Здавалка
Главная | Обратная связь

Деякі важливі фізичні характеристики p-елементів ІVА групи наведені у таблиці 8.



Таблиця 8

Елемент, Е C Si Ge Sn Pb
Радіус атома, нм 0,077 0,118 0,122 0,141 0,154
Радіус іона, нм Е2+ Е4+   - 0,016   - 0,040   0,093 0,053   0,112 0,071   0,119 0,078
Перший потенціал іонізації, еВ 11,260 8,152 7,900 7,344 7,417
Спорідненість до електрону, еВ 1,27 1,36 1,74 1,03 1,03
Електронегативність 2,5 1,74 2,02 1,72 1,55
Ступені окислення Е у сполуках (виділені найбільш характерні) -4 +2 +4 -4 +2 +4   +2 +4   +2 +4   +2 +4

 

4.2. Прості речовини. Вуглець відомий з давніх часів. Його можна одержати нагріванням деревини без доступу повітря, неповним згорянням органічних сполук. Вуглець утворює декілька алотропних модифікацій: графіт, алмаз тощо. Графіт та алмаз зустрічаються у природі, але їх можна одержати і штучно.

Кремній одержують відновленням SiO2:

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO;

SiO2 + 2C → Si + 2CO.

Ge, Sn, Pb – відновленням їх оксидів:

GeO2 + 2H2 → Ge + 2H2O;

SnO2 + 2C → SnO + 2CO;

PbO + CO → Pb + CO2.

За хімічними властивостями вуглець та його сполуки різко відмінні від інших елементів групи та їх похідних. Вуглець є типовим неметалічним елементом. Як проста речовина, а також у сполуках з киснем, азотом, сіркою вуглець здатний утворювати кратні зв’язки типу:

 

–С≡N, >C=S, >C=O, >C=C<, –C≡C–

 

Для кремнію та германію сполук з такими кратними зв’язками не знайдено. Олово і свинець утворюють сполуки, характерні для металів.

За звичайних умов вуглець інертний, інші елементи – достатньо активні і взаємодіють з багатьма речовинами.

 

Реакції з простими речовинами:

З воднем реагує безпосередньо тільки вуглець:

С + 2Н2 СН4.

З галогенами взаємодіють всі елементи. Вуглець – тільки з фтором:

C + 2F2 CF4;

Ge + 2Г2 GeГ4 ( Г = Cl, Br, I );

E + 2Г2 → EГ4 ( E=Si, Sn; Г = F, Cl, Br, I ) ;

Pb + Г2 → Pb Г2 (Г = F, Cl, Br, I ).

Взаємодіють з киснем, сіркою:

2E + O2 2EO абоЕО2;

E + 2S ES2(E = C, Si, Ge, Sn );

E + S ES(E = Ge, Sn, Pb ).

З азотом – вуглець і кремній:

2C + N2 C2N2;

2Si + 2N2 Si3N4.

З металами вуглець утворює карбіди, кремній – силіциди, а інші елементи групи – сплави.

Реакції з найважливішими реагентами:

E + H2O → EO + H2 ( E=C, Pb );

E + 2H2O → EO2 + 2H2 ( E=Si, Ge, Sn ).

Кремній з кислотами не взаємодіє.

Ge, Sn, Pb реагують з концентрованою H2SO4:

Ge + 2H2SO4конц→ GeO2 + 2SO2 + 2H2O;

Sn + 4H2SO4конц → Sn(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O;

Pb + 2H2SO4конц → Pb(SO4)2 + SO2 + 4H2O.

З розбавленою H2SO4 реагує лише олово:

Sn + H2SO4 → SnSO4 + H2.

З концентрованою HNO3 реагують C, Ge, Sn:

C + 4HNO3конц → CO2 + 2H2O + 4NO2;

3Ge + 4HNO3конц → 3GeO2 + 4NO + 2H2O;

3Sn + 4 HNO3конц → 3SnО2 + 4NO + 2H2О.

З розбавленою HNO3 – Sn, Pb:

4Sn + 10HNO3р → 4 Sn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O;

3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4Н2O.

