Prvky skupiny IVA. Prvky skupiny IVA Najdôležitejšie zlúčeniny uhlíka
vedieť
- postavenie uhlíka a kremíka v periodickej tabuľke, prítomnosť v prírode a praktické využitie;
- atómová štruktúra, valencia, oxidačné stavy uhlíka a kremíka;
- spôsoby získavania a vlastnosti jednoduchých látok - grafitu, diamantu a kremíka; nové alotropné formy uhlíka;
- hlavné typy zlúčenín uhlíka a kremíka;
- vlastnosti prvkov podskupiny germánia;
byť schopný
- zostaviť rovnice pre reakcie získavania jednoduchých látok uhlíka a kremíka a reakcie charakterizujúce chemické vlastnosti týchto látok;
- porovnať vlastnosti prvkov v uhlíkovej skupine;
- charakterizovať prakticky dôležité zlúčeniny uhlíka a kremíka;
- vykonávať výpočty podľa rovníc reakcií, na ktorých sa podieľa uhlík a kremík;
vlastné
Schopnosť predpovedať priebeh reakcií uhlíka, kremíka a ich zlúčenín.
Štruktúra atómov. Prevalencia v prírode
Skupinu IVA periodickej tabuľky tvorí päť prvkov s párnymi atómovými číslami: uhlík C, kremík Si, germánium Ge, cín Sn a olovo Pb (tab. 21.1). V prírode sú všetky prvky skupiny zmesou stabilných izotopov. Uhlík má dva izogóny - *|С (98,9%) a *§С (1,1%). Okrem toho v prírode existujú stopy rádioaktívneho izotopu "|C s t t= 5730 rokov. Neustále sa tvorí pri zrážkach neutrónov kozmického žiarenia s jadrami dusíka v zemskej atmosfére:
Tabuľka 21.1
Charakteristika prvkov skupiny IVA
* Biogénny prvok.
Hlavný izotop uhlíka má osobitný význam v chémii a fyzike, pretože je založený na jednotke atómovej hmotnosti, tj. { /2 časť hmotnosti atómu „ICO Áno).
Kremík má v prírode tri izotopy; medzi nimi je najbežnejší ^)Si (92,23 %). Germánium má päť izotopov (j^Ge - 36,5%). Cín - 10 izotopov. Ide o rekord medzi chemickými prvkami. Najčastejšie ide o 12 5 gSn (32,59 %). Olovo má štyri izotopy: 2 SgPb (1,4 %), 2 S|Pb (24,1 %), 2S2βL (22,1 %) a 2S2βL (52,4 %). Posledné tri izotopy olova sú konečnými produktmi rozpadu prírodných rádioaktívnych izotopov uránu a tória, a preto sa ich obsah v zemskej kôre počas celej existencie Zeme zvyšoval.
Pokiaľ ide o prevalenciu v zemskej kôre, uhlík patrí medzi prvých desať chemických prvkov. Vyskytuje sa ako grafit, mnohé druhy uhlia, ako súčasť ropy, prírodného horľavého plynu, vápenca (CaCO e), dolomitu (CaCO 3 -MgC0 3) a iných uhličitanov. Aj keď prírodný diamant tvorí zanedbateľnú časť dostupného uhlíka, je mimoriadne cenný ako krásny a najtvrdší minerál. Ale, samozrejme, najvyššia hodnota uhlíka spočíva v tom, že je štrukturálnym základom bioorganických látok, ktoré tvoria telá všetkých živých organizmov. Uhlík je právom považovaný za prvý spomedzi mnohých chemických prvkov nevyhnutných pre existenciu života.
