IVA グループの要素。 IVA グループの元素 最も重要な炭素化合物

知る

• 周期表における炭素とケイ素の位置、自然界での存在と実用化。
• 炭素とシリコンの原子構造、原子価、酸化状態。
• グラファイト、ダイヤモンド、シリコンなどの単体物質の入手方法と特性。 新しい同素体形態の炭素。
• 炭素およびケイ素化合物の主な種類。
• ゲルマニウムサブグループの元素の特徴。

できる

• 炭素とケイ素の単体を得る反応、およびこれらの物質の化学的性質を特徴付ける反応の方程式を作成します。
• 炭素グループ内の元素の特性を比較します。
• 実際に重要な炭素とケイ素の化合物の特徴を明らかにする。
• 炭素とシリコンが関与する反応方程式に従って計算を実行します。

自分の

炭素、ケイ素、およびそれらの化合物が関与する反応の経過を予測するスキル。

原子の構造。 自然界における蔓延

周期表の IVA 族は、原子番号が偶数の 5 つの元素、炭素 C、シリコン Si、ゲルマニウム Ge、錫 Sn、鉛 Pb で構成されています (表 21.1)。 自然界では、このグループのすべての元素は安定同位体の混合物です。 炭素には 2 つの等角線 - *|С (98.9%) と *§С (1.1%) があります。 さらに、自然界には放射性同位体「|C」の痕跡があります。 tt= 5730 年。 宇宙放射線中性子と地球大気中の窒素原子核の衝突中に常に生成されます。

表21.1

IVAグループの元素の特徴

* 生体要素。

炭素の主同位体は、原子質量単位に基づいているため、化学および物理学において特に重要です。 { /2 原子の質量の一部「ICO はい）」

シリコンには自然界で 3 つの同位体があります。 その中で最も一般的なのは ^)Si (92.23%) です。 ゲルマニウムには 5 つの同位体があります (j^Ge - 36.5%)。 錫 - 同位体 10 個。 これは化学元素間の記録です。 最も一般的なのは 12 5 gSn (32.59%) です。 鉛には 4 つの同位体があります: 2 SgPb (1.4%)、2 S|Pb (24.1%)、2S2βL (22.1%)、および 2S2βL (52.4%)。 鉛の最後の 3 つの同位体は、天然の放射性同位体であるウランとトリウムの崩壊の最終生成物であるため、地殻中のそれらの含有量は地球の存在全体を通じて増加しました。

地殻内での普及率という観点から見ると、炭素は化学元素のトップ 10 に含まれます。 それは、黒鉛、石油の一部としての多くの種類の石炭、天然可燃性ガス、石灰石層（CaCO e）、ドロマイト（CaCO 3 -MgCO 3）および他の炭酸塩の形で発生します。 天然ダイヤモンドは、利用可能な炭素に占める割合は微々たるものですが、美しく最も硬い鉱物として非常に価値があります。 しかし、もちろん、炭素の最も高い価値は、炭素がすべての生物の体を形成する生体有機物質の構造的基礎であるという事実にあります。 炭素は、生命の存在に必要な多くの化学元素の中で最初のものであると当然考えられています。

ケイ素は地殻の中で 2 番目に豊富な元素です。 砂、粘土、そして私たちが目にする多くの岩石はケイ素鉱物で構成されています。 酸化ケイ素の結晶種を除いて、そのすべての天然化合物は ケイ酸塩、つまり さまざまなケイ酸の塩。 これらの酸自体は、個別の物質として得られたものではありません。 オルトケイ酸塩は SiOj - イオンを含み、メタケイ酸塩はポリマー鎖 (SiO 3 ") w で構成されます。ほとんどのケイ酸塩はケイ素原子と酸素原子の枠組みで構築され、その間に任意の金属と一部の非金属 (フッ素) 原子が位置します。広く知られているケイ素鉱物には、石英 SiO2、長石 (正長石 KAlSi 3 0 8)、雲母 (白雲母 KAl3 H 2 Si) が含まれます。 3 0 12)。合計で 400 以上のケイ素鉱物が知られています。ケイ素化合物は宝飾品や装飾用の石の半分以上を占めています。酸素とケイ素の骨格により、水中でのケイ素鉱物の溶解度が低くなります。地下の温泉からのみ、ケイ素化合物の成長物や地殻が何千年も堆積する可能性があります。ジャスパーはこのタイプの岩石に属します。

