Металлы 4 а группы
К элементам главной подгруппы IV группы относятся углерод, кремний, германий, олово, свинец. Металлические свойства усиливаются, неметаллические - уменьшаются. На внешнем слое – 4 электрона.
Химические свойства (на основе углерода)
- Взаимодействуют с металлами:
4Al + 3C = Al4C3 (реакция идсет при высокой температуре)
- Взаимодействуют с неметаллами:
- Взаимодействуют с водой:
- Взаимодействуют с кислотами:
Углерод. Характеристика углерода, исходя из его положения в периодической системе, аллотропия углерода, адсорбция, распространение в природе, получение, свойства. Важнейшие соединения углерода
Углерод (химический символ — C, лат. Carboneum) — химический элемент четырнадцатой группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы), 2-го периода периодической системы химических элементов. порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107.
Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12С (98,93 %) и 13С (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14С (β-излучатель, Т½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры.
Основные и хорошо изученные аллотропные модификации углерода — алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении.
При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15-20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость.
Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке.
Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.
Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах.
Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.
При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300-500 °C, 600-700 °C и 850-1000 °C.
Продуктами горения углерода являются CO и CO2 (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С3О2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например C12O9, C5O2, C12O12). Графит и аморфный углерод начинают реагировать с водородом при температуре 1200 °C, с фтором при 900 °C.
Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).
Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан.
При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту:
При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2.
С большинством металлов углерод образует карбиды, например:
Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром:
При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.
Графит используется в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости. Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы,полимеры и другие соединения. Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)
Углерод входит в состав атмосферных аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Углерод поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100-400 мкг/м³, крупными городами 2,4-15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5-0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6-15) · 109 Бк/сут 14СО2.
Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.
Важнейшие соединения. Оксид углерода (II) (угарный газ) CO. В обычных условиях - бесцветный без запаха и вкуса очень ядовитый газ. Ядовитость объясняется тем, что она легко соединяется с гемоглобином крови.
Оксид углерода (IV) CO2. При обычных условиях - бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом, в полтора раза тяжелее воздуха, не горит и не поддерживает горения.
Угольная кислота H2CO3. Слабая кислота. Молекулы угольной кислоты существуют только в растворе.
Фосген COCl2. Бесцветный газ с характерным запахом, tкип = 8оС, tпл = -118оС. Очень ядовит. Мало растворим в воде. Реакционноспособен. Используется в органических синтезах.
IV группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (углерод, кремний)
Общая характеристика элементов 4 группы главной подгруппы
От С к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение:
- атомного радиуса,
- металлических, основных, восстановительных свойств,
Уменьшается
- электроотрицательность,
- энергия ионизация,
- сродство к электрону.
Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 4 электрона на внешнем слое ns 2 np 2 :
С – 2s 2 2p 2
Si – 3s 2 3p 2
Ge – 4s 2 4p 2
Sn – 5s 2 5p 2
Pb – 6s 2 6p 2
Углерод и кремний
Нахождение в природе углерода и кремния
Углерод в природе распространен и в виде простых веществ (алмаз, графит), и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).
Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Чаще всего в природе кремний встречается в виде соединений на основе SiO2 (речной и кварцевый песок, кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты), силикатов и алюмосиликатов.
Углерод
Химические свойства углерода
Качественные реакции
- Обнаружить карбонат-ионы CO3 2- — можно при помощи взаимодействия солей-карбонатов с сильными кислотами. При этом выделяется углекислый газ — газ без цвета и запаха, не поддерживающий горение:
- Качественная реакция на углекислый газ CO2 – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:
При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок CaCO3 растворяется:
- Углекислый газ СО2не поддерживает горение.
- Угарный газ CO горит голубым пламенем.
Взаимодействие углерода с простыми веществами
С кислородом
Горит в недостатке кислорода с образованием угарного газа:
в избытке кислорода – с образованием углекислого газа:
С галогенами (F, Cl, Br, I)
Углерод реагирует со фтором при нагревании до 900ºС с образованием фторида углерода (IV):
Раскаленный углерод реагирует с другими галогенами:
С водородом
При нагревании в присутствии катализатора (Ni) углерод взаимодействует с водородом с образованием метана:
С серой
При сильном нагревании углерод взаимодействует с серой с образованием сероуглерода:
С азотом
С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:
С углеродом
При нагревании около 2000 о С кремний вступает в реакцию с углеродом с образованием карбида кремния (карборунда):
С фосфором
Не взаимодействует
С металлами
В реакциях с активными металлами углерод выступает в качестве окислителя, образуя карбиды:
Взаимодействие со сложными веществами
С водой
При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:
С кислотами
Углерод как восстановитель взаимодействует с кислотами-окислителями:
С концентрированной азотной кислотой
C концентрированной серной кислотой:
С солями
В расплавах KNO3 и NaNO3 измельченный уголь интенсивно сгорает:
С оксидами
Углерод взаимодействует с многими основными и амфотерными оксидами, с образованием металла и угарного газа:
C + 2ZnO → 2Zn + CO
Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.
