85. Металлы ivа группы. Сопоставление их физических и химических свойств со свойствами углерода и кремния.

В главную подгруппу IV группы входят пять элементов: углерод С, кремний Si, германий Ge, олово Sn, свинец РЬ. Внешняя электронная конфигурация их атомов «s2«p2. Основная степень окисления элементов в их соединениях +4. При переходе от германия к свинцу возрастает устойчивость соединений со степенью окисления +2. В ряду Ge -» Sn -» Pb с увеличением атомного радиуса энергия ионизации уменьшается, металлические свойства усиливаются. Оксиды и гидроксиды металлов проявляют амфотерные свойства. В ряду GeO SnO -> РЬО основные свойства увеличиваются, восстановительные ослабевают. В ряду Ge02 -» Sn02 -> РЬ02 преобладание кислотных свойств усиливается, окислительная активность возрастает. РЬ02 — сильнейший окислитель.

Германий и его соединения

Физические свойства. Германий — серебристо-белое вещество, по внешнему виду похож на металл. Обладает полупроводниковыми свойствами, хрупок. Имеет 4 модификации. При нормальных условиях устойчива одна с тетраэдрической кристаллической решеткой типа решетки алмаза; остальные модификации существуют при повышенном давлении.

Химические свойства. При нормальных условиях германий инертен.

1. Взаимодействие с простыми веществами:

C галогенами легко соединяется:

Ge + 2Г₂ = GeГ₄

C кислородом и серой при нагревании вступает в реакцию:

Ge + O₂  GeO₂

Ge + S GeS

C не образует с углеродом карбидов, поэтому германий можно плавить в графитовых тиглях;

Pастворяется при нагревании в концентрированных серной, азотной кислотах, царской водке:

Ge + 2H₂SO₄ (конц.) GeO₂∙nH₂O

Ge + 4HNO₃ (конц.) GeO₂∙nH₂O

Pастворяется в щелочах в присутствии окислителя Н₂O₂:

Ge + 2KOH + 3H₂O₂ = K₂[Ge(OH)₆] + H₂

Получение. Из отходов переработки полиметаллических руд. Германий восстанавливают из оксида при 600—700 °С:

GeO₂ + H₂ = Ge + 2H₂O

Соединения. Оксиды GeO и Ge02 — амфотерные с преобладанием кислотных свойств:

GeO₂ (аморф.) + 4HCl = GeCl₄ + 2H₂O

GeO₂ (аморф.) + 2 NaOH + 2H₂O = Na₂[Ge(OH)₆] (гексагидроксогермани натрия)

GeO₂ (аморф.) + 2NaOH Na₂GeO₃ (метагерманат натрия) + H₂O

GeO₂ (аморф.) + 4NaOH Na₄GeO₃ (ортогерманат натрия) + 2H₂O

Оксид GeO — сильный восстановитель: 2GeO ^1 с > Ge + + Ge0₂, a Ge0₂ термически устойчив.

Получение соединений осуществляется по реакциям:

GeCl₄ + H₂O = GeO₂∙nH₂O

GeO₂∙nH₂O GeO₂ + H₂O

GeO₂ + Ge 2GeO, 2GeO + O₂ 2GeO₂

Гидроксид Ge(OH)₂ — амфотерный с преобладанием кислотных свойств.

Применение. Германий и его соединения находят применение в полупроводниковой промышленности.

Физические свойства.

Углерод.

Углерод в природе встречается в нескольких аллотропных модификаций – алмаз, графит, фуллерены.

Кремний.

Кремний существует в двух аллотропных модификациях: 1. Аморфный кремний – бурый порошок с температурой плавления 1420°С. 2. Кристаллический кремний – твердое вещество темно-серого цвета со слабым металлическим блеском, обладает теплои электропроводностью. Аморфный кремний является более реакционноспособным, чем химически довольно инертный кристаллический кремний. Кристаллический кремний — полупроводник, его электропроводность возрастает при освещении и нагревании. Кремний − один из самых распространенных в земной коре элементов.

Химические свойства углерода и кремния.

При обычной температуре углерод малоактивен. При нагревании он реагирует со многими простыми и сложными веществами.

Углерод может быть как восстановителем, так и окислителем, поэтому в соединениях может проявлять положительную и отрицательную степень окисления.

По химическим свойствам кремний во многом схож с углеродом, что объясняется одинаковой структурой внешнего электронного слоя. При обычных условиях кремний довольно инертен, что обусловлено прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно при комнатной температуре он взаимодействует только с фтором. При температуре 400 - 600°С кремний реагирует с хлором и бромом, а в кислороде измельченный кремний сгорает. С азотом и углеродом кремний реагирует при очень высоких температурах. Во всех указанных реакциях кремний играет роль восстановителя.

I. Взаимодействие углерода с простыми веществами.

1. Взаимодействие с кислородом. Углерод горит на воздухе с выделением большого количества тепла. При этом образуется оксид углерода (IV), или углекислый газ СO2:

C + O2 → CO2

При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II), или угарный газ СО:

2С + O2 → 2СО2.

Углерод взаимодействует с металлами, образуя карбиды металлов:

4Al + 3C → Al4C3 карбид алюминия II.

Взаимодействие углерода со сложными веществами.

1. Для углерода в отличие от других неметаллов весьма характерны восстановительные свойства, он может восстанавливать оксиды металлов и неметаллов:

C + CuO → Cu + CO

2. Взаимодействие с водой. При пропускании через раскаленный уголь водяного пара получается смесь оксида углерода (II) с водородом, или водяной газ:

C + H2O → CO + H2