炭素、ケイ素、錫、鉛は古代から単体または化合物の形で知られており、発見の時期について語る必要はありません。 ゲルマニウムは、1886 年に K. Winkler (ドイツ) によって希少鉱物の粘土鉱中で発見されました。 そのような特性を持つ元素の存在がD.I.メンデレーエフによって予測されていたことがすぐに明らかになりました。 新しい元素の命名は論争を引き起こしました。 メンデレーエフはウィンクラーへの手紙の中でこの名前を強く支持した ゲルマニウム。

IVA族元素は外側に4つの価電子を持っています そ、および p サブレベル:

原子の電子式:

基底状態では、これらの元素は 2 価ですが、励起状態では 4 価になります。

炭素とシリコンは二価の状態の化合物をほとんど形成しません。 ほとんどすべての安定した化合物では、それらは 4 価です。 さらに下のグループでは、ゲルマニウム、スズ、鉛では、二価状態の安定性が増加し、四価状態の安定性が減少します。 したがって、鉛(IV)化合物は強力な酸化剤として作用します。 このパターンは VA グループにも現れます。 炭素とそのグループの他の元素との重要な違いは、3 つの異なる混成状態で化学結合を形成できることです。 sp、sp2と スプ３。シリコンには事実上、ハイブリッド状態が 1 つだけ残っています。 スプ３。これは、炭素化合物とシリコン化合物の特性を比較すると明らかです。 例えば、一酸化炭素ＣＯ ２ は気体（二酸化炭素）であり、酸化ケイ素ＳｉＯ ２ は耐火性物質（石英）である。 最初の物質は気体です。 sp- 炭素のハイブリッド化により、CO 2 分子内のすべての共有結合が閉じられます。

分子間の引力は弱く、それが物質の状態を決定します。 酸化シリコンでは、4 つのハイブリッド 5p 3 シリコン軌道が 2 つの酸素原子上で閉じることができません。 ケイ素原子は 4 つの酸素原子に結合しており、それぞれの酸素原子はさらに別のケイ素原子に結合しています。 すべての原子間の結合強度が同じである骨格構造がわかります (第 1 巻、40 ページの図を参照)。

メタン CH 4 とシラン SiH 4 など、同じハイブリッド形成を行う炭素とシリコンの化合物は、構造と物理的特性が類似しています。 どちらの物質も気体です。

IVA元素の電気陰性度はVAグループの元素に比べて低く、特に第2周期と第3周期の元素で顕著です。 IVA グループの元素の金属性は、VA グループよりも顕著です。 グラファイトの形の炭素は導体です。 シリコンとゲルマニウムは半導体ですが、スズと鉛は真の金属です。

エレメント	C	シ	ゲ	すん	鉛
シリアルナンバー	6	14	32	50	82
原子量 (相対)	12,011	28,0855	72,59	118,69	207,2
密度 (no.)、g/cm 3	2,25	2,33	5,323	7,31	11,34
tpl、℃	3550	1412	273	231	327,5
tベール、℃	4827	2355	2830	2600	1749
イオン化エネルギー、kJ/mol	1085,7	786,5	762,1	708,6	715,2
電子式	2秒2 2p2	3秒 2 3p 2	3D 10 4秒 2 4P 2	4D 10 5S 2 5P 2	4f 14 5d 10 6s 2 6p 2
電気陰性度 (ポーリングによる)	2,55	1,9	2,01	1,96	2,33

不活性ガスの電子式:

• 彼 - 1s 2 ;
• Ne-1s 2 2s 2 2p 6 ;
• Ar-1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
• Kr-3d 10 4s 2 4p 6 ;
• Xe-4d 10 5s 2 5p 6 ;

米。 炭素原子の構造。

D.I.メンデレーエフの化学元素周期表の第14族（古い分類によるIVa族）には、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫、鉛の5つの元素が含まれています（上の表を参照）。 炭素やシリコンは非金属、ゲルマニウムは金属の性質を示す物質、錫や鉛は代表的な金属です。