Kremík je druhým najrozšírenejším prvkom v zemskej kôre. Piesok, hlina a mnohé skaly, ktoré vidíte, sa skladajú z minerálov kremíka. S výnimkou kryštalických odrôd oxidu kremičitého sú všetky jeho prírodné zlúčeniny silikáty, t.j. soli rôznych kyselín kremičitých. Tieto kyseliny samotné neboli získané ako jednotlivé látky. Ortokremičitany obsahujú ióny SiOj ~, metakremičitany pozostávajú z polymérnych reťazcov (Si0 3 ") w. Väčšina kremičitanov je postavená na kostre z atómov kremíka a kyslíka, medzi ktorými sa môžu nachádzať atómy akýchkoľvek kovov a niektorých nekovov (fluóru). k známym kremíkovým minerálom patrí kremeň Si0 2, živce (ortoklas KAlSi 3 0 8), sľudy (muskovit KAl 3 H 2 Si 3 0 12).Celkovo je známych viac ako 400 kremíkových minerálov zlúčeniny kremíka tvoria viac ako polovicu šperkových a okrasné kamene.Kyslíkovo-kremíková štruktúra spôsobuje nízku rozpustnosť kremíkových minerálov vo vode.Len z horúcich podzemných prameňov sa počas tisícok rokov môžu ukladať výrastky a kôry zlúčenín kremíka.Jaspis patrí medzi horniny tohto typu.
O dobe objavu uhlíka, kremíka, cínu a olova netreba hovoriť, keďže vo forme jednoduchých látok alebo zlúčenín sú známe už od staroveku. Germánium objavil K. Winkler (Nemecko) v roku 1886 vo vzácnom minerále argyrodite. Čoskoro sa ukázalo, že existenciu prvku s takýmito vlastnosťami predpovedal D. I. Mendelejev. Pomenovanie nového prvku vyvolalo kontroverzie. Mendelejev v liste Winklerovi toto meno výrazne podporil germánium.
Prvky skupiny IVA majú na vonkajšej strane štyri valenčné elektróny s- a p-podúrovne:
Elektrónové vzorce atómov:
V základnom stave sú tieto prvky dvojmocné a v excitovanom stave sa stávajú štvormocnými:
Uhlík a kremík tvoria veľmi málo chemických zlúčenín v dvojmocnom stave; takmer vo všetkých stabilných zlúčeninách sú štvormocné. Ďalej v skupine pre germánium, cín a olovo sa stabilita dvojmocného stavu zvyšuje a stabilita štvormocného stavu klesá. Preto sa zlúčeniny olova (IV) správajú ako silné oxidačné činidlá. Tento vzorec sa prejavuje aj v skupine VA. Dôležitým rozdielom medzi uhlíkom a zvyškom prvkov skupiny je schopnosť vytvárať chemické väzby v troch rôznych stavoch hybridizácie - sp, sp2 A sp3. Kremíku zostal prakticky len jeden hybridný stav. sp3. Jasne sa to prejavuje pri porovnaní vlastností zlúčenín uhlíka a kremíka. Napríklad oxid uhoľnatý C02 je plyn (oxid uhličitý) a oxid kremičitý Si02 je žiaruvzdorná látka (kremeň). Prvá látka je plynná, pretože pri sp-hybridizácia uhlíka, všetky kovalentné väzby sú uzavreté v molekule CO2:
Príťažlivosť medzi molekulami je slabá a to určuje stav hmoty. V oxide kremičitom nemôžu byť štyri hybridné orbitály kremíka 5p 3 uzavreté na dvoch atómoch kyslíka. Atóm kremíka je naviazaný na štyri atómy kyslíka, z ktorých každý je zase naviazaný na iný atóm kremíka. Ukazuje sa rámová štruktúra s rovnakou silou väzieb medzi všetkými atómami (pozri diagram, zväzok 1, s. 40).
Zlúčeniny uhlíka a kremíka s rovnakou hybridizáciou, ako je metán CH4 a silán SiH4, majú podobnú štruktúru a fyzikálne vlastnosti. Obe látky sú plyny.
