Elemente ale grupului IVA. Elemente din grupa IVA Cei mai importanți compuși ai carbonului

stiu

• poziția carbonului și a siliciului în tabelul periodic, prezența în natură și aplicarea practică;
• structura atomică, valența, stările de oxidare ale carbonului și siliciului;
• metode de obținere și proprietăți ale substanțelor simple - grafit, diamant și siliciu; noi forme alotropice de carbon;
• principalele tipuri de compuși de carbon și siliciu;
• caracteristicile elementelor subgrupului germaniu;

a fi capabil să

• întocmește ecuații pentru reacțiile de obținere a substanțelor simple de carbon și siliciu și reacții care caracterizează proprietățile chimice ale acestor substanțe;
• comparați proprietățile elementelor din grupul de carbon;
• caracterizează compuși practic importanți ai carbonului și siliciului;
• efectuați calcule conform ecuațiilor reacțiilor la care participă carbonul și siliciul;

proprii

Abilități pentru prezicerea cursului reacțiilor care implică carbon, siliciu și compușii acestora.

Structura atomilor. Prevalența în natură

Grupa IVA a tabelului periodic este formată din cinci elemente cu numere atomice par: carbon C, siliciu Si, germaniu Ge, staniu Sn și plumb Pb (Tabelul 21.1). În natură, toate elementele grupului sunt amestecuri de izotopi stabili. Carbonul are două izogone - *|С (98,9%) și *§С (1,1%). În plus, în natură există urme ale izotopului radioactiv „|C cu t t= 5730 ani. Se formează în mod constant în timpul ciocnirii neutronilor radiațiilor cosmice cu nucleele de azot din atmosfera pământului:

Tabelul 21.1

Caracteristicile elementelor grupului IVA

* Element biogen.

Principalul izotop al carbonului are o importanță deosebită în chimie și fizică, deoarece se bazează pe unitatea de masă atomică, și anume { /2 parte din masa unui atom „ICO Da).

Siliciul are trei izotopi în natură; dintre acestea, cel mai frecvent este ^)Si (92,23%). Germaniul are cinci izotopi (j^Ge - 36,5%). Staniu - 10 izotopi. Acesta este un record printre elementele chimice. Cel mai frecvent este 12 5 gSn (32,59%). Plumbul are patru izotopi: 2 SgPb (1,4%), 2 S|Pb (24,1%), 2S2βL (22,1%) și 2S2βL (52,4%). Ultimii trei izotopi ai plumbului sunt produsele finale ale descompunerii izotopilor radioactivi naturali ai uraniului și toriu și, prin urmare, conținutul lor în scoarța terestră a crescut de-a lungul întregii existențe a Pământului.

În ceea ce privește prevalența în scoarța terestră, carbonul este printre primele zece elemente chimice. Se găsește sub formă de grafit, multe varietăți de cărbune, ca parte a petrolului, gazului natural combustibil, calcarului (CaCO e), dolomitului (CaCO 3 -MgC0 3) și alți carbonați. Deși diamantul natural reprezintă o parte nesemnificativă din carbonul disponibil, este extrem de valoros ca un mineral frumos și cel mai dur. Dar, desigur, cea mai mare valoare a carbonului constă în faptul că acesta este baza structurală a substanțelor bioorganice care formează corpurile tuturor organismelor vii. Carbonul este considerat pe bună dreptate primul dintre multele elemente chimice necesare existenței vieții.

Siliciul este al doilea element cel mai abundent din scoarța terestră. Nisipul, argila și multe roci pe care le vedeți sunt formate din minerale de siliciu. Cu excepția soiurilor cristaline de oxid de siliciu, toți compușii săi naturali sunt silicati, adică săruri ale diverșilor acizi silicici. Acești acizi în sine nu au fost obținuți ca substanțe individuale. Ortosilicații conțin ioni SiOj ~, metasilicații constau din lanțuri polimerice (Si0 3 ") w. Majoritatea silicaților sunt construiți pe un cadru de siliciu și atomi de oxigen, între care se pot amplasa atomi de orice metal și unele nemetale (fluor). mineralele de siliciu cunoscute includ cuarț Si0 2, feldspați (ortoclaza KAlSi 3 0 8), mica (moscovit KAl 3 H 2 Si 3 0 12). În total, sunt cunoscute peste 400 de minerale de siliciu. Compușii de siliciu reprezintă mai mult de jumătate din bijuterii și pietre ornamentale.Cadru de oxigen-siliciu provoacă minerale de siliciu cu solubilitate scăzută în apă.Numai din izvoarele subterane fierbinți, de-a lungul a mii de ani, se pot depune creșteri și cruste de compuși de siliciu.Jaspul aparține rocilor de acest tip.