З соляною кислотою – Sn:

Sn + 2HCl → SnCl2 + H2.

З розчинами лугів реагують Si, Sn, Pb:

Si + 2NаOH + Н2О → Na2SiO3 + 2H2;

Sn + 2NaOH + 4H2O → Na2[Sn(OH)6] + 2H2;

Pb + 2KOH + 2H2O → K2[Pb(OH)4] + H2.

Ge розчиняється в лугах тільки при наявності окисників, наприклад H2O2:

Ge + 2KOH + 2H2O2 → K2[Ge(OH)6 ].

 

4.3. Бінарні сполуки

4.3.1. Сполуки з воднем

Відомі водневі сполуки типу ЕН4. Це гази, їх стійкість у ряду СН4 – PbH4 зменшується, а здатність відновлювати збільшується. Метан хімічно інертний, інші гази – дуже реакційноздатні, наприклад силан, SiH4, самозаймається на повітрі:

SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O,

реагує з розчинами лугів, водою при кімнатній температурі:

SiH4 + 3H2O → H2SiO3 +4H2;

SiH4 + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 4H2.

Метан існує у природі, водневі сполуки кремнію, германію, олова та свинцю утворюються при дії кислот на сплави цих елементів з магнієм, наприклад :

Mg2Si + 4HCl→ SiH4 + 2MgCl2.

4.3.2. Галогеніди

Вуглець та кремній утворюють з усіма галогенами галогеніди тільки одного типу ЕГ4. Германій, олово, свинець – двох типів: ЕГ4 та ЕГ2.

Більшість ЕГ4 є рідинами або твердими речовинами, як правило, молекулярної будови. Галогеніди вуглецю хімічно інертні. CF4, CF2Cl2, крім того, малотоксичні, їх використовують як фреони в холодильних агрегатах. Галогеніди інших елементів у водному розчині сильно гідролізують:

SiCl4 + 3H2O → H2SiO3 + 4HCl.

Гідроліз супроводжується утворенням комплексів:

3SnCl4 + 4H2O → Sn(OH)4 + 2H2[SnCl6];

EF4 + 2HF → H2[EГ6] ( E= Si, Ge, Sn );

SnCl4 + 2HCl → H2[SnCl6].

H2[SiF6] – сильна кислота, не діє на скло, її солі – фторосилікати , розчинні у воді.

Галогеніди германію, олова та свинцю типу ЕГ2 – солі, окислюються киснем повітря:

2ЕГ2 + О2 → ЕГ4 + ЕО2

SnCl2 – один з найпоширеніших відновників:

SnCl2 + НgCl2 → SnCl4 + Нg2Cl2;

3SnCl2 + 2AuCl3 → 2Au + 3SnCl4.

4.3.3. Оксиди. Для всіх елементів IVА групи відомі оксиди типу ЕО та ЕО2. Оксиди СО та СО2 – гази, решта – тверді речовини.

Кислотно-основні та окисно-відновні властивості оксидів змінюються зі збільшенням номеру елементу:

 

Ступінь окислення елементу Оксиди
+2   CO SiO GeO SnO PbO
несолетворні амфотерні
основні властивості зростають
здатність відновлювати зростає  
+4 CO2 SiO2 GeO2 SnO2 PbO2
кислотні амфотерні
кислотні властивості зростають  
 
здатність окислювати зростає  

 

Найбільш сильним відновником є СО при високій температурі. Відновлення оксидів металів за допомогою СО використовують у металургії.

PbO2 у кислому середовищі – дуже сильний окисник:

5PbO2 + 2MnSO4 + 3H2SO4 → 5PbSO4 + 2HMnO4 + 2H2O.

СО – отруйний “чадний” газ. Гемоглобін, зв’язаний з СО, втрачає здатність переносити О2.

В лабораторії СО одержують:

НСООН → СО + Н2О,

але СО не є ангідридом мурашиної кислоти, бо в СО вуглець має ковалентність три, а в НСООН – чотири.