При взаимодействии углерода с оксидами активных металлов образуются карбиды:
3С + СаО → СаС2 + СО
Кремний
Способы получения кремния
В промышленности основным сырьем для получения кремния служит кремнезем (диоксид кремния):
- Восстановление SiO2 углеродом в электропечах при температуре 1800ºС:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Таким способом получают технический кремний.
- Особо чистый кремний из технического продукта получают следующим образом:
В лаборатории кремний можно получить:
- при прокаливании смеси металлического магния с мелко измельченным кремнеземом:
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
- восстановление кремния из его оксида алюминием:
Химические свойства кремния
Качественная реакция на силикат-ионы SiO3 2- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами.
При этом выделяется белый гелеобразный осадок:
Взаимодействие кремния с простыми веществами
Взаимодействует с кислородом при температуре более 400°С с образованием диоксида кремния:
При обычных условиях кремний реагирует только со фтором с образованием фторида кремния (IV):
С остальными галогенами реакция идет при нагревании до 300-500ºС:
Не взаимодействует
При температуре выше 600°С кремний взаимодействует с серой с образованием сульфида кремния:
С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:
В реакциях с активными металлами кремний выступает в качестве окислителя, образуя силициды:
Взаимодействие кремния со сложными веществами
Непосредственно с водой не взаимодействует, однако аморфный кремний реагирует с перегретым водяным паром при температуре 400-500°С:
С кислотами
- Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот.
- Аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:
- При обработке кремния безводным HF комплекс не образуется:
- Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот (травление кремния кислотами):
С водными растворами щелочей
В водных растворах щелочей при нагревании выше 60ºС кремний растворяется с образованием солей силикатов (травление щелочами):
При восстановлении SiO2 кремнием при температурах свыше 1200 ºC образуется оксид кремния (II) — SiO.
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
I группа главная подгруппа Периодической системы Менделеева представляет собой щелочные металлы. К щелочным металлам относят химические элементы: Литий Li, Натрий Na, Калий K, Цезий Cs, Рубидий Rb Франций Fr Эти металлы очень активны, поэтому их хранят под слоем вазелина или керосина. Общая характеристика щелочных металлов От Li к Fr (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, реакционной способности. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к…
II группа главная подгруппа Периодической таблицы Менделеева (щелочноземельные металлы)
К щелочноземельным металлам относят химические элементы: двувалентные металлы, составляющие IIА группу: Бериллий Be магний Mg кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra. Хотя бериллий Be по свойствам больше похож на алюминий, а магний Mg проявляет некоторые свойства щелочноземельных металлов, но в целом отличается от них. Все щелочноземельные металлы — вещества серого цвета и гораздо более твердые, чем щелочные металлы. Бериллий Be устойчив на воздухе. Магний и кальций (Mg и Ca) устойчивы в сухом воздухе. Стронций Sr и барий Ba хранят под слоем керосина. Общая характеристка щелочноземельных металлов От Be к Ra (сверху…
III группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (Алюминий)
Общая характеристика алюминия Алюминий – лёгкий серебристо-белый металл, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Аl — довольно активный металл, однако при обычных условиях ведет себя инертно — имеет высокую температуру воспламенения, со многими веществами реагирует только при высокой температуре; Все реакции с участием Al проходят через первоначальный замедленный период из-за наличия на его поверхности очень тонкой, прочной, газо- и водонепроницаемой пленки Al2O3. При нарушении цельности этой пленки…
IV группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (углерод, кремний)
К элементам главной подгруппы IV группы относятся Углерод С Кремний Si Германий Ge Олово Sn Свинец Pb Общая характеристика элементов 4 группы главной подгруппы От С к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону. Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 4 электрона на внешнем слое ns2np2: С – 2s22p2 Si – 3s23p2 Ge…
