Элементы IV A группы

К элементам IVA группы относятся C, Si, Ge, Sn, Pb. Это элементы р-семейства. Из них C, Si – неметаллы, а остальные элементы – это металлы. Строение внешнего электронного слоя – ns²np², где n – номер электронного слоя.

Радиус атома от углерода к свинцу увеличивается, энергия ионизации и энергия сродства к электрону уменьшаются, электроотрицательность также уменьшается. Для углерода и кремния в соединениях характерны степени окисления:-4, +2, +4. Для германия, олова и свинца в соединениях характерны степени окисления +2 и +4.

Углерод в природе встречается как в свободном виде, как алмаз и графит, так и в виде соединений. Например: торф, нефть, природный газ, малахит, мел, мрамор, известняк, доломит, поташ (K₂CO₃), питьевая сода (NaHCO₃), кристаллическая сода (Na₂CO₃ ∙ 10H₂O). Кремний в свободном виде не встречается. Занимает второе место после кислорода по распространённости в земной коре. Он входит в состав силикатов, растений (бамбук, хвощ, крапива), а также в состав животных организмов. Встречается в природе в виде кремнезёма.

У углерода есть 4 аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин и фуллерен. Алмаз – бесцветное вещество, очень твёрдое. Алмаз имеет хорошую преломляющую способность. Имеет атомную кристаллическую решётку. Графит – твёрдое вещество тёмно-серого цвета, жирный на ощупь, имеет атомную кристаллическую решётку. Он обладает тепло- электропроводностью. Карбин и фуллерен тоже твёрдые вещества чёрного цвета. Только у карбина атомная кристаллическая решётка, а у фуллерена – молекулярная.

Кремний – твёрдое вещество серебристо-серого цвета. У него атомная кристаллическая решётка.

Получить кремний можно несколькими способами. Например, восстановлением оксида кремния (IV) или галогенидов. Например, при восстановлении оксида кремния (IV) углеродом или магнием можно получить кремний. При восстановлении хлорида кремния (IV) водородом или при восстановлении фторида кремния (IV) калием тоже можно получить кремний:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

SiCl₄ + 2H₂ = Si + 4HCl

SiF₄ + 4K = Si + 4KF.

Сравним химические свойства углерода и кремния. В реакции углерода с водородом образуется метан. В реакции кремния с углеродом образуется карборунд. В реакции углерода с галогеном – фтором образуется фторид углерода (IV), в реакции кремния с фтором образуется фторид кремния (IV). Углерод и кремний реагируют с активными металлами. Так, в реакции углерода с алюминием образуется карбид алюминия, в реакции кремния с кальцием – силицид кальция. При горении углерода и кремния образуются соответствующие оксиды. Если горит углерод в недостатке кислорода, тот образуется оксид углерода (II), если горит кремний в недостатке кислорода, то образуется оксид кремния (II). Если реакции горения идут в избытке кислорода, то в случае с углеродом образуется оксид углерода (IV), в случае кремния – оксид кремния (IV):

C + 2H₂ = CH₄

Si + C = SiC

C + 2F₂ = CF₄

Si + 2F₂ = SiF₄

3C + 4Al = Al₄C₃

Si + 2Ca = Ca₂Si

2C + O₂ = 2CO

2Si + O₂ = 2SiO

C + O₂ = CO₂

Si + O₂ = SiO₂.

Углерод и кремний используются как восстановители металлов из их оксидов. Например, при восстановлении оксида меди (II) углеродом образуются медь и оксид углерода (II). При восстановлении оксида железа (III) кремнием образуется железо и оксид кремния (IV):

CuO + C = Cu + CO

2Fe₂O₃ + 3Si = 4Fe + 3SiO₂.

Но у углерода и кремния есть и специфические реакции. Так, углерод реагирует с оксидом кальция до образования карбида кальция и оксида углерода (II). Углерод также реагирует с оксидом углерода (IV) до образования оксида углерода (II):

3C + CaO = CaC₂ + CO

C + CO₂ = 2CO.

Кремний реагирует со щелочами. Так, в реакции кремния с водным раствором гидроксида натрия образуются силикат натрия и водород:

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑.

Рассмотрим оксиды углерода. Оксид углерода (II), или угарный газ – СО, является бесцветным газом, он не имеет запаха, ядовит. Легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода (II) – это несолеобразующий оксид, но является сильным восстановителем. Так, в реакции оксида меди (II) c оксидом углерода (II) образуются медь и оксид углерода (IV). В реакции оксида углерода (II) c кислородом образуется оксид углерода (IV). При взаимодействии угарного газа с водородом образуется метанол. Реагируя с хлором, оксид углерода (II), образуется фосген. Он также реагирует с метанолом до образования уксусной кислоты, а с твёрдым гидроксидом натрия образует соль – формиат натрия:

CuO + CO = Cu + CO₂

2CO + O₂ = 2CO₂

CO + 2H₂ → CH₃OH

CO + Cl₂ = COCl₂

CO + CH₃OH → CH₃COOH

CO + NaOH (тв.) → HCOONa.