У промисловості СО одержують:

С + О2 → СО2;

СО2 + С → 2СО або

С + Н2О → СО + Н2.

СО проявляє схильність до реакцій приєднання завдяки валентній ненасиченості:

СО + Cl2 → COCl2

Фосген

СOCl2 – дуже отруйний газ, у воді гідролізує:

COCl2 + 2H2O → 2HCl + H2CO3,

тобто COCl2 – хлорангідрид вугільної кислоти.

СО є лігандом у комплексних сполуках – карбонілах, наприклад [Fe(CO)5], [Ni(CO)4].

SiO утворюється за реакцією:

Si + SiO2 → 2SiO.

SiO – термодинамічно нестійкий оксид.

GeO, SnO, PbO – оксиди з амфотерними властивостями:

PbO + 2KOH + H2O=K2[Pb(OH)4];

PbO + 2CH3COOH=Pb(CH3CОO)2 + H2O.

 

SiO2 одержують:

Si + O2 → SiO2.

SiO2 існує у вигляді кількох модифікацій – звичайною формою є α-кварц.

CO2 і SiO2 – кислотні оксиди:

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O;

CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O.

 

SiO2 реагує з HF:

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

SiF4 + 2HF → H2[SiF6].

 

GeO2, SnO2, PbO2 – амфотерні оксиди:

GeO2 + 4HCl → GeCl4 + 2H2O;

EO2 + 2NaOH → Na2EO3 + H2O ( E=Ge, Sn );

SnO2 + 6HCl → H2[SnCl6] + 2H2O;

PbO2 + 4HClрозв → PbCl4 + 2H2O (при низьких температурах);

PbO2 + 4HClконц → PbCl2 + Cl2 + 2H2O;

PbO2 + 2NaOH + 2H2O → Na2[Pb(OH)6];

PbO2 + 2CaO → Ca2PbO4 (ортоплюмбат кальцію).

 

Pb3O4 – зустрічається у природі, отруйний. Реагує з розбавленими H2SO4, HNO3:

Pb3O4 + 4HNO= 2Pb(NO3)2 + PbO2 + 2H2O

Pb3O4 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + PbO2 + 2H2O

 

Pb3O4 – окисник:

Pb3O4 + H2O2 + 3H2SO4 → 3PbSO4 + 4H2O + O2

 

Pb3O4 застосовують як оранжево-червоний пігмент при виготовленні фарб, емалей, глазурі, кришталю.

 

4.3.4. Сполуки з іншими елементами

Вуглець та кремній утворюють з менш електронегативними елементами карбіди та силіциди відповідно.

Карбіди ділять на три групи: солеподібні, карбіди проникнення та ковалентні карбіди. До перших відносять карбіди активних металів: Mg2C3, CaC2, Al4C3 тощо. При взаємодії з водою утворюються гідроксиди та відповідні вуглеводні:

CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

Карбіди проникнення характеризуються високою твердістю, високими температурами плавлення, хімічною стійкістю. Мають перемінний склад.

Ковалентними карбідами є SiC, B4C.

Силіциди мають склад, що не відповідає звичайним ступеням окислення елементів: Mg2Si, FeSi, Cr3Si тощо. Це тверді тугоплавкі електропровідні сполуки.

Сульфіди відомі для всіх елементів групи. Вони не розчинні у воді та в розбавлених кислотах, крім SiS2, який руйнується водою:

SiS2 + 2H2O → SiO2 + 2H2S

Сірковуглець CS2 – отруйна, нестійка рідина. З сульфідами металів утворює солі – тіокарбонати:

Na2S + CS2 → Na2CS3

При дії на тіокарбонати кислот виділяється тіовугільна кислота:

Na2CS3 + 2HCl → 2NaCl + H2CS3

Вона легко розпадається на H2S та CS2.

З азотом вуглець та кремній утворюють при дуже високих температурах сполуки – діціан C2N2 та нітрид кремнію (IV) Si3N4 відповідно.

