаренных электронов подвергаются sp 3 -гибридизации, приводящей к образованию четырех равноценных гибридных орбиталей, угол между которыми равен тетраэдрическому. Атомы, находящиеся в sp 3 -гибридном состоянии, и образуют структуру алмаза. Алмаз — высокопрочное вещество, имеющее уникальную твердость и отличную преломляющую способность, что важно для создания абразивных материалов, режущих инструментов и ювелирных украшений.

ГРАФИТ — это серая непрозрачная жирная на ощупь масса плотностью 2,27 г/см 3 . В графите атомы углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии, что обусловливает слоистую структуру графита, состоящую из плоских шестиугольников. Расстояния между атомами углерода, находящимися в разных слоях, превосходят расстояния между атомами внутри слоя. Слоистой структурой графита объясняются его электро- и теплопроводность, а также способность оставлять след на твердой поверхности. Для превращения алмаза в графит необходимо нагревание до 1800–1850 ° С без доступа воздуха. Обратный процесс идет при температуре 3000 ° С и давлении 10 6 –10 7 кПа.

Графит широко применяют в качестве электродного материала в электрохимии; он входит в состав смазок, используется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

КАРБИН представляет собой кристаллический порошок черного цвета плотностью 1,9 г/см 3 . Для его получения используют реакцию дегидрирования ацетилена при 1000 ° С, в результате которой из n молекул C2H2 получается полимер с линейной структурой –C º C–C º C–C º C–. В этой модификации атомы углерода находятся в sp-гибридном состоянии.

ФУЛЛЕРЕНЫ были обнаружены в продуктах конденсации паров графита. Молекула фуллерена C 60 представляет соединенные между собой пяти и шестичленные циклы, содержащие углерод в sp 2 и sp 3 – гибридном состоянии. Кроме C 60 делены фуллерены состава C 70 и C 76 .

АМОРФНЫЙ УГЛЕРОД самая распространенная аллотропная модификация углерода. Чаще всего его получают при разложении различных органических веществ. Иногда эту форму называют древесным или активированным углем.

КРЕМНИЙ — самый распространенный после кислорода элемент в земной коре (27,6% по массе). Он имеет три стабильных изотопа: 28 Si (92,27%), 29 Si (4,68%) и 30 Si (3,05%). В природе кремний находится в виде кремнезема — оксида кремния(IV) SiO2 (иногда его называют кварц или песок), силикатов и алюмосиликатов, например слюды KAl3[Si3O10](OH,F)2, асбеста (Mg,Fe)6[Si4O10](OH)6, талька Mg3[Si4O10](OH)2. В зависимости от размеров частиц и содержания примесей в SiO2 при его восстановлении можно получить различные модификации кремния.

Аморфный кремний представляет собой бурый порошок, кристаллический — светло-серые твердые хрупкие кристаллы металлического вида. В кристаллической решетке каждый атом кремния находится в состоянии sp 3 -гибридизации и окружен четырьмя другими атомами, с которыми он связан ковалентной связью — кристаллический кремний подобен алмазу.

Кремний широко используется в микроэлектронике в качестве полупроводникового материала для микросхем и в металлургии для получения чистых металлов.

§ 4.2. Химические свойства углерода и кремния

1. В реакциях с простыми веществами, образованными более электроотрицательными элементами (кислород, галогены, азот, сера), углерод и кремний проявляют свойства восстановителей. При нагревании графита и кремния с избытком кислорода образуются высшие оксиды, а при недостатке кислорода — монооксиды CO и SiO:

Э + O2 = ЭO2 (избыток кислорода);

2Э + O2 = 2ЭO (недостаток кислорода).

Со фтором углерод и кремний реагируют при обычных условиях с образованием тетрафторидов CF4 и SiF4, для получения тетрахлоридов CCl4 и SiCl4 необходимо нагревание реагирующих веществ. Сера и азот вступают в реакции с углеродом и кремнием только при сильном нагревании:

При нагревании смеси кварцевого песка и кокса при температуре около 2000 ° С образуется карбид кремния, или карборунд — тугоплавкое вещество, по твердости близкое к алмазу:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO.