Оксид углерода (IV), углекислый газ – СО₂ является солеобразующим кислотным оксидом. Это газ, не имеет цвета и запаха, не ядовит. Растворяется в воде, не поддерживает дыхание и горение. Так как это кислотный оксид, значит оксид углерода (IV) при растворении в воде образует неустойчивую угольную кислоту. Также оксид углерода (IV) будет реагировать с основными оксидами, щелочами. Так, в реакции оксида калия с оксидом углерода (IV) образуется карбонат калия, в реакции гидроксида бария с оксидом углерода (IV) образуется карбонат бария. В водном растворе этот оксид реагирует и с карбонатами до образования гидрокарбонатов. Так, в реакции раствора карбоната натрия с оксидом углерода (IV) образуется кислая соль – гидрокарбонат натрия. Оксид углерода (IV) реагирует с магнием, при этом образуются оксид магния и углерод. Оксид углерода (IV) реагирует с пероксидами и надпероксидами. Так, в реакции пероксида натрия с углекислым газом образуются карбонат натрия и кислород; в реакции надпероксида калия с углекислым газом образуются карбонат калия и кислород:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

K₂O + CO₂ = K₂CO₃

Ba(OH)₂ + CO₂ = BaCO₃ + H₂O

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O = 2NaHCO₃

CO₂ + 2Mg = 2MgO + C

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂↑

4KO₂ + 2CO₂ = 2K₂CO₃ + 3O₂↑.

Получают оксид углерода (IV) в промышленности разложением мрамора или известняка, а в лаборатории – действием соляной кислоты на мрамор:

CaCO₃ = CaO + CO₂↑

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.

Чтобы обнаружить выделяющийся углекислый газ, его пропускают через известковую воду, при этом выпадает белый нерастворимый осадок карбоната кальция:

CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O.

Под действием избытка оксида углерода (IV) нерастворимые в воде карбонаты превращаются в растворимые гидрокарбонаты. При нагревании гидрокарбонаты разлагаются на карбонаты, углекислый газ и воду:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O.

Большинство карбонатов при нагревании разлагаются. Так, при разложении карбоната магния образуется оксид магния и оксид углерода (IV). При разложении карбоната лития образуется оксид лития и оксид углерода (IV):

MgCO₃ = MgO + CO₂↑

Li₂CO₃ = Li₂O + CO₂↑.

Оксид кремния (IV) – это кислотный оксид, он тугоплавок, у него атомная кристаллическая решётка.

Оксиду кремния (IV) соответствует кремниевая кислота, но сам оксид с водой не реагирует. Оксид кремния (IV) реагирует с фтором, при этом образуется фторид кремния (IV) и вода, в реакции оксида кремния (IV) с основным оксидом – оксидом кальция образуется соль – силикат кальция, в реакции с концентрированной щёлочью – гидроксидом калия образуются силикат калия и вода. Оксид кремния (IV) реагирует с раствором плавиковой кислоты, при этом образуется фторид кремния (IV) и вода. В реакции оксида кремния (IV) с углеродом образуются кремний и оксид углерода (II), в реакции оксида кремния (IV) с магнием, образуются кремний и оксид магния, в реакции оксида кремния (IV) с карбонатом калия образуются силикат калия и оксид углерода (IV).

Кремниевую кислоту получают действием минеральных кислот на растворы силикатов:

Na₂SiO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂SiO₃↓.

Силикаты натрия и калия называют «жидкими стёклами».

Кремниевая кислота разлагается при нагревании:

 H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O.

При хранении на воздухе растворы силикатов мутнеют из-за вытеснения кремниевой кислоты углекислым газом, содержащимся в воздухе:

Na₂SiO₃ + 2CO₂ + 2H₂O = 2NaHCO₃ + H₂SiO₃↓.

Большое значения имеют вяжущие строительные материалы, основным сырьём получения которых являются соединения углерода и кремния. Цемент получают обжигом смеси известняка и глины. Бетон представляет собой смесь цемента, песка, воды, гравия. Шлакобетон – это смесь цемента со шлаком (отходы сталелитейной промышленности). Железобетон – это бетон с железной арматурой. Сырьём для получения стекла служат сода, известняк, песок.