C2N2 – отруйний газ, дуже реакційноздатний, вступає у реакції, аналогічні реакціям галогенів:

C2N2 + H2 → 2HCN

C2N2 + 2KOH → KCN + KCNO + H2O
Ціанід калію Ціанат калію

 

Ціанід водню – отруйна рідина. У водному розчині – слабка кислота (синильна). Молекула HCN має лінійну будову, існує у двох таутомерних формах:

 

H-C≡N:DH–N≡C:

 

У промисловості HCN одержують, нагріваючи суміш СО та NH3 при високому тиску і в присутності каталізатора:

CO + NH3 → HCN + H2O

Солі HCN – ціаніди гідролізують у водних розчинах. Іон CN- входить як ліганд у ціанідні комплекси d-елементів, наприклад K4[Fe(CN)6], K3[Fe(CN)6], K2[Cu(CN)4] тощо.

Ціаніди проявляють відновні властивості:

2CN- + O2 → 2CNO‾ ціанат

CN- + S → CNS‾ роданід (тіоціонат)

HCNS – рідина, розчиняється у воді, утворюючи сильну родановодневу (тіоціонатну) кислоту.

Si3N4 – тверда стійка речовина, має напівпровідникові властивості.

4.4. Гідроксиди та їх похідні

Всі гідроксиди, крім H2CO3, – тверді, погано розчинні у воді речовини. H2CO3 у вільному стані не одержана, відома лише у водних розчинах.

 

Гідроксиди елементів IVА групи одержують непрямим шляхом:

Pb(NO3)2 + 2NaOH → Pb(OH)2 + 2NaNO3;

SnCl4 + 4NaOH → Sn(OH)4 + 4NaCl.

Окислювально-відновні та кислотно-основні властивості гідроксидів наведені нижче:

 

Ступінь окислення елементу Гідроксиди
+2   Ge(OH)2 Sn(OH)2 Pb(OH)2
амфотерні
  основні властивості зростають  
здатність відновлювати зростає    
+4 H2CO3 H2SiO3 Ge(OH)4 Sn(OH)4 PbO2.4H2O
слабкі кислоти (GeO2.2H2O) (SnO2.2H2O)
  амфотерні
   
кислотні властивості зростають
 
здатність окислювати зростає  
         

 

Амфотерні гідроксиди Е(ОН)2 здатні реагувати і з лугами, і з кислотами:

E(OH)2 + 2NaOH → Na2[E(OH)4], де E=Ge, Sn, Pb;

E(OH)2 + 2HCl → ECl2 + H2O, де E=Ge, Sn, Pb.

Солей, до складу яких входить катіон Е2+, існує багато, більшість з них під час розчинення у воді гідролізує.

Солі Sn2+ та Ge2+ – сильні відновники, окислюються у розчинах навіть киснем повітря:

GeCl2 + 4NaOH + O2 → Na2GeO4 + 2NaCl + 2H2O

H2CO3 – слабка двохосновна кислота, утворює середні та кислі солі.

H2SiO3 – умовна формула кремнієвих кислот складу SiO2∙хH2O. Ці кислоти слабкіші за вугільну.

Водні розчини GeO2 та SnO2 мають слабкокислу реакцію, розчиняються у воді з утворенням колоїдних розчинів, проявляють амфотерні властивості:

SnO2 ∙ 2H2O + 2KOH → K2[Sn(OH)6];

SnO2 ∙ 2H2O + 6HCl → H2[SnCl6] + 4Н2О.

Na2[Pb(OH)6], K2[Pb(OH)6] гідролізують з утворенням дуже нестійкої H2[Pb(OH)6], яка розкладається з утворенням PbO2∙4H2O.

Солі кисневмісних кислот з катіоном Е4+ нехарактерні.

 

Лабораторна робота

 

Дослід 1. Відновлення вугіллям сірчаної кислоти

У пробірку набрати 2 – 4 краплі концентрованої H24, вкинути маленький шматочок вугілля. Обережно нагріти. Спостерігати виділення газу. Написати рівняння реакції.