Nu este nevoie să vorbim despre timpul descoperirii carbonului, siliciului, staniului și plumbului, deoarece acestea sunt cunoscute sub formă de substanțe sau compuși simpli încă din cele mai vechi timpuri. Germaniul a fost descoperit de K. Winkler (Germania) în 1886 în mineralul rar argirodit. Curând a devenit clar că existența unui element cu astfel de proprietăți a fost prezisă de D. I. Mendeleev. Numirea noului element a stârnit controverse. Mendeleev, într-o scrisoare către Winkler, a susținut ferm numele germaniu.

Elementele grupului IVA au patru electroni de valență pe exterior s-și subnivelurile p:

Formule electronice ale atomilor:

În starea fundamentală, aceste elemente sunt divalente, iar în starea excitată devin tetravalente:

Carbonul și siliciul formează foarte puțini compuși chimici în stare divalentă; în aproape toţi compuşii stabili sunt tetravalenţi. Mai jos în grup, pentru germaniu, staniu și plumb, stabilitatea stării divalente crește și stabilitatea stării tetravalente scade. Prin urmare, compușii plumbului (IV) se comportă ca oxidanți puternici. Acest model se manifestă și în grupul VA. O diferență importantă între carbon și restul elementelor grupului este capacitatea de a forma legături chimice în trei stări diferite de hibridizare - sp, sp2Și sp3. Siliciul mai are practic o singură stare hibridă. sp3. Acest lucru se manifestă în mod clar când se compară proprietățile compușilor de carbon și siliciu. De exemplu, monoxidul de carbon CO 2 este un gaz (dioxid de carbon), iar oxidul de siliciu Si0 2 este o substanță refractară (cuarț). Prima substanță este gazoasă deoarece la sp-hibridarea carbonului, toate legăturile covalente sunt închise în molecula de CO 2:

Atractia dintre molecule este slaba, iar aceasta determina starea materiei. În oxidul de siliciu, patru orbitali hibrizi de siliciu 5p 3 nu pot fi închiși pe doi atomi de oxigen. Un atom de siliciu este legat de patru atomi de oxigen, fiecare dintre care este legat la rândul său de un alt atom de siliciu. Rezultă o structură cadru cu aceeași putere a legăturilor între toți atomii (vezi diagrama, vol. 1, p. 40).

Compușii de carbon și siliciu cu aceeași hibridizare, cum ar fi metanul CH4 și silanul SiH4, sunt similari ca structură și proprietăți fizice. Ambele substanțe sunt gaze.

Electronegativitatea elementelor IVA este mai scăzută în comparație cu elementele grupului VA, iar acest lucru este vizibil mai ales în elementele perioadei a 2-a și a 3-a. Metalicitatea elementelor din grupul IVA este mai pronunțată decât în ​​grupul VA. Carbonul sub formă de grafit este un conductor. Siliciul și germaniul sunt semiconductori, în timp ce staniul și plumbul sunt metale adevărate.

Element	C	Si	GE	sn	Pb
Număr de serie	6	14	32	50	82
Masa atomică (relativă)	12,011	28,0855	72,59	118,69	207,2
Densitate (n.o.), g/cm 3	2,25	2,33	5,323	7,31	11,34
t pl, °C	3550	1412	273	231	327,5
t balot, °C	4827	2355	2830	2600	1749
Energia de ionizare, kJ/mol	1085,7	786,5	762,1	708,6	715,2
Formula electronica	2s 2 2p 2	3s 2 3p 2	3d 10 4s 2 4p 2	4d 10 5s 2 5p 2	4f 14 5d 10 6s 2 6p 2
Electronegativitatea (după Pauling)	2,55	1,9	2,01	1,96	2,33

Formule electronice ale gazelor inerte:

• El - 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 ;

Orez. Structura atomului de carbon.

Grupa 14 (grupa IVa conform clasificării vechi) din tabelul periodic al elementelor chimice a lui D. I. Mendeleev include 5 elemente: carbon, siliciu, germaniu, staniu, plumb (vezi tabelul de mai sus). Carbonul și siliciul sunt nemetale, germaniul este o substanță care prezintă proprietăți metalice, staniul și plumbul sunt metale tipice.

Cel mai comun element al grupului 14 (IVa) din scoarța terestră este siliciul (al doilea element cel mai abundent de pe Pământ după oxigen) (27,6% din greutate), urmat de: carbon (0,1%), plumb (0,0014%) , staniu (0,00022%), germaniu (0,00018%).