Elektronegativita prvkov IVA je v porovnaní s prvkami skupiny VA nižšia a je to badateľné najmä pri prvkoch 2. a 3. periódy. Metalicita prvkov v skupine IVA je výraznejšia ako v skupine VA. Uhlík vo forme grafitu je vodič. Kremík a germánium sú polovodiče, zatiaľ čo cín a olovo sú pravé kovy.
| Element | C | Si | Ge | sn | Pb |
|---|---|---|---|---|---|
| Sériové číslo | 6 | 14 | 32 | 50 | 82 |
| Atómová hmotnosť (relatívna) | 12,011 | 28,0855 | 72,59 | 118,69 | 207,2 |
| Hustota (n.o.), g/cm3 | 2,25 | 2,33 | 5,323 | 7,31 | 11,34 |
| tpl, °C | 3550 | 1412 | 273 | 231 | 327,5 |
| t balík, °C | 4827 | 2355 | 2830 | 2600 | 1749 |
| Ionizačná energia, kJ/mol | 1085,7 | 786,5 | 762,1 | 708,6 | 715,2 |
| Elektronický vzorec | 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 |
| Elektronegativita (podľa Paulinga) | 2,55 | 1,9 | 2,01 | 1,96 | 2,33 |
Elektronické vzorce inertných plynov:
- He - 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;
Ryža. Štruktúra atómu uhlíka.
Skupina 14 (skupina IVa podľa starej klasifikácie) periodickej tabuľky chemických prvkov D. I. Mendelejeva zahŕňa 5 prvkov: uhlík, kremík, germánium, cín, olovo (pozri tabuľku vyššie). Uhlík a kremík sú nekovy, germánium je látka, ktorá vykazuje kovové vlastnosti, cín a olovo sú typické kovy.
Najbežnejším prvkom skupiny 14 (IVa) v zemskej kôre je kremík (druhý najrozšírenejší prvok na Zemi po kyslíku) (27,6 % hmotnosti), nasledovaný uhlíkom (0,1 %), olovom (0,0014 %). cín (0,00022 %), germánium (0,00018 %).
Kremík sa na rozdiel od uhlíka v prírode nevyskytuje vo voľnej forme, možno ho nájsť iba vo viazanej forme:
- SiO 2 - oxid kremičitý, nachádzajúci sa vo forme kremeňa (súčasť mnohých hornín, piesku, ílu) a jeho odrôd (achát, ametyst, horský krištáľ, jaspis atď.);
- kremičitany sú bohaté na kremík: mastenec, azbest;
- hlinitokremičitany: živec, sľuda, kaolín.
Germánium, cín a olovo sa v prírode tiež nenachádzajú vo voľnej forme, ale sú súčasťou niektorých minerálov:
- germánium: (Cu 3 (Fe, Ge)S 4) - minerál germanit;
- cín: Sn02 - kassiterit;
- olovo: PbS - galenit; PbSO 4 - anglesite; PbCO 3 - cerusit.
Všetky prvky skupiny 14(IVa) v neexcitovanom stave na vonkajšej energetickej úrovni majú dva nepárové p-elektróny (valencia je 2, napr. CO). Pri prechode do excitovaného stavu (proces si vyžaduje náklady na energiu) jeden párový s-elektrón vonkajšej hladiny „preskočí“ na voľný p-orbitál, čím sa vytvoria 4 „osamelé“ elektróny (jeden na s-podúrovni a tri na p-podúroveň), ktorá rozširuje valenciu prvkov (valencia je 4: napríklad CO 2).
Ryža. Prechod atómu uhlíka do excitovaného stavu.
Z vyššie uvedeného dôvodu môžu prvky 14. skupiny (IVa) vykazovať oxidačné stavy: +4; +2; 0; -4.
Keďže „preskočenie“ elektrónu z podúrovne s na podúroveň p v sérii z uhlíka na olovo potrebuje stále viac energie (na vybudenie atómu uhlíka je potrebné oveľa menej energie ako na vybudenie atómu olova), uhlík „dobrovoľne“ vstupuje do zlúčenín, v ktorých vykazuje valenciu štyri; a viesť - dva.
To isté možno povedať o oxidačných stavoch: v sérii od uhlíka po olovo sa prejav oxidačných stavov +4 a -4 znižuje a oxidačný stav +2 sa zvyšuje.
Keďže uhlík a kremík sú nekovy, môžu vykazovať pozitívne aj negatívne oxidačné stavy v závislosti od zlúčeniny (v zlúčeninách s viacerými elektronegatívnymi prvkami C a Si darujú elektróny a získavajú v zlúčeninách s menej elektronegatívnymi prvkami):
C+20, C+402, Si+4Cl4 C-4H4, Mg2Si-4
Ge, Sn, Pb, podobne ako kovy v zlúčeninách, vždy darujú svoje elektróny:
Ge+4Cl4, Sn+4Br4, Pb+2Cl2
Prvky uhlíkovej skupiny tvoria nasledujúce zlúčeniny:
- nestabilná prchavé zlúčeniny vodíka(všeobecný vzorec EH 4), z ktorých iba metán CH 4 je stabilná zlúčenina.