Дослід 2. Одержання малорозчинних солей вугільної кислоти

У дві пробірки набрати по 4 – 6 крапель розчину карбонату натрію та додати по 4 – 6 крапель розчинів: в першу – солі барію, у другу – солі срібла.

Пробірку з осадом карбонату срібла ледь нагріти. Осад темніє внаслідок утворення оксиду срібла.

У пробірку з осадом карбонату барію додати 2 – 3 краплі оцтової кислоти. Осад розчиняється. Написати рівняння реакцій.

Дослід 3. Взаємодія оксиду кремнію(IV) з карбонатом натрію

У тигель набрати два мікрошпателі карбонату натрію, розплавити сіль, додати два мікрошпателі силікагелю і знову нагріти до утворення однорідної маси. Охолодити. Одержану сіль розчинити у 10 – 15 краплях дистильованої води, розмішуючи розчин за допомогою скляної палички. Написати рівняння реакцій.

Дослід 4. Властивості розчинних силікатів

а)вогнестійкість тканин , змочених силікатом натрію

Клаптик тканини( чи фільтрувального паперу ) витримати у насиченому розчині силікату натрію 10 – 15 хв. Висушити і за допомогою пінцету внести у полум’я пальника. Для порівняння внести у полум’я такий самий клаптик тканини чи паперу без попередньої обробки силікатом натрію

б) гідроліз силікату натрію.

У пробірку набрати 4 – 5 крапель розчину силікату натрію, додати 2 – 3 краплі фенолфталеїну. Описати спостереження. Написати іонне та молекулярне рівняння першого ступеню гідролізу силікату натрію.

Дослід 5. Одержання та властивості гідроксиду олова(II)

У дві пробірки з розчином хлориду олова(II) (3 – 5 крапель) додати по 5 – 6 крапель розчину лугу до появи білого осаду.

В одну пробірку додати 3 – 5 крапель соляної кислоти, у другу – стільки ж розчину гідроксиду натрію. Описати спостереження. Написати рівняння реакцій.

Дослід 6. Взаємодія олова з кислотами

У три пробірки покласти по маленькому шматочку металічного олова. В одну пробірку додати 5 – 10 крапель соляної кислоти, підігріти полум’ям пальника. В другу пробірку додати 5 – 10 крапель розбавленого розчину сірчаної кислоти, у третю – стільки ж розбавленої азотної кислоти. Описати спостереження. Написати рівняння реакцій.

Дослід 7. Витіснення олова із розчину його солі цинком

У пробірку набрати 5 – 10 крапель розчину хлориду олова (II) , вкинути шматочок металічного цинку. Описати спостереження. Написати рівняння реакцій.

Дослід 8. Відновні властивості іону Sn2+

У дві пробірки набрати 1 – 3 краплі розчинів хлориду заліза (III) і стільки ж розчину K3[Fe(CN)6], додати 5 – 10 крапель дистильованої води. Відмітити забарвлення розчину. Одну пробірку зберегти як контроль, в іншу – додати 2 – 4 краплі розчину хлориду олова(II). Порівняти забарвлення розчинів у пробірках. Написати рівняння реакцій:

а) відновлення хлориду заліза(III) оловом(II)

б) взаємодія хлориду заліза(II) і K3[Fe(CN)6] з утворенням Fe3[Fe(CN)6]2.

Дослід 9. Одержання та властивості гідроксиду свинцю (II)

У дві пробірки з розчином солі свинцю ( по 2 – 3 краплі у кожній) додавати краплинами розчин гідроксиду натрію до утворення осаду гідроксиду свинцю(II). У першу пробірку додати 4 – 5 крапель розчину оцтової кислоти, у другу – стільки ж розчину гідроксиду натрію. Утворений розчин тетрагідроксоплюмбату(II) натрію зберегти. Описати спостереження. Написати рівняння реакцій.

Дослід 10. Одержання оксиду свинцю(IV)

До одержаного у досліді 9 розчину тетрагідроксоплюмбату (II) натрію додати кілька крапель розчину пероксиду водню і обережно нагріти до утворення коричневого осаду РbО2. Написати рівняння реакції.