Siliciul, spre deosebire de carbon, nu se găsește în natură sub formă liberă, el poate fi găsit doar sub formă legată:

• SiO 2 - silice, găsit sub formă de cuarț (parte a multor roci, nisip, argilă) și varietățile sale (agat, ametist, cristal de rocă, jasp etc.);
• silicatii sunt bogati in siliciu: talc, azbest;
• aluminosilicati: feldspat, mica, caolin.

De asemenea, germaniul, staniul și plumbul nu se găsesc în formă liberă în natură, dar fac parte din unele minerale:

• germaniu: (Cu 3 (Fe, Ge)S 4) - mineralit de germanit;
• staniu: SnO 2 - casiterit;
• plumb: PbS - galena; PbSO 4 - anglesite; PbCO 3 - cerusită.

Toate elementele grupului 14(IVa) în starea neexcitată la nivel de energie externă au doi electroni p nepereche (valența este 2, de exemplu, CO). La trecerea la o stare excitată (procesul necesită costuri energetice), un electron s pereche al nivelului exterior „sare” la un orbital p liber, formând astfel 4 electroni „singuratici” (unul la subnivelul s și trei la nivelul s). subnivelul p), care extinde valența elementelor (valența este 4: de exemplu, CO 2 ).

Orez. Trecerea unui atom de carbon la o stare excitată.

Din motivul de mai sus, elementele grupului 14(IVa) pot prezenta stări de oxidare: +4; +2; 0; -4.

Deoarece este nevoie de din ce în ce mai multă energie pentru a „sari” un electron de la subnivelul s la subnivelul p în serie de la carbon la plumb (este nevoie de mult mai puțină energie pentru a excita un atom de carbon decât pentru a excita un atom de plumb), carbonul „de bunăvoie” intră în compuși în care prezintă valență patru; și plumb - doi.

Același lucru se poate spune despre stările de oxidare: în seria de la carbon la plumb, manifestarea stărilor de oxidare +4 și -4 scade, iar starea de oxidare +2 crește.

Deoarece carbonul și siliciul sunt nemetale, ele pot prezenta atât stări de oxidare pozitive, cât și negative, în funcție de compus (în compușii cu mai multe elemente electronegative, C și Si donează electroni și câștigă în compușii cu elemente mai puțin electronegative):

C +2O, C +4O2, Si +4Cl4C-4H4, Mg2Si-4

Ge, Sn, Pb, ca și metalele din compuși, își donează întotdeauna electronii:

Ge+4Cl4, Sn+4Br4, Pb+2Cl2

Elementele grupului de carbon formează următorii compuși:

• instabil compuși volatili ai hidrogenului(formula generală EH 4), din care doar metanul CH 4 este un compus stabil.
• oxizi care nu formează sare- oxizi inferiori CO si SiO;
• oxizi acizi- oxizi superiori CO 2 şi SiO 2 - corespund hidroxizilor, care sunt acizi slabi: H 2 CO 3 (acid carbonic), H 2 SiO 3 (acid silicic);
• oxizi amfoteri- GeO, SnO, PbO și GeO 2, SnO 2, PbO 2 - acestea din urmă corespund hidroxizilor (IV) de germaniu Ge (OH) 4, stronțiu Sn (OH) 4, plumb Pb (OH) 4;

Cuvinte cheie abstracte: carbon, siliciu, elemente din grupul IVA, proprietăți ale elementelor, diamant, grafit, carabină, fuleren.

Elementele grupei IV sunt carbon, siliciu, germaniu, staniu și plumb. Să aruncăm o privire mai atentă asupra proprietăților carbonului și siliciului. Tabelul prezintă cele mai importante caracteristici ale acestor elemente.

În aproape toți compușii lor, carbon și siliciu tetravalent , atomii lor sunt în stare excitată. Configurația stratului de valență al atomului de carbon se schimbă atunci când atomul este excitat:

Configurația stratului de valență al atomului de siliciu se schimbă în mod similar:

Nivelul de energie exterior al atomilor de carbon și siliciu are 4 electroni nepereche. Raza atomului de siliciu este mai mare; stratul său de valență este liber 3 d–orbitali, acest lucru provoacă diferențe în natura legăturilor care formează atomii de siliciu.

Stările de oxidare ale carbonului variază în intervalul de la –4 la +4.

O trăsătură caracteristică a carbonului este capacitatea sa de a forma lanțuri: atomii de carbon sunt legați între ei și formează compuși stabili. Compușii similari de siliciu sunt instabili. Capacitatea carbonului la formarea lanțului determină existența unui număr mare compusi organici .