- oxidy netvoriace soli- nižšie oxidy CO a SiO;
- kyslých oxidov- vyššie oxidy CO 2 a SiO 2 - zodpovedajú hydroxidom, čo sú slabé kyseliny: H 2 CO 3 (kyselina uhličitá), H 2 SiO 3 (kyselina kremičitá);
- amfotérne oxidy- GeO, SnO, PbO a GeO 2, SnO 2, PbO 2 - posledné zodpovedajú hydroxidom (IV) germánia Ge (OH) 4, stroncia Sn (OH) 4, olova Pb (OH) 4;
Abstraktné kľúčové slová: uhlík, kremík, prvky skupiny IVA, vlastnosti prvkov, diamant, grafit, karabína, fullerén.
Prvky skupiny IV sú uhlík, kremík, germánium, cín a olovo. Pozrime sa bližšie na vlastnosti uhlíka a kremíka. V tabuľke sú uvedené najdôležitejšie charakteristiky týchto prvkov.
Takmer vo všetkých ich zlúčeninách uhlík a kremík štvormocný , ich atómy sú v excitovanom stave. Konfigurácia valenčnej vrstvy atómu uhlíka sa mení, keď je atóm excitovaný:
Konfigurácia valenčnej vrstvy atómu kremíka sa mení podobne: 
Vonkajšia energetická hladina atómov uhlíka a kremíka má 4 nepárové elektróny. Polomer atómu kremíka je väčší, jeho valenčná vrstva je prázdna 3 d–orbitály, to spôsobuje rozdiely v povahe väzieb, ktoré tvoria atómy kremíka.
Oxidačné stavy uhlíka sa pohybujú v rozmedzí od –4 do +4.
Charakteristickým znakom uhlíka je jeho schopnosť vytvárať reťazce: atómy uhlíka sú navzájom spojené a tvoria stabilné zlúčeniny. Podobné zlúčeniny kremíka sú nestabilné. Schopnosť uhlíka vytvárať reťazec určuje existenciu obrovského množstva Organické zlúčeniny .
TO anorganické zlúčeniny uhlík zahŕňajú jeho oxidy, kyselinu uhličitú, uhličitany a hydrogénuhličitany, karbidy. Zvyšné zlúčeniny uhlíka sú organické.
Prvok uhlík sa vyznačuje tým alotropia, jeho alotropné modifikácie sú diamant, grafit, karabína, fullerén. V súčasnosti sú známe ďalšie alotropické modifikácie uhlíka.
Uhlie A sadze možno považovať za amorfný odrody grafitu.
Kremík tvorí jednoduchú látku - kryštalický kremík. Existuje amorfný kremík - biely prášok (bez nečistôt).
Vlastnosti diamantu, grafitu a kryštalického kremíka sú uvedené v tabuľke. 
Príčinou zjavných rozdielov vo fyzikálnych vlastnostiach grafitu a diamantu je rozdielnosť štruktúra kryštálovej mriežky . V diamantovom kryštáli sa tvorí každý atóm uhlíka (okrem tých na povrchu kryštálu). štyri ekvivalentné silné väzby so susednými atómami uhlíka. Tieto väzby sú nasmerované na vrcholy štvorstenu (ako v molekule CH 4). V diamantovom kryštáli je teda každý atóm uhlíka obklopený štyrmi rovnakými atómami umiestnenými vo vrcholoch štvorstenu. Symetria a sila C – C väzieb v diamantovom kryštáli určuje výnimočnú silu a absenciu elektronickej vodivosti.
IN grafitový kryštál každý atóm uhlíka tvorí tri silné ekvivalentné väzby so susednými atómami uhlíka v rovnakej rovine pod uhlom 120°. V tejto rovine sa vytvorí vrstva pozostávajúca z plochých šesťčlenných prstencov.
