Соединения со степенью окисления –4

С менее электроотрицательными элементами, чем он сам, углерод образует карбиды; кремний – силициды; германий – германиды; олово – станниды; свинец- плюмбиды.

СН₄ – метан – простейший ковалентный карбид водорода; С₂Н₆ – этан – перкарбид водорода.

Большое значение имеют карбиды d-элементов IV-VIII групп, например, Fe₃C. Многие из них имеют металлические признаки, обладают высокой твёрдостью, жаропрочностью, тугоплавкостью, высокой коррозионной стойкостью. Карбиды, как и силициды, получают прокаливанием при высоких температурах смеси металлов или их оксидов с порошком угля в электрических печах:

V₂O₅ + 7C = 2VC + 5CO

2Mg + Si = Mg₂Si

6MnO + 5Si = 2Mn₃Si + 3SiO₂

По структуре и свойствам силициды отличаются от карбидов. Так, силициды s- и d-элементов I-II групп Ca₂Si, CaSi, CaSi₂ – полупроводники, химически неустойчивы. Карбиды подразделяются на:

• ионные – s и р- металлы- производные метана Al₄C₃ или ацетилена СаС₂, разлагаются водой или разбавленными кислотами с выделением метана или ацетилена;

• ковалентные – карбиды неметаллов, например, карборунд SiC, это тугоплавкие, химически инертные вещества;

• металлоподобные –d-элементы - металлы сохраняют свои металлические структуры, атомы углерода внедряются в пустоты, при этом сохраняется электропроводность металлов. У них высокая твёрдость, жаропрочность, химическая стойкость.

Аналог метана SiH₄ – силан. Существуют также Si₂H₆, Si₃H₈, Si₄H₁₀…Si₆H₁₄. Кремневодороды чрезвычайно неустойчивы, поскольку связи Si-H и Si-Si слабее связей С-Н и С-С. На воздухе самовоспламеняются, вследствие чего в природе существовать не могут.

Германий и его аналоги с магнием образуют соединения состава Mg₂Э. В ряду Mg₂Ge – Mg₂Sn- Mg₂Pb увеличивается доля металлической связи, уменьшается температура плавления, энтальпия образования. Также типичны соединения олова и свинца с s-элементами: Na₂Sn; NaSn, NaSn₂, а также эвтектические сплавы.

Соединения со степенью окисления + 2

Для углерода – CO (угарный газ), CS, HCN. В молекуле СО – тройная связь, поэтому у молекулы высокая энергия диссоциации и сходство с физическими свойствами азота. В обычных условиях СО химически инертен. СО образуется при сгорании угля в недостатке кислорода или в результате взаимодействия СО₂ с раскалённым углём:

2С + О₂ = 2СО

СО₂ + С  2CO

При нагревании СО проявляет восстановительные свойства, что применяется в металлургии. При 700^оС сгорает:

2СО + О₂ = СО₂

Поэтому его применяют в качестве газообразного топлива. При нагревании окисляется серой:

CO + S = COS

При облучении или в присутствии катализатора СО взаимодействует с хлором.

СО взаимодействует со многими металлами, образуя комплексные соединения – карбонилы, например, [Fe(CO)₅], [Ni(CO)₄]. Роль акцептора выполняют свободные металлы, а роль донора – молекулы СО.

Цианид водорода HCN смешивается с водой в любых отношениях. Его водный раствор- синильная кислота – очень сильный яд – очень слабая кислота с К_д = 7,910^-10. Жидкий циановодород постепенно полимеризуется. При нагревании растворы цианидов постепенно окисляются в цианаты:

2CN^- + O₂ = 2CNO^-

При кипячении цианидов с серой образуются тиоцианаты (роданиды):

CN^- + S = CNS^-

Получение цианида водорода:

CO + NH₃ = HCN + HOH

Его применяют в органическом синтезе, соли – в добыче золота, для получения комплексных солей.

При нагревании цианидов малоактивных металлов до 350-450^оС образуется дициан – очень реакционноспособный ядовитый газ:

Hg(CN)₂ = Hg + (CN)₂

Дициан по свойствам подобен галогенам:

(СN)₂ + H₂ = 2HCN

Для кремния степень окисления +2 неизвестна, для германия известны лишь немногочисленные бинарные соединения. Оксиды и гидроксиды олова и свинца ЭО и Э(ОН)₂амфотерны:

Э(ОН)₂ + 2HCl =ЭCl₂ + 2HOH

Э(ОН)₂ + 2КОН = К₂[Э(ОН)₄]

В ряду Ge(OH)₂-Sn(OH)₂-Pb(OH)₂ происходит усиление основных свойств.