LA compuși anorganici carbonul include oxizii săi, acidul carbonic, carbonații și bicarbonații, carburile. Compușii de carbon rămași sunt organici.

Elementul carbon se caracterizează prin alotropie, modificările sale alotropice sunt diamant, grafit, carabină, fullerenă. Alte modificări alotropice ale carbonului sunt acum cunoscute.

CărbuneȘi funingine poate fi considerat ca amorf soiuri de grafit.

Siliciul formează o substanță simplă - siliciu cristalin. Există siliciu amorf - o pulbere albă (fără impurități).

Proprietățile diamantului, grafitului și siliciului cristalin sunt date în tabel.

Motivul diferențelor evidente în proprietățile fizice ale grafitului și diamantului se datorează diferitor structura rețelei cristaline . Într-un cristal de diamant, fiecare atom de carbon (cu excepția celor de pe suprafața cristalului) se formează patru legături puternice echivalente cu atomi de carbon vecini. Aceste legături sunt direcționate către vârfurile tetraedrului (ca și în molecula CH 4 ). Astfel, într-un cristal de diamant, fiecare atom de carbon este înconjurat de patru dintre aceiași atomi situati la vârfurile unui tetraedru. Simetria și rezistența legăturilor C-C dintr-un cristal de diamant determină rezistența excepțională și absența conductibilității electronice.

ÎN cristal de grafit fiecare atom de carbon formează trei legături echivalente puternice cu atomi de carbon vecini în același plan la un unghi de 120°. În acest plan, se formează un strat, format din inele plate cu șase membri.

În plus, fiecare atom de carbon are un electron nepereche. Acești electroni formează un sistem electronic comun. Legătura dintre straturi se realizează datorită forțelor intermoleculare relativ slabe. Straturile sunt aranjate unul față de celălalt astfel încât atomul de carbon al unui strat să fie deasupra centrului hexagonului celuilalt strat. Lungimea legăturii C-C în interiorul stratului este de 0,142 nm, distanța dintre straturi este de 0,335 nm. Ca rezultat, legăturile dintre straturi sunt mult mai slabe decât legăturile dintre atomi dintr-un strat. Asta cauzează proprietățile grafitului: Este moale, usor de exfoliat, are o culoare gri si luciu metalic, este conductiv electric si mai reactiv din punct de vedere chimic decat diamantul. În figură sunt prezentate modele de rețele cristaline de diamant și grafit.

Este posibil să transformi grafitul în diamant? Un astfel de proces poate fi efectuat în condiții dure - la o presiune de aproximativ 5000 MPa și la temperaturi de la 1500 ° C la 3000 ° C timp de câteva ore în prezența catalizatorilor (Ni). Cea mai mare parte a produselor sunt cristale mici (de la 1 la câțiva mm) și praf de diamant.

Carabină- modificarea alotropică a carbonului, în care atomii de carbon formează lanțuri liniare de tipul:

–С≡С–С≡С–С≡С–(α-carbină, poliină) sau =C=C=C=C=C=C=(β-carbină, polienă)

Distanța dintre aceste lanțuri este mai mică decât între straturile de grafit datorită interacțiunii intermoleculare mai puternice.

Carabina este o pulbere neagră, este un semiconductor. Din punct de vedere chimic, este mai activ decât grafitul.

fullerene- modificarea alotropică a carbonului format din molecule C 60, C 70 sau C 84. Pe suprafața sferică a moleculei C 60, atomii de carbon sunt localizați la vârfurile a 20 de hexagoane regulate și a 12 pentagoane regulate. Toate fulerenele sunt structuri închise ale atomilor de carbon. Cristalele de fullerenă sunt substanțe cu structură moleculară.

Siliciu. Există o singură modificare alotropică stabilă a siliciului, a cărei rețea cristalină este similară cu cea a diamantului. Siliciu - dur, refractar ( t° pl \u003d 1412 ° C), o substanță foarte fragilă de culoare gri închis cu un luciu metalic, în condiții standard - un semiconductor.

Grupa IVA de elemente chimice ale D.I. Mendeleev include nemetale (carbon și siliciu), precum și metale (germaniu, staniu, plumb). Atomii acestor elemente conțin patru electroni (ns 2 np 2) la nivelul energiei externe, dintre care doi nu sunt perechi. Prin urmare, atomii acestor elemente din compuși pot prezenta valența II. Atomii elementelor grupului IVA pot intra într-o stare excitată și pot crește numărul de electroni nepereche până la 4 și, în consecință, în compuși prezintă o valență mai mare, egală cu numărul grupului IV. Carbonul din compuși prezintă stări de oxidare de la –4 la +4, în rest, stările de oxidare se stabilizează: –4, 0, +2, +4.