地殻中の 14 族 (IVa) 族の最も一般的な元素はケイ素 (地球上で酸素に次いで 2 番目に豊富な元素) (重量で 27.6%) で、続いて炭素 (0.1%)、鉛 (0.0014%)、錫 (0.00022%)、ゲルマニウム (0.00018%) です。

炭素とは異なり、シリコンは自然界に遊離の形で存在せず、結合した形でのみ存在します。

• SiO 2 - シリカ。石英（多くの岩石、砂、粘土の一部）およびその変種（瑪瑙、アメジスト、水晶、碧玉など）の形で見つかります。
• ケイ酸塩にはシリコンが豊富に含まれています：タルク、アスベスト。
• アルミノケイ酸塩：長石、雲母、カオリン。

ゲルマニウム、錫、鉛も自然界には遊離形では存在しませんが、いくつかの鉱物の一部です。

• ゲルマニウム: (Cu 3 (Fe, Ge)S 4) - ゲルマナイト鉱物。
• 錫: SnO 2 - 錫石;
• 鉛: PbS - 方鉛鉱; PbSO 4 - アングルサイト; PbCO 3 - セルサイト。

外部エネルギー準位で非励起状態にある 14(IVa) 族のすべての元素は、2 つの不対 p 電子を持っています (価数は 2、たとえば CO)。 励起状態に遷移すると（このプロセスにはエネルギーコストが必要です）、外側準位の 1 対の s 電子が自由 p 軌道に「ジャンプ」し、こうして 4 つの「孤立」電子（s 副準位に 1 つ、p 副準位に 3 つ）が形成され、元素の価数の可能性が広がります（価数は 4 です。たとえば、CO 2）。

米。 炭素原子の励起状態への遷移.

上記の理由により、14 族 (IVa) 族の元素は次の酸化状態を示すことがあります。 +2; 0; -4.

炭素から鉛への一連の電子を s 副準位から p 副準位に「ジャンプ」するにはますます多くのエネルギーが必要となるため (鉛原子を励起するよりも炭素原子を励起する方がはるかに少ないエネルギーしか必要としません)、炭素は 4 価を示す化合物に「より積極的に」入ります。 そしてリード - 2。

酸化状態についても同じことが言えます。炭素から鉛までの一連の酸化状態では、+4 および -4 の酸化状態の発現が減少し、+2 の酸化状態が増加します。

炭素とシリコンは非金属であるため、化合物に応じて正と負の両方の酸化状態を示すことができます（電気陰性元素が多い化合物では、C と Si が電子を供与し、電気陰性元素が少ない化合物では電子が増加します）。

C +2 O、C +4 O 2、Si +4 Cl 4 C -4 H 4、Mg 2 Si -4

Ge、Sn、Pb は、化合物内の金属と同様に、常に電子を供与します。

Ge +4 Cl 4 、Sn +4 Br 4 、Pb +2 Cl 2

炭素グループの元素は次の化合物を形成します。

• 不安定な 揮発性水素化合物（一般式 EH 4）。このうちメタン CH 4 のみが安定な化合物です。
• 非塩形成酸化物- 低級酸化物 CO および SiO;
• 酸酸化物- 高級酸化物 CO 2 および SiO 2 - これらは弱酸である水酸化物に相当します: H 2 CO 3 (炭酸)、H 2 SiO 3 (ケイ酸)。
• 両性酸化物- GeO、SnO、PbO および GeO 2、SnO 2、PbO 2 - 後者はゲルマニウム Ge (OH) 4、ストロンチウム Sn (OH) 4、鉛 Pb (OH) 4 の水酸化物 (IV) に相当します。

抽象的なキーワード: 炭素、シリコン、IVA グループの元素、元素の性質、ダイヤモンド、グラファイト、カービン、フラーレン。

IV族元素は、 カーボン、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛。 カーボンとシリコンの性質を詳しく見てみましょう。 表は、これらの要素の最も重要な特性を示しています。

ほぼすべての化合物に炭素とシリコンが含まれています。 四価 、それらの原子は励起状態にあります。 原子が励起されると、炭素原子の価電子層の構成が変化します。

シリコン原子の価電子層の構成も同様に変化します。

炭素原子とシリコン原子の外側のエネルギー準位には 4 つの不対電子があります。 シリコン原子の半径が大きく、価電子層が空になっている 3 d-軌道、これによりシリコン原子を形成する結合の性質に違いが生じます。

炭素の酸化状態は -4 から +4 の範囲で変化します。

炭素の特徴は鎖を形成する能力です。炭素原子は互いに結合して安定した化合物を形成します。 同様のシリコン化合物は不安定です。 炭素が鎖を形成する能力は、膨大な数の炭素の存在を決定します。 有機化合物 .