Углерод часто используют для восстановления малоактивных металлов из их оксидов и для перевода сульфатов металлов в сульфиды:

BaSO4 + 4C BaS + 4CO.

2. Реакции с кислотами. К действию обычных кислот углерод и кремний устойчивы. Углерод окисляется концентрированными серной и азотной кислотами:

Кремний в концентрированных серной и азотной кислотах пассивируется и растворяется в смесях концентрированных азотной и плавиковой кислот и : концентрированных азотной и соляной кислот

В этой реакции азотная кислота играет роль окислителя, а плавиковая или соляная — комплексообразователя.

3. Реакции со щелочами. Кремний растворяется в водных растворах щелочей с выделением водорода:

4. Взаимодействие с водой. В обычных условиях кремний с водой не взаимодействует, но при высокой температуре он реагирует с водяным паром:

5. Окислительные свойства углерода и кремния проявляются в реакциях с активными металлами, при этом образуются карбиды и силициды:

6. Углерод и кремний способны диспропорционировать при нагревании с оксидами активных металлов, образуя оксиды, карбиды и силициды:

CaO + 3C = CaC2 + CO ­ ;

2MgO + 3Si = Mg2Si + 2SiO.

§ 4.3. Кислородные соединения углерода и кремния

ОКСИД УГЛЕРОДА(II) CO, или угарный газ, при обычных условиях — газ без цвета и запаха, tпл = –205 ° C, tкип = = –191,5 ° C. Он сильно ядовит, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде (2,3 объема CO на 100 объемов H2O при 293 К).

Угарный газ образуется при сжигании углерода в недостатке кислорода, кроме того, CO можно получать при взаимодействии раскаленного угля с водяным паром или с диоксидом углерода:

Читайте также:  Мировой рынок олова 2020

Получение. В лаборатории CO получают обезвоживанием муравьиной или щавелевой кислот в присутствии серной кислоты как водоотнимающего средства:

Химические свойства. 1. При пропускании оксида углерода(II) в расплав щелочи при высоком давлении образуется соль муравьиной кислоты:

Эта реакция, а также лабораторный способ получения CO обезвоживанием муравьиной кислоты позволяют формально считать, что CO — ангидрид муравьиной кислоты. Однако это утверждение именно формально, поскольку обратный процесс получения муравьиной кислоты при гидратации монооксида углерода осуществить нельзя.

Степень окисления углерода в монооксиде углерода — +2 — не соответствует строению молекулы CO, в которой помимо двух связей, образованных при спаривании электронов углерода и кислорода, имеется еще одна, образованная по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов кислорода (изображена стрелкой):

Наличие тройной связи объясняет прочность молекулы CO и ее низкую реакционную способность при обычной температуре. В обычных условиях монооксид углерода не взаимодействует с водой, щелочами и кислотами.

2. При повышенной температуре CO взаимодействует с кислородом и оксидами металлов:

3. При пропускании смеси угарного газа с хлором через слой активированного угля можно получить отравляющее вещество — ядовитый газ фосген, вызывающий паралич дыхательных путей:

4. При нагревании монооксида углерода с водородом при повышенном давлении образуется метиловый спирт:

Карбонилы. Оксид углерода(II) взаимодействует со многими переходными металлами с образованием летучих соединений — карбонилов:

В молекуле CO у атома углерода имеется неподеленная электронная пара, которая обусловливает донорные свойства этой молекулы. Ковалентная связь Ni – C в молекуле карбонила никеля образуется по донорно-акцепторному механизму, причем электронная плотность смещается от атома углерода к атому никеля. Увеличение отрицательного заряда на атоме металла компенсируется участием его d-электронов в образовании связи, поэтому степень окисления металла в карбониле равна нулю.