Într-un atom de carbon, spre deosebire de toate celelalte elemente, numărul de electroni de valență este egal cu numărul de orbitali de valență. Acesta este unul dintre principalele motive pentru stabilitatea legăturii C-C și tendința excepțională a carbonului de a forma homolanțuri, precum și existența unui număr mare de compuși ai carbonului.

Modificările în proprietățile atomilor și compușilor din seria C–Si–Ge–Sn–Pb arată periodicitate secundară (Tabelul 5).

Tabelul 5 - Caracteristicile atomilor elementelor grupei IV

	6C	1 4 Si	3 2 Ge	50 sn	82Pb
Masă atomică	12,01115	28,086	72,59	118,69	207,19
electroni de valență	2s 2 2p 2	3s 2 3p 2	4s 2 4p 2	5s 2 5p 2	6s 2 6p 2
Raza covalentă a unui atom, Ǻ	0,077	0,117	0,122	0,140	–
Raza atomică metalică, Ǻ	–	0,134	0,139	0,158	0,175
Raza ionică condiționată, E2+, nm	–	–	0,065	0,102	0,126
Raza ionică condiționată E 4+ , ​​​​nm	–	0,034	0,044	0,067	0,076
Energia de ionizare E 0 - E +, ev	11,26	8,15	7,90	7,34	7,42
Conținut în scoarța terestră, la. %	0,15	20,0	2∙10 –4	7∙10 – 4	1,6∙10 – 4

Periodicitatea secundară (modificarea nemonotonă a proprietăților elementelor în grupuri) se datorează naturii pătrunderii electronilor externi în nucleu. Astfel, nemonotonitatea modificării razelor atomice în timpul tranziției de la siliciu la germaniu și de la staniu la plumb se datorează pătrunderii electronilor s, respectiv, sub ecranul electronilor 3d 10 în germaniu și ecranul dublu al 4f 14. și 5d 10 electroni în plumb. Deoarece puterea de pătrundere scade în seria s>p>d, periodicitatea internă a modificării proprietăților se manifestă cel mai clar în proprietățile elementelor determinate de electroni s. Prin urmare, este cel mai tipic pentru compușii elementelor grupelor A ale sistemului periodic, corespunzătoare celei mai înalte stări de oxidare a elementelor.

Carbonul diferă semnificativ de alte elemente p ale grupului prin energia sa mare de ionizare.

Carbonul și siliciul au modificări polimorfe cu structuri diferite ale rețelelor cristaline. Germaniul aparține metalelor, de culoare alb-argintiu cu o nuanță gălbuie, dar are o rețea cristalină atomică asemănătoare unui diamant, cu legături covalente puternice. Staniul are două modificări polimorfe: o modificare metalică cu o rețea cristalină metalică și o legătură metalică; modificare nemetală cu o rețea cristalină atomică, care este stabilă la temperaturi sub 13,8 C. Plumbul este un metal de culoare gri închis cu o rețea cristalină cubică centrată pe fața metalică. O modificare a structurii substanțelor simple din seria germaniu-staniu-plumb corespunde unei modificări a proprietăților lor fizice. Deci germaniul și staniul nemetalic sunt semiconductori, staniul metalic și plumbul sunt conductori. Modificarea tipului de legătură chimică de la predominant covalent la metal este însoțită de o scădere a durității substanțelor simple. Deci, germaniul este destul de dur, în timp ce plumbul este ușor rulat în foi subțiri.

Compușii elementelor cu hidrogen au formula EN 4: CH 4 - metan, SiH 4 - silan, GeH 4 - german, SnH 4 - stanan, PbH 4 - plumban. Insolubil în apă. De sus în jos, în seria compușilor cu hidrogen, stabilitatea acestora scade (plumbane este atât de instabil încât existența sa poate fi judecată doar după semne indirecte).

Compușii elementelor cu oxigen au formulele generale: EO și EO 2. Oxizii CO și SiO nu formează sare; GeO, SnO, PbO sunt oxizi amfoteri; CO 2, SiO 2 GeO 2 - acid, SnO 2, PbO 2 - amfoter. Odată cu creșterea gradului de oxidare, proprietățile acide ale oxizilor cresc, în timp ce proprietățile de bază slăbesc. Proprietățile hidroxizilor corespunzători se modifică în mod similar.

| | | | | | | |