に 無機化合物 炭素には、その酸化物、炭酸、炭酸塩および重炭酸塩、炭化物が含まれます。 残りの炭素化合物は有機物です。

炭素という元素の特徴は、 同素性、その同素体修飾は ダイヤモンド、グラファイト、カービン、フラーレン。 炭素の他の同素体修飾が現在知られている。

石炭と すす次のように考えることができます まとまりのないグラファイトの種類。

シリコンは単体を形成します - 結晶シリコン。 アモルファスシリコン - 白い粉末（不純物なし）があります。

ダイヤモンド、グラファイト、結晶シリコンの特性を表に示します。

グラファイトとダイヤモンドの物理的特性に明らかな違いがある理由は、 結晶格子の構造 。 ダイヤモンド結晶では、各炭素原子（結晶表面の炭素原子を除く）が形成されます。 四隣接する炭素原子との同等の強い結合。 これらの結合は、(CH 4 分子のように) 四面体の頂点に向けられています。 したがって、ダイヤモンド結晶では、各炭素原子は、四面体の頂点に位置する 4 つの同じ原子に囲まれています。 ダイヤモンド結晶における C-C 結合の対称性と強さは、優れた強度と電子伝導性の有無を決定します。

の グラファイトクリスタル 各炭素原子は、同じ平面内で 120°の角度で隣接する炭素原子と 3 つの強力な等価結合を形成します。 この平面では、平らな六員環からなる層が形成されます。

さらに、それぞれの炭素原子には、 1個の不対電子。 これらの電子は共通の電子システムを形成します。 層間の結合は、比較的弱い分子間力によって行われます。 これらの層は、一方の層の炭素原子が他方の層の六角形の中心よりも上になるように、一方の層が他方の層に対して配置される。 層内の C-C 結合の長さは 0.142 nm、層間の距離は 0.335 nm です。 その結果、層間の結合は、層内の原子間の結合よりもはるかに弱くなります。 これは〜をひき起こす 黒鉛の性質: 柔らかく、剥離しやすく、灰色で金属光沢があり、導電性があり、ダイヤモンドよりも化学反応性が高いです。 ダイヤモンドとグラファイトの結晶格子のモデルを図に示します。

グラファイトをダイヤモンドに変えることは可能ですか？ このようなプロセスは、触媒（Ni）の存在下、約5000 MPaの圧力、1500℃から3000℃の温度で数時間という過酷な条件下で実行できます。 製品の大部分は小さな結晶（1～数mm）とダイヤモンドダストです。

カービン- 炭素の同素体修飾。炭素原子が次のような直鎖を形成します。

–С≡С–С≡С–С≡С–(α-カルビン、ポリイン) または =C=C=C=C=C=C=(β-カービン、ポリエン)

分子間相互作用が強いため、これらの鎖間の距離はグラファイト層間の距離よりも短くなります。

カービンは黒色の粉末であり、半導体です。 化学的にはグラファイトよりも活性が高い。

フラーレン- C 60、C 70、または C 84 分子によって形成される炭素の同素体修飾。 C 60 分子の球面上では、20個の正六角形と12個の正五角形の頂点に炭素原子が位置しています。 すべてのフラーレンは炭素原子の閉じた構造です。 フラーレン結晶は分子構造を持った物質です。

ケイ素。シリコンの安定な同素体変態は 1 つだけあり、その結晶格子はダイヤモンドの結晶格子に似ています。 シリコン - 硬質、耐火性 ( t°pl \u003d 1412°C）、標準条件下では金属光沢のある濃い灰色の非常に壊れやすい物質、つまり半導体です。

