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.
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, свинец. Общая характеристика элементов: получение и свойства. Полиморфные модификации олова. Химические свойства олова и свинца.
Герма́ний Ge — химический элемент 14-й группы 4 периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 32.
Германий встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO2, который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества:
Германий — хрупкий, серебристо-белый полуметалл. Кристаллическая решётка модификации — кубическая типа алмаза. Температура кипения 2850 °C, температура плавления 938,25 °C, плотность германия 5,33 г/см 3 . Германий является одним из немногих аномальных веществ, которые увеличивают плотность при плавлении. Германий по электрофизическим свойствам является не прямозонным полупроводником.
В химических соединениях германий обычно проявляет валентности 4 или 2.. При нормальных условиях устойчив к действию воздуха и воды, щелочей и кислот, растворим в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода.
О́лово (Sn) — элемент 14-й группы периодической таблицы химических элементов, пятого периода, с номером 50 . Относится к группе лёгких металлов. Олово — пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета.
В процессе производства рудоносная порода (касситерит) подвергается дроблению до размеров частиц в среднем
10 мм, в промышленных мельницах, после чего касситерит за счет своей относительно высокой плотности и массы отделяется от пустой породы вибрационно-гравитационным методом на обогатительных столах. Далее проводят обжиг концентрата в кислороде для удаления примесей серы и мышьяка. Полученный концентрат оловянной руды выплавляется в печах. В процессе выплавки восстанавливается до свободного состояния посредством применения в восстановлении древесного угля, слои которого укладываются поочередно со слоями руды, или алюминием (цинком) в электропечах: SnO2 + C = Sn + CO2. Особо чистое олово полупроводниковой чистоты готовят электрохимическим рафинированием или методом зонной плавки.
Простое вещество олово полиморфно. Олово существует в трех аллотропных модификациях. Серое олово (α-Sn) мелкокристаллический порошок, полупроводник, имеющий алмазоподобную кристаллическую решётку, существует при температуре ниже 13,2 °С. Белое олово (β-Sn) — пластичный серебристый металл, устойчивый в интервале температур 13,2—161 °С. Высокотемпературное гамма-олово (γ-Sn), имеющее ромбическую структуру, отличается высокой плотностью и хрупкостью, устойчиво между 161 и 232 °С (температура плавления чистого олова).
При комнатной температуре олово устойчиво к воздействию воздуха или воды. При нагревании олово реагирует с большинством неметаллов. В разбавленной серной кислоте олово не растворяется, а с концентрированной — реагирует очень медленно.
В концентрированной азотной кислоте образуется оловянная кислота. При этом олово ведет себя как неметалл. При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой олово проявляет свойства металла. При нагревании олово, подобно свинцу, может реагировать с водными растворами щелочей.
Гидрид олова — станнан SnH4 — можно получить по реакции:
Олову отвечают два оксида SnO2 и SnO.
При хранении на воздухе монооксид SnO постепенно окисляется.
Свине́ц (Pb) — элемент 14-й группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82 и, таким образом, содержит магическое число протонов. Простое вещество свинец — ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серебристо-белого цвета с синеватым отливом.
Для получения свинца в основном используют руды, содержащие галенит. Сначала методом флотации получают концентрат, содержащий 40—70 процентов свинца. Затем метод шахтной восстановительной плавки или метод кислородно-взвешенной циклонной электротермической плавки свинцово-цинковых продуктов.
Свинец имеет довольно низкую теплопроводность. Металл мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет. Относится к группе тяжёлых металлов.
На внешней электронной оболочке находятся 4 не спаренных электрона (2 на p- и 2 на d-подуровнях), поэтому основные степени окисления атома свинца — +2 и +4.
· Соли двухвалентного свинца реагируют с щелочами, образуя почти нерастворимый гидроксид свинца:
· При избытке щёлочи гидроксид растворяется:
· Реагирует со щелочами и кислотами:
Свинец образует комплексные соединения с координационным числом 4, например, 
Источник
«Алюминий, олово, свинец» (9,11 классы)
Алюминий, олово, свинец
Алюминий, олово, свинец – элементы главных подгрупп III и IV групп. Относятся к р -металлам.