Соединения углерода
Монооксид углерода (угарный газ) Способы получения угарного газа В промышленности угарный газ получают: при пропускании воздуха через раскаленный уголь: C + O2 → CO2 CO2 + C → 2CO паровая конверсия метана – взаимодействие перегретого водяного пара (температура – 800-900ºС) с метаном. В качестве катализаторов используют Ni, MgO, Al2O3: СН4 + Н2O → СО + 3Н2 взаимодействие метана с углекислым газом (температура – 800-900ºС, кат. – Ni, MgO, Al2O3): СН4 +…
Соединения кремния
Силан (моносилан, гидрид кремния) Способы получения силана Разложение силицида магния соляной кислотой – наиболее распространенный способ получения силана: Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4↑ Восстановление галогенидов кремния алюмогидридом лития: SiCl4 + LiAlH4 = SiH4↑ + LiCl + AlCl3 Разложение триэтоксисилана при нагревании до 80ºС в присутствии натрия: 4SiH(OC2H5)3 = SiH4↑ + 3Si(OC2H5)4 Химические свойства силана Силаны (кремневодороды) имеют общую формулу SinH2n+2, где n = 1-8. Цепи -Si-Si- неустойчивы. Моносилан SiH4…
V группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (азот, фосфор)
К элементам главной подгруппы V группы периодической таблицы Менделеева относятся: Азот N Фосфор P Мышьяк As Сурьма Sb Висмут Bi Общая характеристика элементов 5 группы главной подгруппы От N к Bi (сверху вниз в периодической таблице) Увеличивается атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону. Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 5 электронов на внешнем слое ns2np3: N – 2s2 2p3; P…
Соединения азота
Аммиак (NH3) Способы получения аммиака Промышленный синтез — один из важнейших процессов в химическом производстве. В промышленности аммиак получают прямым синтезом из водорода и азота. Для смещения равновесия в сторону образования аммиака реакцию проводят в присутствии катализатора, при высоком давлении (до 1000 атм.) и высокой температуре (500-550оС): N2 + ЗН2 ⇄ 2NH3+ Q Лабораторный способ В лабораторных условиях аммиак получают при воздействии твердых щелочей на твердые соли аммония: 2NH4Cl +…
Соединения фосфора
Фосфин (PH3) Способы получения фосфина Прямым синтезом PH3 получить нельзя. Фосфин получают путем водного или кислотного гидролиза фосфидов: Ca3P2 + 6H2O → 3Са(ОН)2 + 2PH3↑ Mg3P2 + 6HCl → 3MgCl2 + 2PH3↑ Реакция диспропорционирования фосфора в щелочах: 4P + 3KOH + 3H2O → 3KH2PO2 + PH3↑ Разложение солей фосфония (Температура выше 80ºС): P4I ↔ HI+ PH3↑ Физические свойства фосфина При нормальной температуре фосфин является бесцветным газом с резким чесночным запахом….
VI группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (кислород, сера)
К элементам главной подгруппы VI группы периодической таблицы Менделеева относятся: Кислород O Сера S Селен Se Теллур Te Полоний Po Общая характеристика элементов 6 группы главной подгруппы От O к Po (сверху вниз в периодической таблице) Увеличивается атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств, Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону. Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 6 электронов на внешнем слое ns2np4: O – 2s2 2p4; S…
II группа главная подгруппа Периодической таблицы Менделеева (щелочноземельные металлы)
К щелочноземельным металлам относят химические элементы: двувалентные металлы, составляющие IIА группу:
Бериллий Be
магний Mg
кальций Ca,
стронций Sr,
барий Ba и
радий Ra.
Хотя бериллий Be по свойствам больше похож на алюминий, а магний Mg проявляет некоторые свойства щелочноземельных металлов, но в целом отличается от них.
Все щелочноземельные металлы — вещества серого цвета и гораздо более твердые, чем щелочные металлы.
Бериллий Be устойчив на воздухе. Магний и кальций (Mg и Ca) устойчивы в сухом воздухе. Стронций Sr и барий Ba хранят под слоем керосина.
Общая характеристка щелочноземельных металлов
От Be к Ra (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение:
- атомного радиуса,
- металлических, основных, восстановительных свойств,
- реакционной способности.
Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 2 электрона на внешнем уровне ns 2 :
Be — 2s 2
Mg —3s 2
Ca — 4s 2
Sr — 5s 2
Ba — 6s 2
Ra — 7s 2
Нахождение в природе щелочноземельных металлов
Как правило, щелочноземельные металлы в природе присутствуют в виде минеральных солей: хлоридов, бромидов, йодидов, карбонатов, нитратов и др.