Дослід 11. Одержання малорозчинних солей свинцю(II)

У дві пробірки набрати по 4 – 5 крапель розчину нітрату свинцю(II). У першу пробірку додати краплями розчин йодиду калію до утворення осаду. Додати 3 – 5 крапель розчину оцтової кислоти і нагріти вміст пробірки полум’ям пальника до розчинення осаду. Спостерігати утворення кристалів йодиду свинцю(II) після охолодження. У другу пробірку додати 5 – 6 крапель розчину хромату калію. Описати спостереження. Написати рівняння реакцій.

 

Вправи

 

1. Напишіть електронні формули атомів C, Si, Ge, Sn, Pb. Які ступені окислення характерні для цих елементів? Як змінюється стійкість сполук з різними ступенями окислення в ряду C – Pb та чому?

2. Які типи гібридизації характерні для орбіталей атома вуглецю?

3. Назвіть тип гібридизації орбіталей атому вуглецю та його ковалентність у сполуках: CH4, C2H4, C2H2, CO2, CO?

4. Поясніть будову молекули СО з точки зору методів ВЗ і МО.

5. Поясніть високу токсичність СО.

6. Чому СО не можна вважати ангідридом мурашиної кислоти, незважаючи на метод його одержання – термічний розклад НСООН?

7. Чим пояснити велику комплексоутворюючу здатність СО? Що таке карбоніли металів, яка природа хімічного зв’язку у цих сполуках?

8. Напишіть рівняння реакцій:

 

а) СО + Cl2;

б) CO + Fe2O3;

в) C + N2;

г) C2N2 + KOH;

д) KCN + S;

е) CaC2 + H2O;

ж) CaCO3 + С;

з) Al4C3 + H2O.

9. З якими простими та складними речовинами реагує кремній? Напишіть рівняння реакцій.

10. Чому на відміну від вуглецю у кремнію координаційне число у сполуках може бути 6? Чому для кремнію характерні сполуки зі –Si–O–Si– зв’язками на відміну від вуглецю?

11. У яких кислотах можна розчинити германій, олово, свинець? Напишіть рівняння реакцій.

12. Напишіть рівняння реакцій кремнію, германію, олова і свинцю з розчинами лугів.

13. Напишіть рівняння реакцій:

 

а) PbO2 + CaO;

б) SnCl2 + HgCl2;

в) SnCl2 + FeCl3;

г) SnCl2 + H2O2 + HCl;

д) PbO2 + HCl.

14. Напишіть рівняння реакцій таких перетворень:

 

а) Pb(NO3)2 → PbO → K2[Pb(OH)4] → Pb(NO3)2;

б) Sn → SnCl2 → SnCl4 → H2[SnCl6];

в) C → CO2 → Na2CO3 → Na2SiO3.

15. Максимально допустимим вмістом свинцю у повітрі вважають концентрацію 10-5 мг/л. Cкільки атомів свинцю знаходиться в 1мл такого повітря?

16. Знайдіть масу кремнію та об’єм розчину гідроксиду натрію з ω(NaOH) 32%, щоб одержати 500л водню (н.у.). ρр-ну=1,35г/см3.

17. Знайдіть Kд(HCN) , якщо ступінь дисоціації у розчині з C(HCN) 0,1моль/л дорівнює 8,5∙10-5.

18. Який об’єм СО2 (н.у.) можна одержати термічним розкладом 12 кг вапняку, що має 5% домішок, якщо ступінь розкладу складає 96%?

19. Чи випаде осад при змішуванні рівних об’ємів розчинів Pb(NO3)2 та HCl, молярна концентрація яких 0,04моль/л? ДРPbCl2= 1,6∙10-5моль33.

 

 

Елементи VА групи

 

VА групу складають 7N, 15P, 33As, 51Sb, 83Bi.

Будова зовнішніх електронних рівнів – ns2 np3. Для 7N, E ###. ;
2s 2p
для решти елементів: E ### – – – – – де n (номер періоду ) = 3,4,5,6
         






©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.