Карбонилы металлов растворимы в неполярных растворителях, летучи. Их используют для получения чистых металлов, поскольку при нагревании они разлагаются на металл и оксид углерода(II). Для определения состава карбонилов используют так называемое правило 18 электронов: суммарное число валентных электронов металла и электронов, предоставляемых молекулами CO (по 2 от каждой), должно быть равно 18. Металлы с нечетным атомным номером не могут образовать таким путем 18-электронную оболочку, поэтому для них характерны полимерные (в основном димерные) карбонилы, например [Mn(CO)5]2. В димерных карбонилах возникает связь металл — металл, и молекулы CO осуществляют мостиковую связь.

Оксид углерода СО является хорошим восстановителем солей серебра из из аммиачных растворов его солей:

ОКСИД КРЕМНИЯ(II) SiO получают совместным испарением в вакууме смеси SiO2 и Si при температуре 1100–1300 ° С. Для восстановления оксида SiO2 в монооксид SiO можно также применять водород или углерод, процессы при этом необходимо вести при температуре 1000 ° С.

SiO2 + C = SiO + CO.

Оксид кремния(II) представляет собой коричневый порошок, который на воздухе быстро окисляется в диоксид. В щелочах и плавиковой кислоте SiO легко растворяется.

Это соединение используют в основном как пигмент для масляных красок и полирующее вещество.

ОКСИД УГЛЕРОДА(IV) (диоксид углерода, углекислый газ, угольный ангидрид) CO2 — газ без цвета и запаха, не поддерживающий дыхания и горения, тяжелее воздуха, tпл = –57 ° C при давлении 5 атм, растворим в воде (88 объемов CO2 в 100 объемах H2O при 20 ° С). При обычном давлении твердый диоксид углерода переходит в газообразное состояние, минуя жидкое (сублимируется). При обычной температуре под давлением 60 атм газ превращается в жидкость. Молекула CO2 линейная, с двумя двойными связями:

В промышленности для получения оксида углерода(IV) используют высокотемпературное разложение мрамора:

В лаборатории для получения больших количеств диоксида углерода на мрамор действуют соляной кислотой:

Для обнаружения выделяющегося CO2 его пропускают через известковую воду, при этом выпадает белый осадок карбоната кальция:

Необходимо помнить, что в атмосфере CO 2 зажженый магний не гаснет, а продолжает гореть:

2Mg + CO2 = 2MgO + C

УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА H2CO3 в незначительных количествах образуется при растворении углекислого газа в воде, при этом в растворе существуют следующие равновесия:

При 25 ° С K 1 = 4 × 10 –7 , K2 = 5 × 10 –11 . Угольная кислота — очень слабая и неустойчива в свободном виде. Она имеет следующее строение:

Как двухосновная кислота она образует средние соли ¾ карбонаты и кислые ¾ гидрокарбонаты. При действии на соли угольной кислоты сильных кислот выделяется углекислый газ, что используют как качественную реакцию на эти соли:

Из всех карбонатов в воде растворимы только карбонаты щелочных металлов (Li2CO3 растворим хуже всех) и аммония. Гидрокарбонаты большинства металлов хорошо растворимы в воде.

Под действием избытка оксида углерода(IV) нерастворимые в воде карбонаты превращаются в растворимые гидрокарбонаты:

При нагревании гидрокарбонаты распадаются на карбонаты, углекислый газ и воду:

Все карбонаты, кроме термически устойчивых карбонатов щелочных металлов, при нагревании разлагаются на оксид металла и диоксид углерода:

Кроме средних и кислых карбонатов, известны основные карбонаты. Они образуются при действии на соли малоактивных металлов средними карбонатами:

Основной карбонат меди Cu(OH)2·CuCO3 известен в природе под названием «малахит».

Из солей угольной кислоты наибольшее практическое значение имеют сода Na2CO3 и ее различные кристаллогидраты: Na2CO3 × 10H2O (кристаллическая сода), Na2CO3 × 7H2O и Na2CO3 × H2O, а также поташ K2CO3, мел, известняк и мрамор, имеющие состав CaCO3.

ОКСИД КРЕМНИЯ(IV) , или кремнезем, SiO2 ¾ твердое, очень тугоплавкое вещество (температура плавления более 1700 ° С), встречается в природе в виде минералов кварца, кристобалита и тридимита.

При обычной температуре устойчивой модификацией является кварц, с ростом температуры наблюдаются полиморфные превращения:

кварц тридимит кристобалит расплав.

Строение. Во всех своих модификациях диоксид кремния всегда полимерен (SiO2)n и построен из тетраэдров [SiO4], образующих очень прочную атомную решетку. Каждый атом кремния в кристаллах (SiO2)n окружен четырьмя атомами кислорода, которые являются мостиковыми и связывают под разными углами тетраэдры [SiO4]. В результате образуется трехмерная кристаллическая решетка, в которой взаимное расположение тетраэдров [SiO4] в пространстве определяет ту или иную модификацию кремнезема.

Кварц встречается в природе в виде хорошо сформированных бесцветных кристаллов, называемых горным хрусталем. Существуют и окрашенные разновидности кварца: розовый кварц, фиолетовый (аметист), темно-коричневый (дымчатый топаз), зеленый (хризопраз). Мелкокристаллическая модификация кварца с примесями других веществ называется халцедоном. Разновидностями халцедона являются агат, яшма и др. Горный хрусталь и окрашенные разновидности кварца используют как драгоценные и полудрагоценные камни.

Кварц широко применяют в различных областях науки, техники и микроэлектроники, и часто для нужд последней выращивают искусственные кристаллы с определенными параметрами кристаллической решетки.

Некоторые кристаллы кварца способны вращать плоскость поляризации света, причем могут быть как право-, так и левовращающими. Те и другие кристаллы отличаются друг от друга как предмет от своего зеркального изображения. Такие кристаллы являются оптическими изомерами.

Тридимит в небольших количествах встречается в вулканических породах. Известен тридимит и метеоритного происхождения. Кристобалит, как и тридимит, иногда встречается в виде мелких кристаллов, включенных в лаву. Тридимит и кристобалит обладают более рыхлой структурой, нежели кварц. Так, плотность кристобалита, тридимита и кварца равна соответственно 2,32; 2,26 и 2,65 г/см 3 .

При медленном охлаждении расплава кремнезема образуется аморфное кварцевое стекло. Кремнезем в виде стекла встречается и в природе. Плотность аморфного стекла равна 2,20 г/см 3 — ниже, чем у всех кристаллических модификаций. При температуре выше 1000 ° С кварцевое стекло «расстекловывается» и переходит в кристобалит, поэтому в кварцевой лабораторной посуде можно проводить эксперименты только при температурах ниже 1000 ° С.

Химические свойства. 1. Все формы SiO2 в воде практически нерастворимы, при обычных условиях на них действуют лишь растворы щелочей, фтор, газообразный фтороводород и плавиковая кислота:

Читайте также:  Олово с канифолью диаметр

Последнюю реакцию используют при травлении стекла.

2. Диоксид кремния — типичный кислотный оксид, поэтому при сплавлении он реагирует с основными оксидами, щелочами и карбонатами с образованием силикатов:

Приведенные выше реакции диоксида кремния с оксидами и солями лежат в основе промышленного получения различных стекол, а также цемента.

Стекла. Обычное стекло, имеющее состав Na2O × CaO × 6SiO2, получают сплавлением смеси соды, песка и известняка при температуре около 1400 ° С до полного удаления газов:

При добавлении оксидов бария, свинца и бора получают специальные сорта стекол, например огнеупорные, небьющиеся. Для получения цветных стекол используют различные оксиды переходных металлов, например добавка оксида кобальта(III) Co2O3 дает синий цвет, оксида хрома(III) Cr2O3 ¾ зеленый, диоксида марганца MnO2 ¾ розовый.

Цементы. Силикаты широко используют для производства цемента — вяжущего материала, который при смешивании с водой затвердевает. Можно выделить два типа цементов по принципу их схватывания ¾ обычный цемент и портланд цемент. Процесс схватывания обычного цемента происходит вследствие образования карбоната кальция при взаимодействии углекислого газа воздуха и силиката кальция:

Схватывание портланд цемента происходит в результате гидролиза силикатов с последующим образованием нерастворимых кристаллогидратов:

Кремниевые кислоты получают действием минеральных кислот на растворы силикатов или гидролизом галогенидов и сульфидов кремния, поскольку прямое взаимодействие кремнезема с водой невозможно.

Состав кремниевых кислот можно выразить общей формулой xSiO2 × y H2O, где x и y ¾ целые числа. При x = 1, y = 1: получаем SiO2 × H2O т. е. H2SiO3 ¾ метакремниевую кислоту; при x = 1, y = 2 — SiO2 × 2H2O, т. е. H4SiO4 ¾ ортокремниевую кислоту; при x = 2, y = 1 — 2SiO2 × H2O, т. е. H2Si2O5 ¾ двуметакремниевую кислоту.

Если y > 2, то кислоты относят к поликремниевым.

Силикаты — соли метакремниевой, или просто кремниевой кислоты H2SiO3. Из них в воде растворимы только силикаты натрия и калия, называемые жидким стеклом. Жидкое стекло используют для укрепления грунтов, для изготовления силикатного клея и огнеупорных тканей. Остальные силикаты ¾ тугоплавкие, нерастворимые в воде вещества. При нагревании кремниевая кислота разлагается:

При хранении на воздухе растворы силикатов мутнеют из-за вытеснения кремниевой кислоты углекислым газом, содержащимся в воздухе: кремниевая кислота слабее угольной; константа диссоциации H2SiO3 по первой ступени равна 2,2 × 10 –10 .

Реакция силикатов с углекислым газом является качественной для обнаружения силикат-ионов:

Водные растворы растворимых силикатов имеют сильнощелочную реакцию среды вследствие гидролиза:

§ 4 .4. Карбиды и силициды

Соединения углерода и кремния с менее электроотрицательными элементами (чаще всего с металлами) называют карбидами и силицидами. Кроме реакций, уравнения которых приведены выше (см. § 13.2), для получения силицидов используют сплавление гидридов металлов с кремнием:

восстановление металлов из их оксидов кремнием или углеродом в присутствии оксида кремния:

2CaO + 3Si = 2CaSi + SiO2;

CaO + SiO2 + 3C = CaSi + 3CO;

взаимодействие металлов с SiCl4 в атмосфере водорода:

Ba + SiCl4 + 2H2 = BaSi + 4HCl.

Все эти реакции протекают при высокой температуре и иногда при повышенном давлении.

Среди ионных карбидов выделяют так называемые метаниды и ацетилениды. Метаниды можно рассматривать как производные метана, содержащие углерод в степени окисления –4: Be2C, Al4C3. Они интенсивно разлагаются водой с выделением метана:

Ацетилениды — производные ацетилена, в них степень окисления углерода равна –1: Li2C2, Ag2C2, Cu2C2, CaC2, Al2(C2)3, Fe2(C2)3. Ацетилениды серебра и меди(I) получают при пропускании ацетилена через аммиачный раствор оксида серебра или хлорида меди(I). Ацетилениды — сильно взрывчатые вещества и интенсивно разлагаются водой и кислотами с выделением ацетилена:

§ 4.5. Водородные соединения элементов четвертой группы

Рассмотрим лишь водородные соединения кремния (силаны), германия (германы), олова (станнаны) и свинца (плюмбаны), поскольку химия водородных соединений углерода будет изложена а органической химии.

Получение. При взаимодействии силицидов активных металлов (Mg, Ca, Li) с водой и кислотами выделяется простейшее водородное соединение кремния — моносилан SiH4, которое чаще всего называют просто силан:

Наиболее общим способом получения водородсодержащих соединений элементов четвертой группы является взаимодействие тетрахлоридов элементов с тетрагидроалюминатом лития:

Строение и свойства. Кремневодороды по своему строению подобны углеводородам. Молекула силана имеет форму правильного тетраэдра с атомом кремния в центре. Силан — бесцветный газ, имеющий запах плесени, самопроизвольно воспламеняющийся на воздухе, tпл = –185 ° C, tкип = –112 ° C. Силан сильно ядовит.