На внешнем энергетическом уровне у атомов алюминия находится три электрона (3 s 2 3 p 1 ), поэтому в большинстве соединений он проявляет степень окисления +3.
На воздухе алюминий покрывается очень прочной тончайшей оксидной пленкой, которая определяет его высокую коррозионную стойкость:
4А1 + 3О 2 = 2А1 2 О 3 .
При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется: Al 2 O 3 + 2 NaOH + 3 H 2 O = 2 Na [ Al ( OH ) 4 ], алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой: Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3Н 2 ↑.
Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют алюминий, особенно при нагревании. В концентрированных азотной и серной кислотах, а также в сильно разбавленной азотной кислоте алюминий устойчив , так как эти кислоты пассивируют алюминий, упрочняя защитную оксидную пленку на его поверхности.
Алюминий легко растворяется в растворах щелочей с образованием гидроксоалюминатов и водорода:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na[Al(OH) 4 ] + 3 Н 2 ↑.
Гидроксид алюминия Al(OH) 3 получается действием щелочи на раствор соли и, как амфотерный гидроксид, легко растворяется в избытке щелочи с образованием гидроксоалюмината, так и сильных кислотах, давая соли алюминия.
Атомы олова и свинца на внешнем энергетическом уровне имеют по 4 электрона ( ns 2 р 2 ). Поэтому характерные степени окисления олова и свинца +2 и +4. Для олова наиболее устойчивыми являются соединения со степенью окисления +4. Поэтому соединения Sn (II) являются восстановителями. Для свинца, наоборот, наиболее типичны соединения со степенью окисления +2. Вследствие этого соединения Pb (IV) проявляют себя как окислители.
В обычных условиях олово устойчиво по отношению к воздуху и воде, свинец на воздухе окисляется, покрываясь синевато-серой пленкой:
В ряду напряжений олово и свинец расположены непосредственно перед водородом. В разбавленных HCl и H 2 SO 4 олово растворяется очень медленно с образованием Sn 2+ и выделением водорода, а свинец в этих кислотах почти не растворяется, так как покрывается нерастворимыми продуктами окисления PbCl 2 и PbSO 4 . В концентрированной HCl эти металлы растворяются с образованием хлорокомплексов:
Концентрированная H 2 SO 4 окисляет олово до Sn(SO 4 ) 2 , а свинец до Pb(HSO 4 ) 2 ; Н 2 SO 4 при этом восстанавливается до SO 2 . Разбавленной HNO 3 олово и свинец окисляются до нитратов М(NO 3 ) 2 , восстанавливая HNO 3 до NO: 3М + 8HNO 3 (разб.) = 3М(NO3) 2 + 2NO + 4Н 2 О
Концентрированная HNO 3 переводит олово в оловянную кислоту H 2 SnO 3 , а свинец – в соль Pb(NO 3 ) 2 , HNO 3 восстанавливается до NO 2 .
При нагревании оба металла растворяются в водных растворах щелочей:
Олово и свинец образуют нерастворимые в воде оксиды: SnO, PbO и SnO 2 , PbO 2 . Этим оксидам соответствуют гидроксиды, обладающие амфотерными свойствами. В гидроксидах олова (II) и свинца (II) преобладают основные свойства, а в гидроксидах олова (IV) и свинца (IV) – кислотные.
Задачи и упражнения для самостоятельного решения
1 . Составить уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления следующих превращений:
2 . Чем можно объяснить восстановительные свойства соединений олова (II) и окислительные свойства соединений свинца (IV)? Закончить уравнения реакций: а) SnCl 2 + HgCl 2 = …; б) KCrO 2 + PbO 2 + KOH = K 2 CrO 4 + ….
3 . Какие оксиды и гидроксиды образует олово? Как изменяются их кислотно-основные свойства в зависимости от степени окисления Sn? Закончить уравнения реакций: а) SnO 2 + KOH = …; б) SnO + H 2 SO 4 = …;
4 . При сжигании 18 г алюминия в кислороде выделилось 558 кДж теплоты. Определить энтальпию образования Al 2 O 3 . ( Ответ : −1674 кДж/моль).