D.I.の化学元素のIVAグループ メンデレーエフには、金属（ゲルマニウム、錫、鉛）だけでなく、非金属（炭素とシリコン）も含まれています。 これらの元素の原子には、外部エネルギー準位に 4 つの電子 (ns 2 np 2) が含まれており、そのうちの 2 つは対になっていません。 したがって、化合物中のこれらの元素の原子は価数 II を示すことがあります。 IVA 族元素の原子は励起状態になり、不対電子の数を最大 4 個まで増やすことができるため、化合物では IV 族の数に等しいより高い価数を示します。 化合物中の炭素は –4 ～ +4 の酸化状態を示し、残りの酸化状態は –4、0、+2、+4 で安定します。

炭素原子では、他のすべての元素とは異なり、価電子の数は価電子軌道の数に等しい。 これは、CC 結合の安定性と炭素が同鎖を形成する例外的な傾向、および多数の炭素化合物の存在の主な理由の 1 つです。

C-Si-Ge-Sn-Pb 系の原子および化合物の性質の変化は二次周期性を示します (表 5)。

表 5 - IV 族元素の原子の特徴

	6C	1 4 シ	3 2 ゲ	50秒	82Pb
原子質量	12,01115	28,086	72,59	118,69	207,19
価電子	2秒2 2p2	3秒 2 3p 2	4秒 2 4p 2	5秒2 5分2	6秒2 6分2
原子の共有結合半径、ú	0,077	0,117	0,122	0,140	–
金属原子半径、ú	–	0,134	0,139	0,158	0,175
条件付きイオン半径、E 2+ 、nm	–	–	0,065	0,102	0,126
条件付きイオン半径 E 4+ 、nm	–	0,034	0,044	0,067	0,076
イオン化エネルギー E 0 - E +、 エフ	11,26	8,15	7,90	7,34	7,42
地殻中の含有量、at。 %	0,15	20,0	2∙10 –4	7∙10 – 4	1,6∙10 – 4

二次周期性 (グループ内の元素の特性の非単調変化) は、原子核への外部電子の侵入の性質によるものです。 したがって、シリコンからゲルマニウムへの遷移、および錫から鉛への遷移中の原子半径の変化の非単調性は、それぞれゲルマニウムの 3d 10 電子のスクリーンと鉛の 4f 14 および 5d 10 電子の二重スクリーン下での s 電子の侵入によるものです。 s>p>d の系列では透過力が減少するため、特性変化の内部周期性は s 電子によって決定される元素の特性に最も明確に現れます。 したがって、元素の最も高い酸化状態に対応する、周期系の A グループの元素の化合物に最も典型的です。

炭素は、イオン化エネルギーが高いという点で、グループの他の p 元素とは大きく異なります。

炭素とシリコンは、結晶格子の構造が異なる多形変化を持っています。 ゲルマニウムは金属に属し、黄色がかった銀白色ですが、強い共有結合を持つダイヤモンドのような原子結晶格子を持っています。 スズには 2 つの多形変化があります。1 つは金属結晶格子と金属結合による金属変化です。 原子結晶格子による非金属修飾。13.8℃以下の温度で安定です。鉛は、金属の面心立方晶格子を持つ濃い灰色の金属です。 ゲルマニウム-錫-鉛という一連の単体物質の構造の変化は、それらの物理的特性の変化に対応します。 したがって、ゲルマニウムと非金属スズは半導体であり、金属スズと鉛は導体です。 化学結合の種類が主に共有結合から金属結合に変化すると、単体の物質の硬度が低下します。 つまり、ゲルマニウムは非常に硬いのに対し、鉛は簡単に薄いシートに丸めることができます。

水素を含む元素の化合物は、式 EN 4 を持ちます。CH 4 - メタン、SiH 4 - シラン、GeH 4 - ジャーマン、SnH 4 - スタナン、PbH 4 - プルベン。 水に不溶。 一連の水素化合物は上から下に向かって、その安定性が低下します（プランベインは非常に不安定なので、その存在は間接的な兆候によってのみ判断できます）。

元素と酸素の化合物は、一般式 EO および EO 2 で表されます。 酸化物 CO と SiO は塩を形成しません。 GeO、SnO、PbO は両性酸化物です。 CO 2、SiO 2 GeO 2 - 酸性、SnO 2、PbO 2 - 両性。 酸化度が増加すると、酸化物の酸性特性が増加しますが、塩基性特性は弱まります。 対応する水酸化物の特性も同様に変化します。

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