В отличие от метана силан взаимодействует с растворами щелочей:

Вода также гидролизует силан, но значительно медленнее:

При нагревании выше 400 ° С силан распадается на кремний и водород, это свойство используют для получения чистого кремния:

Как и углеводороды, силаны образуют гомологический ряд SinH2n+2. В индивидуальном виде выделены силаны до n = 14 включительно. Подобно алканам, силаны бесцветны, первые члены гомологического ряда при обычных условиях газообразны, следующие ¾ жидкости. Химическая активность силанов гораздо выше, чем углеводородов. Это связано с меньшим по сравнению с углеродом сродством кремния к водороду и очень большим сродством кремния к кислороду, а также с меньшей прочностью связи Si – Si по сравнению со связью С – С. Малой прочностью связи Si – Si обусловлена и ограниченность гомологического ряда силанов.

Силан, Герман и станнан являются сильными восстановителями:

SiH4 + 2AgCl = SiH3Cl + HCl + 2Ag

§ 4 .6. Соединения кремния с галогенами

Соединения кремния с галогенами можно рассматривать как производные силанов, в которых атомы водорода полностью или частично замещены на галоген. Тетрагалогениды кремния получают непосредственно из простых веществ. Реакция кремния со фтором происходит уже при обычной температуре, с хлором, бромом и иодом — при нагревании. При пропускании тока SiF4 через воду образуется кремнефтористоводородная кислота H2SiF6:

Безводная кремнефтористоводородная кислота не выделена. Водный раствор ее представляет собой одну из самых сильных неорганических кислот. Разбавленные растворы используют как дезинфицирующее средство в пищевой промышленности. Растворимые соли кремнефтористоводородной кислоты применяют для пропитки стен зданий, построенных из кальцийсодержащих строительных материалов:

В результате реакции образуется мелкодисперсный порошок SiO2, который закрывает все поры, придает стенам водонепроницаемость и стойкость.

§ 4.7. Некоторые особенности элементов подгруппы германия

Германий содержится во многих минералах, но в очень небольших количествах, поэтому его называют рассеянным элементом. Важнейшие минералы германия: германит Cu2S × CuS × GeS2, аргиродит Ag8GeS6, реньерит Cu3(Fe, Ge)S4.

Основные минералы оловакасситерит SnO2 (оловянный камень), свинцагаленит PbS (свинцовый блеск). Свинец как конечный продукт радиоактивного распада урана содержится в урановых минералах.

В ряду Ge — Sn — Pb увеличивается активность веществ по отношению к кислороду. В обычных условиях Ge и Sn устойчивы на воздухе, в то время как свинец окисляется до оксида PbO.

Олово и свинец реагируют с разбавленными соляной и серной кислотами с выделением водорода, а германий не реагирует с кислотами-неокислителями.

Германий окисляется концентрированными азотной, серной и плавиковой кислотами:

Германий растворяется в «царской водке»:

3Ge + 4HNO3 + 12HCl = 3GeCl4 + 4NO + 8H2O

и в растворах щелочей в присутствии окислителей:

При взаимодействии олова с концентрированной азотной кислотой образуется оловянная кислота H2SnO3:

В разбавленной HNO3 олово ведет себя как металл, образуя нитрат олова(II):

Свинец в реакциях с азотной кислотой любой концентрации выступает как металл и образует нитрат свинца(II) Pb(NO3)2.

Среди соединений подгруппы германия в степени окисления ( IV ) для оксида свинца характерны окислительные свойства, он способен окислить воду до кислорода, ион Mn +2 до MnO 4 — :

В ряду соединений Ge ( II ) – Sn ( II ) – Pb ( II ) ослабевают восстановительные свойства, самыми сильными восстановителями являются прозводные германия и олова:

Источник