5 . Закончить уравнения окислительно-восстановительных реакций:
6 . Написать уравнения реакций взаимодействия металлов с кислотами:
7 . Закончить в молекулярном и ионном виде уравнения реакций гидролиза солей: а) AlCl 3 + H 2 O ↔ …; б) SnSO 4 + H 2 O ↔ …;
8 . Какие оксиды и гидроксиды образует свинец? Как изменяются их кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства в зависимости от степени окисления свинца? Закончить уравнения реакций:
а) PbO 2 + NaOH = …; б) PbO + HNO 3 = …; в) Pb(OH) 2 + KOH = ….
9 . Закончить уравнения реакций: а) Al + HCl = …; б) Sn + HNO 3 (разб.) = …; в) Pb + HNO 3 (разб.) = …; г) Al + KOH + H 2 O = ….
10 . Как можно получить α-оловянную кислоту, а затем перевести ее в раствор? Написать соответствующие уравнения реакций.
11 . При электролизе водного раствора SnCl2 на аноде выделилось 4,48 л хлора (условия нормальные). Найти массу выделившегося на катоде олова.
12 . Каким образом можно перевести в раствор металлический свинец? Составить соответствующие уравнения реакций.
13 . Составить схемы электролиза водного раствора Pb(NO 3 ) 2 , если:
а) анод свинцовый; б) анод угольный.
14 . Как можно перевести в раствор металлическое олово? Составить соответствующие уравнения реакций.
15 . К раствору, содержащему SnSO 4 и Pb(NO 3 ) 2 , прибавили избыток раствора КОН. Составить молекулярные и ионные уравнения происходящих при этом реакций.
16. Как можно перевести в раствор металлический алюминий? Составить соответствующие уравнения реакций.
17 . Закончить уравнения реакций:
18 . Закончить уравнения реакций:
образованием гидроксоалюмината, так и сильных кислотах, давая соли алюминия.
Атомы олова и свинца на внешнем энергетическом уровне имеют по 4 электрона ( ns 2 р 2 ). Поэтому характерные степени окисления олова и свинца +2 и +4. Для олова наиболее устойчивыми являются соединения со степенью окисления +4. Поэтому соединения Sn (II) являются восстановителями. Для свинца, наоборот, наиболее типичны соединения со степенью окисления +2. Вследствие этого соединения Pb (IV) проявляют себя как окислители.
В обычных условиях олово устойчиво по отношению к воздуху и воде, свинец на воздухе окисляется, покрываясь синевато-серой пленкой:
Pb + O 2 + CO 2 = PbO∙PbCO 3
В ряду напряжений олово и свинец расположены непосредственно перед водородом. В разбавленных HCl и H 2 SO 4 олово растворяется очень медленно с образованием Sn 2+ и выделением водорода, а свинец в этих кислотах почти не растворяется, так как покрывается нерастворимыми продуктами окисления PbCl 2 и PbSO 4 . В концентрированной HCl эти металлы растворяются с образованием хлорокомплексов:
М + 4HCl (конц.) = Н 2 [MCl 4 ] + H 2 ↑.
Концентрированная H 2 SO 4 окисляет олово до Sn(SO 4 ) 2 , а свинец до Pb(HSO 4 ) 2 ; Н 2 SO 4 при этом восстанавливается до SO 2 . Разбавленной HNO 3 олово и свинец окисляются до нитратов М(NO 3 ) 2 , восстанавливая HNO 3 до NO:
3М + 8HNO 3 (разб.) = 3М(NO 3 ) 2 + 2NO + 4Н 2 О
Концентрированная HNO 3 переводит олово в оловянную кислоту H 2 SnO 3 , а свинец – в соль Pb(NO 3 ) 2 , HNO 3 восстанавливается до NO 2 .
При нагревании оба металла растворяются в водных растворах щелочей:
М + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 [M(OH) 4 ] + H 2 ↑.
Олово и свинец образуют нерастворимые в воде оксиды: SnO, PbO и SnO 2 , PbO 2 . Этим оксидам соответствуют гидроксиды, обладающие амфотерными свойствами. В гидроксидах олова (II) и свинца (II) преобладают основные свойства, а в гидроксидах олова (IV) и свинца (IV) – кислотные.
Источник