Соединения со степенью окисления +4

Степень окисления +4 углерод и кремний проявляют в их соединениях с более электроотрицательными неметаллическими элементами:

СГ₄; СОГ₂; СО₂; Н₂СО₃; НСО₃^-; СО₃^2-; COS; CS₂; CSГ₂

SiГ₄; SiO₂; SiS₂; Si₃N₄; SiC

По химической природе эти соединения являются кислотными. Некоторые из них легко взаимодействуют с водой, образуя кислоты, и с основными соединениями, образуя соли:

COCl₂ + 2HOH = H₂CO₃ + 2HCl

CaS + CS₂ = CaCS₃

Тетрагалогениды углерода и кремния: CF₄ и SiF₄ – газы; CCl₄, SiCl₄, SiBr₄ – жидкости; CBr₄, CI₄- твёрдые вещества. С ростом длины связи в ряду CF₄ – CCl₄ – CBr₄- CI₄ устойчивость соединений снижается и возрастает химическая активность. Тетрафторид полимеризуется с образованием полимера – тефлона. Тетрахлорид – негорючий растворитель органических веществ, жидкость для огнетушителя. Смешанный фторид-хлорид углерода CCl₂F₂ – фреон – применяется в качестве хладагента в холодильных машинах и установках. В отличие от тетрагалогенидов углерода тетрагалогениды кремния гидролизуются:

SiCl₄ + 3HOH = H₂SiO₃ + 4HCl

Вследствие гидролиза тетрагалогениды кремния во влажном воздухе дымят.

Оксодигалогениды (карбонигалогениды) – значительно более реакционноспособны, чем тетрагалогениды, легко гидролизуются:

COCl₂ + HOH = CO₂ + 2HCl

Наибольшее применение находит COCl₂ – фосген. Его широко используют в органическом синтезе. Это очень ядовитый газ.

Дисульфид углерода (сероуглерод) – летучая бесцветная жидкость. Его получают взаимодействием паров серы с раскалённым углём. Сероуглерод легко окисляется:

CS₂ + 3O₂ = CO₂ + 2SO₂

В воде не растворяется. Сероуглерод используется как хороший растворитель органических веществ, фосфора, серы, йода. Его основная масса применяется в производстве вискозного шёлка и для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве. Он ядовит.

COSтакже легко воспламеняется и ядовит. При взаимодействии сероуглерода с основными сульфидами образуются сульфидокарбонаты (тиокарбонаты):

K₂S + CS₂ = K₂[CS₃]

K₂[CS₃] + 2HCl = H₂CS₃ + 2KCl

Тиоугольная кислота – это маслянистая жидкость, относится к разряду слабых кислот, разлагается водой:

H₂CS₃+ 3HOH=H₂CO₃+ 3H₂S

Диоксид углерода (углекислый газ) имеет линейную структуру О=С=О, молекула неполярна. Это газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза, сравнительно легко сжижается. Диоксид углерода, растворяясь в воде, образует слабую угольную кислоту. В растворе устанавливается динамическое равновесие:

НОН+ СО₂ H₂CO₃ H⁺ + HCO^-₃; K₁ = 4,410^-7

HCO₃^- H⁺ + CO₃^2-; K₂ = 4,710^-11

Угольная кислота образует средние (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты) соли. наибольшее применение имеют: карбонат натрия – сода, поташ; карбонат кальция – мел, мрамор; гидрокарбонат натрия – питьевая сода.

Диоксид кремния – бесцветное твёрдое вещество, имеющее полимерное строение. Ему соответствует ряд кислот, состав которых выражают формулой xSiO₂yH₂O, простейшая из них – метакремниевая кислота – SiO₂H₂O = H₂SiO₃. Кислоты, в которых х2, называются поликремниевыми. Природные силикаты – это соли поликремниевых кислот. Диоксид кремния и соответствующие ему кислоты нерастворимы в воде.

Гексафторосиликат водорода H₂SiF₆ в свободном состоянии не выделен, в водном растворе –это сильная (типа серной) гексафторокремниевая кислота.

Диоксид олова – амфотерен. Очень активен тетрахлорид олова, с водой гидролиз протекает до образования гидроксида, дымится во влажном воздухе:

SnCl₄ + 4HOH  Sn(OH)₄ + 4HCl

SnCl₄ + 4NH₃ + 6HOH = H₂[Sn(OH)₆] + 4NH₄Cl - -оловянная кислота

При стоянии -оловянная кислота переходит в неактивную форму --оловянную кислоту.

Диоксид свинца обладает сильными окислительными свойствами. Свинец образует и смешанные оксиды Pb₂O₃ и Pb₃O₄ (сурик - оранжево-красного цвета, краситель, окислитель), которые можно рассматривать как соли свинца (II) с кислотами свинца (IV):

Pb₂O₃ = PbPbO₃

Pb₃O₄ = Pb₂PbO₄

В разном валентном состоянии можно убедиться реакцией взаимодействия с разбавленной азотной кислотой:

Pb₂PbO₄ + 4HNO₃ = 2Pb(NO₃)₂ + PbO₂ + 2HOH