Okrem toho má každý atóm uhlíka jeden nepárový elektrón. Tieto elektróny tvoria spoločný elektronický systém. Spojenie medzi vrstvami sa uskutočňuje v dôsledku relatívne slabých medzimolekulových síl. Vrstvy sú usporiadané jedna voči druhej tak, že atóm uhlíka jednej vrstvy je nad stredom šesťuholníka druhej vrstvy. Dĺžka väzby C–C vo vrstve je 0,142 nm, vzdialenosť medzi vrstvami je 0,335 nm. Výsledkom je, že väzby medzi vrstvami sú oveľa slabšie ako väzby medzi atómami vo vrstve. To spôsobuje vlastnosti grafitu: Je mäkký, ľahko sa odlupuje, má sivú farbu a kovový lesk, je elektricky vodivý a chemicky reaktívnejší ako diamant. Modely kryštálových mriežok diamantu a grafitu sú znázornené na obrázku.
Je možné premeniť grafit na diamant? Takýto proces je možné vykonávať v náročných podmienkach - pri tlaku približne 5000 MPa a pri teplotách od 1500 °C do 3000 °C počas niekoľkých hodín v prítomnosti katalyzátorov (Ni). Prevažnú časť produktov tvoria malé kryštály (od 1 do niekoľkých mm) a diamantový prach.
Karabína- alotropická modifikácia uhlíka, v ktorej atómy uhlíka tvoria lineárne reťazce typu:
–С≡С–С≡С–С≡С–(α-karbín, polyín) príp =C=C=C=C=C=C=(β-karbín, polyén)
Vzdialenosť medzi týmito reťazcami je menšia ako medzi vrstvami grafitu v dôsledku silnejšej intermolekulárnej interakcie.
Carbin je čierny prášok, je to polovodič. Chemicky je aktívnejší ako grafit.
fullerén- alotropická modifikácia uhlíka tvorená molekulami C 60, C 70 alebo C 84. Na guľovom povrchu molekuly C 60 sú atómy uhlíka umiestnené vo vrcholoch 20 pravidelných šesťuholníkov a 12 pravidelných päťuholníkov. Všetky fulerény sú uzavreté štruktúry atómov uhlíka. Kryštály fulerénu sú látky s molekulárnou štruktúrou.
kremík. Existuje iba jedna stabilná alotropická modifikácia kremíka, ktorej kryštálová mriežka je podobná mriežke diamantu. Kremík - tvrdý, žiaruvzdorný ( t° pl \u003d 1412 ° C), veľmi krehká látka tmavošedej farby s kovovým leskom, za štandardných podmienok - polovodič.
IVA skupina chemických prvkov D.I. Mendeleev zahŕňa nekovy (uhlík a kremík), ako aj kovy (germánium, cín, olovo). Atómy týchto prvkov obsahujú na vonkajšej energetickej úrovni štyri elektróny (ns 2 np 2), z ktorých dva nie sú spárované. Preto atómy týchto prvkov v zlúčeninách môžu vykazovať valenciu II. Atómy prvkov skupiny IVA môžu prejsť do excitovaného stavu a zvýšiť počet nespárovaných elektrónov až na 4, a preto v zlúčeninách vykazujú vyššiu valenciu rovnajúcu sa počtu skupiny IV. Uhlík v zlúčeninách vykazuje oxidačné stavy od –4 do +4, pre zvyšok sa oxidačné stavy stabilizujú: –4, 0, +2, +4.
V atóme uhlíka sa na rozdiel od všetkých ostatných prvkov počet valenčných elektrónov rovná počtu valenčných orbitálov. To je jeden z hlavných dôvodov stability väzby C–C a výnimočnej tendencie uhlíka vytvárať homoreťazce, ako aj existencie veľkého počtu uhlíkových zlúčenín.
Zmeny vlastností atómov a zlúčenín v rade C–Si–Ge–Sn–Pb vykazujú sekundárnu periodicitu (tabuľka 5).
Tabuľka 5 - Charakteristika atómov prvkov IV. skupiny
| 6C | 1 4 Si | 3 2 Ge | 50 sn | 82Pb | |
| Atómová hmotnosť | 12,01115 | 28,086 | 72,59 | 118,69 | 207,19 |
| valenčné elektróny | 2s 2 2p 2 | 3s 2 3p 2 | 4s 2 4p 2 | 5s 2 5p 2 | 6s 2 6p 2 |
| Kovalentný polomer atómu, Ǻ | 0,077 | 0,117 | 0,122 | 0,140 | – |
| Kovový atómový polomer, Ǻ | – | 0,134 | 0,139 | 0,158 | 0,175 |
| Podmienený polomer iónov, E 2+, nm | – | – | 0,065 | 0,102 | 0,126 |
| Podmienený polomer iónov E 4+, nm | – | 0,034 | 0,044 | 0,067 | 0,076 |
| Ionizačná energia E 0 - E +, ev | 11,26 | 8,15 | 7,90 | 7,34 | 7,42 |
| Obsah v zemskej kôre, at. % | 0,15 | 20,0 | 2∙10 –4 | 7∙10 – 4 | 1,6∙10 – 4 |
Sekundárna periodicita (nemonotonická zmena vlastností prvkov v skupinách) je spôsobená povahou prieniku vonkajších elektrónov do jadra. Nemonotónnosť zmeny atómových polomerov počas prechodu z kremíka na germánium a z cínu na olovo je teda spôsobená prienikom s-elektrónov pod sitom 3d 10 elektrónov v germániu a dvojitým sitom 4f 14 a 5d 10 elektrónov v olove. Keďže penetračná sila klesá v rade s>p>d, vnútorná periodicita v zmene vlastností sa najzreteľnejšie prejavuje vo vlastnostiach prvkov určených s-elektrónmi. Preto je najtypickejší pre zlúčeniny prvkov A-skupín periodického systému, ktoré zodpovedajú najvyššiemu oxidačnému stavu prvkov.
Uhlík sa od ostatných p-prvkov skupiny výrazne líši vysokou ionizačnou energiou.
Uhlík a kremík majú polymorfné modifikácie s rôznymi štruktúrami kryštálových mriežok. Germánium patrí medzi kovy, strieborno-bielej farby so žltkastým odtieňom, ale má diamantovú atómovú kryštálovú mriežku so silnými kovalentnými väzbami. Cín má dve polymorfné modifikácie: kovovú modifikáciu s kovovou kryštálovou mriežkou a kovovou väzbou; nekovová modifikácia s atómovou kryštálovou mriežkou, ktorá je stabilná pri teplotách pod 13,8 C. Olovo je tmavosivý kov s kovovou plošne centrovanou kubickou kryštálovou mriežkou. Zmena štruktúry jednoduchých látok v rade germánium-cín-olovo zodpovedá zmene ich fyzikálnych vlastností. Takže germánium a nekovový cín sú polovodiče, kovový cín a olovo sú vodiče. Zmena typu chemickej väzby z prevažne kovalentnej na kovovú je sprevádzaná poklesom tvrdosti jednoduchých látok. Germánium je teda dosť tvrdé, zatiaľ čo olovo sa ľahko valcuje na tenké pláty.
Zlúčeniny prvkov s vodíkom majú vzorec EN 4: CH 4 - metán, SiH 4 - silán, GeH 4 - nemecký, SnH 4 - stannan, PbH 4 - plumban. Nerozpustný vo vode. Zhora nadol v sérii zlúčenín vodíka ich stabilita klesá (olovnica je taká nestabilná, že jej existenciu možno posudzovať len podľa nepriamych znakov).
Zlúčeniny prvkov s kyslíkom majú všeobecné vzorce: EO a EO 2. Oxidy CO a SiO nie sú solitvorné; GeO, SnO, PbO sú amfotérne oxidy; CO 2, SiO 2 GeO 2 - kyslé, SnO 2, PbO 2 - amfotérne. So zvyšovaním stupňa oxidácie sa zvyšujú kyslé vlastnosti oxidov, zatiaľ čo základné vlastnosti slabnú. Vlastnosti zodpovedajúcich hydroxidov sa menia podobne.
| | | | | | | |
