Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
УГЛЕРОД, КРЕМНИЙ
Методические указания к лабораторной работе
Великий Новгород
Методическое руководство к лабораторной работе:
«Углерод, кремний»
Составитель: к.пед.н., ст. преподаватель Е.А. Пчелина.
Великий Новгород, 2006 г., 16 с.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ IV ГРУППЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
Главная подгруппа четвертой группы Периодической системы Д.И. Менделеева включает два типических элемента – углерод и кремний, и элементы семейства германия (германий, олово, свинец). Углерод является основой органической химии, главным органогенным элементом. Второй типический элемент – кремний – основной элемент неорганической химии и всей неживой природы. Кремний и германий – доминирующие полупроводниковые материалы. Интегральные схемы на основе кремния и германия являются основой компьютеров, микропроцессоров и т.д.
Некоторые физико-химические константы элементов подгруппы IVА приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Свойства элементов подгруппы углерода
| Свойства | C | Si | Ge | Sn | Pb |
| Атомный радиус, нм | 0,077 | 0,118 | 0,139 | 0,158 | 0,175 |
| Ионный радиус Э-4, нм | 0,260 | 0,271 | 0,272 | 0,294 | 0,313 |
| Ионный радиус Э+4, нм | 0,015 | 0,041 | 0,053 | 0,071 | 0,084 |
| Потенциал ионизации I, В | 11,26 | 8,15 | 7,899 | 7,344 | 7,417 |
| ОЭО | 2,6 | 1,9 | 2,0 | 1,8 | 1,7 |
| Температура плавления, 0С | 231,9 | 327,4 | |||
| Температура кипения, 0С | |||||
| Плотность, г/см3 | 3,51 (алмаз) | 5,72 | 6,7 | 9,8 | |
| Степень окисления | -4, +2, +4 | -4, +2, +4 | -4, +2, +4 | -4, +2, +4 | +2,+4 |
Все элементы этой подгруппы содержат по четыре валентных электрона – это ns2np2 электроны. Такое число валентных электронов является оптимальным для возникновения тетраэдрических связей по обменному механизму. В невозбужденном состоянии неспаренные только 2 р-электрона. Такому состоянию соответствует валентность элементов, равная двум, и степень окисления +2. Соединения со степенью окисления +2 неустойчивы, отличаются высокой восстановительной активностью. При возбуждении атома один из парных р-электронов переходит на р-подуровень – все электроны становятся неспаренными. Такому состоянию соответствует максимальная степень окисления +4. Вполне устойчивы четырехвалентные соединения углерода. Прочность аналогичных соединений в ряду Si – Ge – Sn – Pb убывает. Для углерода и кремния характерна также отрицательная степень окисления -4, например, в гидридах.
При обычных условиях элементарные вещества этой группы весьма инертны, но при нагревании реагируют с водородом, кислородом, галогенами, серой и другими элементами. Восстановительные свойства с ростом радиуса атома усиливаются от углерода к свинцу, а окислительные – падают.
Углерод, кремний и германий образуют соединения преимущественно с ковалентной связью. В соединениях олова и свинца ковалентность выражена слабее. Оксиды углерода (IV) и кремния (IV) – кислотные, германия, олова, свинца – амфотерные.
В подгруппе разница между свойствами первого и последнего членов подгруппы максимальна. От неметаллических элементов – углерода и кремния – через германий с промежуточными свойствами, происходит переход к олову и свинцу, которые являются металлами.
Переход от неметаллов к металлам может быть проиллюстрирован реакциями с HNO3, разбавленной и концентрированной:
HNO3 разб. + С, Si, Ge → не реагирует;
HNO3 разб. + Sn → реагирует;
HNO3 разб. +Pb → мала активность Pb для реакции;
HNO3 конц. + C, Si, Ge, Sn → гидратированные оксиды;
HNO3 конц. + Pb → нитрат свинца.
В дополнение к наблюдающемуся изменению свойств при движении по группе сверху вниз существует резкое различие в свойствах углерода и кремния. Во всех группах первый член отличается от остальных отсутствием d-орбиталей, сравнимых по энергии с занятыми р-орбиталями. Это уменьшает валентные возможности первых элементов.
Главные различия между углеродом и кремнием:
1. Углерод образует огромное число соединений с водородом - углеводородов; кремний образует только несколько Силанов SinH2n+2, которые самовоспламеняются на воздухе.
2. Углерод не образует комплексов; кремний и другие элементы группы могут повышать свою валентность и образовывать, например, SiF62-, SnCl62-, PbCl42-.
3. Все галогениды ЭХ4, за исключением тетрагалогенидов углерода, легко гидролизуются. Из всех галогенидов (кроме углерода) наиболее ковалентными и легко гидролизующимися являются галогениды кремния. Гидролиз их приводит к образованию силикат-ионов. Галогениды SnX4 и PbX4 гидролизуются до основных солей или станнатов, плюмбатов.