Основные минералы, в которых присутствуют щелочноземельные металлы:
Способы получения щелочноземельных металлов
Магний
- Магний получают электролизом солей, чаще всего хлоридов: расплавленного карналлита (KCl·MgCl26H2O) или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
- восстановлением прокаленного доломита в электропечах при 1200–1300°С:
2(CaO · MgO) + Si → 2Mg + Ca2SiO4
Кальций
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
Барий
Барий получают алюмотермическим способом — восстановление оксида бария алюминием в вакууме при 1200 °C:
Химические свойства щелочноземельных металлов
- Окрашивание пламени солями щелочных металлов
Цвет пламени:
Sr — карминово-красный (алый)
Взаимодействие с простыми веществами — неметаллами
С кислородом взаимодействуют при нагревании с образованием оксидов
С галогенами
Щелочноземельные металлы реагируют с галогенами при нагревании с образованием галогенидов .
Щелочноземельные металлы реагируют с водородом при нагревании с образованием гидридов:
Бериллий с водородом не взаимодействует.
Магний реагирует только при повышенном давлении:
Щелочноземельные металлы при нагревании взаимодействуют с серой с образованием сульфидов сульфидов:
Ca + 2C → CaC2 (карбиды)
При комнатной температуре с азотом взаимодействует только магний с образованием нитрида:
Остальные щелочноземельные металлы реагируют с азотом при нагревании.
Щелочноземельные металлы реагируют с углеродом с образованием карбидов, преимущественно ацетиленидов:
Бериллий при нагревании с углеродом с образует карбид — метанид:
Щелочноземельные металлы при нагревании взаимодействуют с фосфором с образованием фосфидов:
Взаимодействие со сложными веществами
Кальций, стронций и барий взаимодействуют с водой при комнатной температуре с образованием щелочи и водорода:
Магний реагирует с водой при кипячении, а бериллий с водой не реагирует.
с концентрированной серной:
с разбавленной и концентрированной азотной:
В водных растворах щелочей растворяется только бериллий:
С солями
В расплаве щелочноземельные металлы могут взаимодействовать с некоторыми солями:
Запомните! В растворе щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой, а не с солями других металлов.
Щелочноземельные металлы могут восстанавливать из оксидов такие неметаллы как кремний, бор, углерод:
2Ca + SiO2 → 2CaO + Si
Магний сгорает в атмосфере углекислого газа с образованием оксида магния и сажи (С):
Общая характеристика элементов 4А группы. Олово, свинец
В состав группы входят 5 элементов: два неметалла – углерод и кремний, находящиеся в во втором и третьем периодах системы Менделеева и 3 металла –германий (промежуточный между неметаллами и металлами, олово и свинец, находящиеся в конце больших периодов-IV, V, VI. Для всех этих элементов характерно то, сто они имеют на внешнем энергетическом уровне 4 электрона. И поэтому могут проявлять степень окисления от +4 до -4. эти элементы образуют газообразные соединения с водородом : СН4, Si Н4, Sn Н4, PbН4. при нагревании на воздухе соединяются с элементами подгруппы кислорода, серы и с галогенами.
Степень окисления +4 получается при переходе 1s –электрона на свободную р- орбиталь. С увеличением радиуса атома уменьшается прочность связи наружных электронов с ядром. Неметаллические свойства уменьшаются, а металлические нарастают. (снижаются температура плавления и кипения и т.д)
Олово не принадлежит к числу широко распространенных металлов (содержание в земной коре 0,04%) но оно легко выплавляется из руд и поэтому стало изветсно человеку в виде его сплавов с медью (бронза) со времен глубокой древности. Встречается в виде кислородного соединения SnО2 (оловянного камня, из которого получается посредством восстановления углем). В свободном состоянии олово – серебристо-белый мягкий металл. При сгибании палочки олова слышится характерный треск, обусловленный трением отдельных кристаллов друг о друга.
Олово обладает мягкостью и тягучестью и легко может быть прокатано в тонкие листы, называемые оловянной фольгой или станиолем.
Кроме обычного белого олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе, существует другое видоизменение олова –серое олово кристаллизующееся в кубической системе и имеющее меньшую плотность. Белое олово устойчиво при температурах выше 14 о С, а серое – при температурах ниже 14 о С, поэтому при охлаждении белое олово превращается в серое. В связи со значительным изменением плотности металл при этом рассыпается в серый порошок. Это явление получило название оловянной чумы. Быстрее всего превращение белого олова происходит при температурах около 30 о С; оно ускоряется в присутствии зародышей кристаллов серого олова.
Сплавы олова с сурьмой и медью применяются для изготовления подшипников. Эти сплавы (оловянные баббиты) обладают высокими антифрикционными свойствами. сплавы олова со свинцом – припой – 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 SnО2 вода не действует на олово. Разбавленная соляная и серная кислота действуют очень медленно. Концентрированные эти кислоты, при нагревании растворяют олово.
Рекомендуемые материалы
Задача: 33В задачах (31-44) объясните изменение первой энергии ионизации в указанном ряду атомов элементов.
Читайте также: