Είναι χαρακτηριστικό για άτομα της ομάδας iva του περιοδικού συστήματος. Γενικά χαρακτηριστικά των στοιχείων της ομάδας IVA

ξέρω

θέση άνθρακα και πυριτίου στον περιοδικό πίνακα, εμφάνιση στη φύση και πρακτική εφαρμογή.
ατομική δομή, σθένος, καταστάσεις οξείδωσης άνθρακα και πυριτίου.
μέθοδοι παραγωγής και ιδιότητες απλών ουσιών - γραφίτη, διαμάντι και πυρίτιο. νέες αλλοτροπικές μορφές άνθρακα·
κύριοι τύποι ενώσεων άνθρακα και πυριτίου.
χαρακτηριστικά στοιχείων της υποομάδας του γερμανίου.

έχω την δυνατότητα να

να συντάσσει εξισώσεις αντίδρασης για την παραγωγή απλών ουσιών άνθρακα και πυριτίου και αντιδράσεις που χαρακτηρίζουν τις χημικές ιδιότητες αυτών των ουσιών·
συγκρίνετε τις ιδιότητες των στοιχείων στην ομάδα άνθρακα.
χαρακτηρίζουν πρακτικά σημαντικές ενώσεις άνθρακα και πυριτίου.
πραγματοποιήστε υπολογισμούς χρησιμοποιώντας εξισώσεις αντίδρασης στις οποίες εμπλέκονται άνθρακας και πυρίτιο.

τα δικά

Ικανότητες πρόβλεψης της πορείας των αντιδράσεων που περιλαμβάνουν άνθρακα, πυρίτιο και τις ενώσεις τους.

Η δομή των ατόμων. Επικράτηση στη φύση

Η ομάδα IVA του περιοδικού πίνακα αποτελείται από πέντε στοιχεία με ζυγούς ατομικούς αριθμούς: άνθρακα C, πυρίτιο Si, γερμάνιο Ge, κασσίτερο Sn και μόλυβδο Pb (Πίνακας 21.1). Στη φύση, όλα τα στοιχεία της ομάδας είναι μείγματα σταθερών ισοτόπων. Ο άνθρακας έχει δύο ισόγωνα - *|C (98,9%) και *§C (1,1%). Επιπλέον, στη φύση υπάρχουν ίχνη του ραδιενεργού ισοτόπου "|С с t t= 5730 χρόνια. Σχηματίζεται συνεχώς κατά τις συγκρούσεις νετρονίων από την κοσμική ακτινοβολία με πυρήνες αζώτου στην ατμόσφαιρα της γης:

Πίνακας 21.1

Χαρακτηριστικά στοιχείων της ομάδας IVA

* Βιογενές στοιχείο.

Το κύριο ισότοπο του άνθρακα έχει ιδιαίτερη σημασία στη χημεία και τη φυσική, καθώς βασίζεται στη μονάδα ατομικής μάζας, δηλαδή { /2 μέρος της μάζας ενός ατόμου «ICO Ναι).

Το πυρίτιο έχει τρία ισότοπα στη φύση. Μεταξύ αυτών, το πιο κοινό είναι το ^)Si (92,23%). Το γερμάνιο έχει πέντε ισότοπα (j^Ge - 36,5%). Κασσίτερος - 10 ισότοπα. Πρόκειται για ρεκόρ μεταξύ των χημικών στοιχείων. Το πιο κοινό είναι 12 5 gSn (32,59%). Ο μόλυβδος έχει τέσσερα ισότοπα: 2 §^Pb (1,4%), 2 §|Pb (24,1%), 2 82?b (22,1%) και 2 82?b (52,4%). Τα τρία τελευταία ισότοπα του μολύβδου είναι τα τελικά προϊόντα της διάσπασης των φυσικών ραδιενεργών ισοτόπων του ουρανίου και του θορίου, και ως εκ τούτου η περιεκτικότητά τους στον φλοιό της γης έχει αυξηθεί καθ' όλη τη διάρκεια της ύπαρξης της Γης.

Όσον αφορά την αφθονία στον φλοιό της γης, ο άνθρακας είναι ένα από τα δέκα κορυφαία χημικά στοιχεία. Βρίσκεται με τη μορφή γραφίτη, πολλών ποικιλιών άνθρακα, ως μέρος πετρελαίου, φυσικού εύφλεκτου αερίου, σχηματισμών ασβεστόλιθου (CaCO e), δολομίτη (CaC0 3 -MgC0 3) και άλλων ανθρακικών ενώσεων. Το φυσικό διαμάντι, αν και αποτελεί ένα ασήμαντο μέρος του διαθέσιμου άνθρακα, είναι εξαιρετικά πολύτιμο ως ένα όμορφο και σκληρότερο ορυκτό. Αλλά, φυσικά, η υψηλότερη αξία του άνθρακα έγκειται στο γεγονός ότι είναι η δομική βάση των βιοοργανικών ουσιών που σχηματίζουν τα σώματα όλων των ζωντανών οργανισμών. Ο άνθρακας δικαίως θεωρείται το πρώτο μεταξύ πολλών χημικών στοιχείων που είναι απαραίτητα για την ύπαρξη της ζωής.

Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης. Η άμμος, ο πηλός και πολλά πετρώματα που βλέπετε αποτελούνται από ορυκτά πυριτίου. Με εξαίρεση τις κρυσταλλικές ποικιλίες οξειδίου του πυριτίου, όλες οι φυσικές ενώσεις του είναι πυριτικά, δηλ. άλατα διαφόρων πυριτικών οξέων. Αυτά τα ίδια τα οξέα δεν έχουν ληφθεί ως μεμονωμένες ουσίες. Τα ορθοπυριτικά περιέχουν ιόντα SiOj~, τα μεταπυριτικά αποτελούνται από αλυσίδες πολυμερούς (Si0 3 ") w. Τα περισσότερα πυριτικά είναι δομημένα σε ένα πλαίσιο ατόμων πυριτίου και οξυγόνου, μεταξύ των οποίων μπορούν να βρίσκονται άτομα οποιωνδήποτε μετάλλων και ορισμένων αμετάλλων (φθόριο). -Τα γνωστά ορυκτά πυριτίου περιλαμβάνουν χαλαζία Si0 2, άστριο (ορθόκλασο KAlSi 3 0 8), μαρμαρυγία (μοσχοβίτης KAl 3 H 2 Si 3 0 12 Συνολικά, περισσότερα από 400 ορυκτά πυριτίου είναι γνωστά περισσότερα από τα μισά κοσμήματα και διακοσμητικά Το πλαίσιο οξυγόνου-πυριτίου προκαλεί χαμηλή διαλυτότητα στο νερό μόνο από θερμές υπόγειες πηγές.

Δεν χρειάζεται να μιλήσουμε για την εποχή της ανακάλυψης του άνθρακα, του πυριτίου, του κασσίτερου και του μολύβδου, αφού ήταν γνωστά με τη μορφή απλών ουσιών ή ενώσεων από την αρχαιότητα. Το γερμάνιο ανακαλύφθηκε από τον K. Winkler (Γερμανία) το 1886 στο σπάνιο ορυκτό αργυροδίτη. Σύντομα έγινε σαφές ότι η ύπαρξη ενός στοιχείου με τέτοιες ιδιότητες είχε προβλεφθεί από τον D.I Mendeleev. Το όνομα του νέου στοιχείου προκάλεσε διαμάχη. Ο Mendeleev, σε μια επιστολή του προς τον Winkler, υποστήριξε σθεναρά το όνομα γερμάνιο.

Τα στοιχεία της ομάδας IVA έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό τους μικρό-και p-υποεπίπεδα:

Ηλεκτρονικοί τύποι ατόμων:

Στη θεμελιώδη κατάσταση, αυτά τα στοιχεία είναι δισθενή και στη διεγερμένη κατάσταση γίνονται τετρασθενή:

Ο άνθρακας και το πυρίτιο σχηματίζουν πολύ λίγες χημικές ενώσεις σε δισθενή κατάσταση. σχεδόν σε όλες τις σταθερές ενώσεις είναι τετρασθενείς. Πιο κάτω στην ομάδα, η σταθερότητα της δισθενούς κατάστασης αυξάνεται για το γερμάνιο, τον κασσίτερο και τον μόλυβδο και η σταθερότητα της τετρασθενούς κατάστασης μειώνεται. Επομένως, οι ενώσεις μολύβδου(1U) συμπεριφέρονται ως ισχυροί οξειδωτικοί παράγοντες. Αυτό το μοτίβο είναι επίσης εμφανές στην ομάδα VA. Μια σημαντική διαφορά μεταξύ του άνθρακα και άλλων στοιχείων της ομάδας είναι η ικανότητα σχηματισμού χημικών δεσμών σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις υβριδισμού - sp, sp 2Και sp3.Το πυρίτιο έχει πρακτικά μόνο μία υβριδική κατάσταση sp3.Αυτό είναι ξεκάθαρα εμφανές όταν συγκρίνουμε τις ιδιότητες των ενώσεων άνθρακα και πυριτίου. Για παράδειγμα, το μονοξείδιο του άνθρακα C0 2 είναι αέριο (διοξείδιο του άνθρακα) και το οξείδιο του πυριτίου Si0 2 είναι μια πυρίμαχη ουσία (χαλαζίας). Η πρώτη ουσία είναι αέρια γιατί πότε sp-υβριδισμός άνθρακα, όλοι οι ομοιοπολικοί δεσμοί είναι κλειστοί στο μόριο C0 2:

Η έλξη μεταξύ των μορίων είναι ασθενής και αυτό καθορίζει την κατάσταση της ουσίας. Στο οξείδιο του πυριτίου, τέσσερα υβριδικά τροχιακά 5p 3 πυριτίου δεν μπορούν να κλείσουν σε δύο άτομα οξυγόνου. Ένα άτομο πυριτίου συνδέεται με τέσσερα άτομα οξυγόνου, καθένα από τα οποία με τη σειρά του συνδέεται με ένα άλλο άτομο πυριτίου. Το αποτέλεσμα είναι μια δομή πλαισίου με την ίδια δύναμη δεσμών μεταξύ όλων των ατόμων (βλ. διάγραμμα, τόμος 1, σελ. 40).

Οι ενώσεις άνθρακα και πυριτίου με τον ίδιο υβριδισμό, για παράδειγμα το μεθάνιο CH 4 και το σιλάνιο SiH 4, είναι παρόμοιες στη δομή και τις φυσικές ιδιότητες. Και οι δύο ουσίες είναι αέρια.

Η ηλεκτραρνητικότητα των στοιχείων IVA μειώνεται σε σύγκριση με στοιχεία της ομάδας VA, και αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό σε στοιχεία της 2ης και 3ης περιόδου. Η μεταλλικότητα των στοιχείων στην ομάδα IVA είναι πιο έντονη από την ομάδα VA. Ο άνθρακας, με τη μορφή γραφίτη, είναι αγωγός. Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι ημιαγωγοί, ενώ ο κασσίτερος και ο μόλυβδος είναι αληθινά μέταλλα.

Στοιχείαάνθρακας C, πυρίτιο Si, γερμάνιο Ge, κασσίτερος Sn και μόλυβδος Pb αποτελούν την ομάδα IVA του Περιοδικού Πίνακα του D.I. Μεντελέεφ. Ο γενικός ηλεκτρονικός τύπος για το επίπεδο σθένους των ατόμων αυτών των στοιχείων είναι n μικρό 2 n Π 2, οι κυρίαρχες καταστάσεις οξείδωσης των στοιχείων στις ενώσεις είναι +2 και +4. Σύμφωνα με την ηλεκτραρνητικότητα τους, τα στοιχεία C και Si ταξινομούνται ως μη μέταλλα και τα Ge, Sn και Pb ταξινομούνται ως αμφοτερικά στοιχεία, οι μεταλλικές ιδιότητες των οποίων αυξάνονται όσο αυξάνεται ο ατομικός αριθμός. Επομένως, στις ενώσεις του κασσίτερου (IV) και του μολύβδου (IV) οι χημικοί δεσμοί είναι ομοιοπολικοί ιοντικοί κρύσταλλοι είναι γνωστοί για τον μόλυβδο (II) και σε μικρότερο βαθμό για τον κασσίτερο (II). Στη σειρά στοιχείων από το C έως το Pb, η σταθερότητα της κατάστασης οξείδωσης +4 μειώνεται και η κατάσταση οξείδωσης +2 αυξάνεται. Οι ενώσεις μολύβδου(IV) είναι ισχυροί οξειδωτικοί παράγοντες, ενώ οι ενώσεις άλλων στοιχείων σε κατάσταση οξείδωσης +2 είναι ισχυροί αναγωγικοί παράγοντες.

Απλές ουσίεςΟ άνθρακας, το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι χημικά αρκετά αδρανή και δεν αντιδρούν με το νερό και τα μη οξειδωτικά οξέα. Ο κασσίτερος και ο μόλυβδος επίσης δεν αντιδρούν με το νερό, αλλά υπό την επίδραση μη οξειδωτικών οξέων μεταφέρονται σε διάλυμα με τη μορφή υδρογονανθράκων κασσίτερου (II) και μολύβδου (II). Τα αλκάλια δεν μεταφέρουν άνθρακα στο διάλυμα, το πυρίτιο είναι δύσκολο να μεταφερθεί και το γερμάνιο αντιδρά με τα αλκάλια μόνο παρουσία οξειδωτικών παραγόντων. Ο κασσίτερος και ο μόλυβδος αντιδρούν με το νερό σε αλκαλικό μέσο, μετατρέποντας σε υδροξοσύμπλοκα κασσίτερου (II) και μολύβδου (II). Η αντιδραστικότητα των απλών ουσιών της ομάδας IVA αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι, όταν θερμαίνονται, αντιδρούν όλα με μέταλλα και αμέταλλα, καθώς και με οξειδωτικά οξέα (HNO 3, H 2 SO 4 (συμπ.) κ.λπ.). Συγκεκριμένα, το πυκνό νιτρικό οξύ, όταν θερμαίνεται, οξειδώνει τον άνθρακα σε CO 2. Το πυρίτιο διαλύεται χημικά σε ένα μείγμα HNO 3 και HF, μετατρέποντας σε υδρογόνο εξαφθοροπυριτικό H 2. Το αραιό νιτρικό οξύ μετατρέπει τον κασσίτερο σε νιτρικό κασσίτερο (II) και το συμπυκνωμένο οξύ τον μετατρέπει σε ενυδατωμένο οξείδιο του κασσιτέρου (IV) SnO 2 n H 2 O, κλήθηκε β -τινικό οξύ. Ο μόλυβδος υπό την επίδραση θερμού νιτρικού οξέος σχηματίζει νιτρικό μόλυβδο(II), ενώ το ψυχρό νιτρικό οξύ παθητικοποιεί την επιφάνεια αυτού του μετάλλου (σχηματίζεται ένα φιλμ οξειδίου).

Ο άνθρακας σε μορφή οπτάνθρακα χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία ως ισχυρός αναγωγικός παράγοντας που σχηματίζει CO και CO 2 στον αέρα. Αυτό καθιστά δυνατή τη λήψη ελεύθερου Sn και Pb από τα οξείδια τους - φυσικό SnO 2 και PbO, που λαμβάνονται με ψήσιμο μεταλλευμάτων που περιέχουν θειούχο μόλυβδο. Το πυρίτιο μπορεί να ληφθεί με τη θερμική μέθοδο μαγνησίου από SiO 2 (με περίσσεια μαγνησίου, σχηματίζεται επίσης πυριτικό Mg 2 Si).

Χημεία άνθρακας- Αυτή είναι κυρίως η χημεία των οργανικών ενώσεων. Τα καρβίδια είναι τυπικά των ανόργανων παραγώγων άνθρακα: όμοια με άλατα (όπως CaC 2 ή Al 4 C 3), ομοιοπολικά (SiC) και παρόμοια με μέταλλα (για παράδειγμα, Fe 3 C και WC). Πολλά καρβίδια που μοιάζουν με άλατα υδρολύονται πλήρως με την απελευθέρωση υδρογονανθράκων (μεθάνιο, ακετυλένιο κ.λπ.).

Ο άνθρακας σχηματίζει δύο οξείδια: CO και CO 2 . Το μονοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται στην πυρομεταλλουργία ως ισχυρός αναγωγικός παράγοντας (μετατρέπει τα οξείδια μετάλλων σε μέταλλα). Το CO χαρακτηρίζεται επίσης από αντιδράσεις προσθήκης με το σχηματισμό συμπλοκών καρβονυλίου, για παράδειγμα. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα οξείδιο που δεν σχηματίζει άλατα. είναι δηλητηριώδες («μονοξείδιο του άνθρακα»). Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα όξινο οξείδιο σε υδατικό διάλυμα που υπάρχει με τη μορφή μονοένυδρου CO 2 · H 2 O και ασθενούς διβασικού ανθρακικού οξέος H 2 CO 3. Τα διαλυτά άλατα ανθρακικού οξέος -ανθρακικά και διττανθρακικά- λόγω υδρόλυσης έχουν pH > 7.

Πυρίτιοσχηματίζει αρκετές ενώσεις υδρογόνου (σιλάνια), οι οποίες είναι πολύ πτητικές και αντιδρούν (αναφλέγονται αυθόρμητα στον αέρα). Για τη λήψη σιλανίων, χρησιμοποιείται η αλληλεπίδραση πυριτιδίων (για παράδειγμα, πυριτικού μαγνησίου Mg 2 Si) με νερό ή οξέα.

Το πυρίτιο στην κατάσταση οξείδωσης +4 είναι μέρος του SiO 2 και είναι πολύ πολυάριθμο και συχνά πολύ πολύπλοκο σε δομή και σύνθεση ιόντα πυριτίου (SiO 4 4–, Si 2 O 7 6–, Si 3 O 9 6–, Si 4 O 11 6 – ; Si 4 O 12 8–, κ.λπ.), το στοιχειώδες τμήμα του οποίου είναι η τετραεδρική ομάδα. Το διοξείδιο του πυριτίου είναι ένα όξινο οξείδιο που αντιδρά με αλκάλια κατά τη σύντηξη (σχηματίζοντας πολυμεταπυριτικά άλατα) και σε διάλυμα (σχηματίζοντας ορθοπυριτικά ιόντα). Από διαλύματα πυριτικών αλκαλικών μετάλλων υπό τη δράση οξέων ή διοξειδίου του άνθρακα, απελευθερώνεται ένα ίζημα ένυδρου διοξειδίου του πυριτίου SiO 2 n H 2 O, σε ισορροπία με την οποία το ασθενές ορθοπυριτικό οξύ H 4 SiO 4 βρίσκεται πάντα σε διάλυμα σε μικρή συγκέντρωση. Τα υδατικά διαλύματα πυριτικών αλκαλικών μετάλλων λόγω υδρόλυσης έχουν pH > 7.

ΚασσίτεροςΚαι οδηγωστην κατάσταση οξείδωσης +2 σχηματίζουν τα οξείδια SnO και PbO. Το οξείδιο του κασσιτέρου (II) είναι θερμικά ασταθές και αποσυντίθεται σε SnO 2 και Sn. Το οξείδιο του μολύβδου (II), αντίθετα, είναι πολύ σταθερό. Σχηματίζεται όταν ο μόλυβδος καίγεται στον αέρα και εμφανίζεται φυσικά. Τα υδροξείδια του κασσιτέρου (II) και του μολύβδου (II) είναι αμφοτερικά.

Η υδροδότηση κασσίτερου (II) παρουσιάζει ισχυρές όξινες ιδιότητες και επομένως είναι σταθερή μόνο στο pH< 1 в среде хлорной или азотной кислот, анионы которых не обладают заметной склонностью входить в состав комплексов олова(II) в качестве лигандов. При разбавлении таких растворов выпадают осадки основных солей различного состава. Галогениды олова(II) – ковалентные соединения, поэтому при растворении в воде, например, SnCl 2 протекает вначале гидратация с образованием , а затем гидролиз до выпадения осадка вещества условного состава SnCl(OH). При наличии избытка хлороводородной кислоты, SnCl 2 находится в растворе в виде комплекса – . Большинство солей свинца(II) (например, иодид, хлорид, сульфат, хромат, карбонат, сульфид) малорастворимы в воде.

Τα οξείδια του κασσιτέρου (IV) και του μολύβδου (IV) είναι αμφοτερικά με κυρίαρχες όξινες ιδιότητες. Αντιστοιχούν σε πολυένυδρες ενώσεις EO 2 · n H 2 O, που διέρχεται σε διάλυμα με τη μορφή υδροξοσυμπλοκών υπό την επίδραση περίσσειας αλκαλίων. Το οξείδιο του κασσιτέρου (IV) σχηματίζεται από την καύση του κασσιτέρου στον αέρα και το οξείδιο του μολύβδου (IV) μπορεί να ληφθεί μόνο με τη δράση ισχυρών οξειδωτικών παραγόντων (για παράδειγμα, υποχλωριώδους ασβεστίου) σε ενώσεις μολύβδου (II).

Ο ομοιοπολικός χλωριούχος κασσίτερος (IV) υδρολύεται πλήρως από το νερό, απελευθερώνοντας SnO 2 και ο χλωριούχος μόλυβδος (IV) αποσυντίθεται υπό την επίδραση του νερού, απελευθερώνοντας χλώριο και ανάγεται σε χλωριούχο μόλυβδο (II).

Οι ενώσεις κασσίτερου (II) παρουσιάζουν αναγωγικές ιδιότητες, ιδιαίτερα ισχυρές σε αλκαλικό περιβάλλον, και οι ενώσεις μολύβδου (IV) παρουσιάζουν οξειδωτικές ιδιότητες, ιδιαίτερα ισχυρές σε όξινο περιβάλλον. Μια κοινή ένωση μολύβδου είναι το διπλό οξείδιο της (Pb 2 II Pb IV) O 4. Αυτή η ένωση αποσυντίθεται υπό τη δράση του νιτρικού οξέος και ο μόλυβδος (II) διοχετεύεται σε διάλυμα με τη μορφή κατιόντος και το οξείδιο του μολύβδου (IV) κατακρημνίζεται. Ο μόλυβδος (IV) που υπάρχει στο διπλό οξείδιο καθορίζει τις ισχυρές οξειδωτικές ιδιότητες αυτής της ένωσης.

Λόγω της αμφοτερικής φύσης αυτών των στοιχείων, τα σουλφίδια του γερμανίου (IV) και του κασσιτέρου (IV) σχηματίζουν διαλυτά θειοάλατα, για παράδειγμα, Na 2 GeS 3 ή Na 2 SnS 3 , όταν προστίθεται περίσσεια θειούχου νατρίου. Το ίδιο θειοάλας κασσίτερου (IV) μπορεί να ληφθεί από το σουλφίδιο του κασσιτέρου (II) SnS με την οξείδωσή του με πολυθειούχο νάτριο. Τα θειοάλατα καταστρέφονται υπό τη δράση ισχυρών οξέων, απελευθερώνοντας αέριο H 2 S και ένα ίζημα GeS 2 ή SnS 2. Το θειούχο μόλυβδο (II) δεν αντιδρά με πολυσουλφίδια και το θειούχο μόλυβδο (IV) είναι άγνωστο.

Η ομάδα IVA περιέχει τα πιο σημαντικά στοιχεία, χωρίς τα οποία δεν θα υπήρχε ούτε εμείς ούτε η Γη στην οποία ζούμε. Αυτός ο άνθρακας είναι η βάση όλης της οργανικής ζωής και το πυρίτιο είναι ο «μονάρχης» του ορυκτού βασιλείου.

Εάν ο άνθρακας και το πυρίτιο είναι τυπικά αμέταλλα και ο κασσίτερος και ο μόλυβδος είναι μέταλλα, τότε το γερμάνιο καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση. Μερικά σχολικά βιβλία το κατατάσσουν ως μη μέταλλο, ενώ άλλα ως μέταλλο. Έχει ασημί-λευκό χρώμα και έχει μεταλλική εμφάνιση, αλλά έχει κρυσταλλικό πλέγμα σαν διαμάντι και είναι ημιαγωγός σαν το πυρίτιο.

Από τον άνθρακα στον μόλυβδο (με φθίνουσες μη μεταλλικές ιδιότητες):

w η σταθερότητα της αρνητικής κατάστασης οξείδωσης μειώνεται (-4)

w η σταθερότητα της υψηλότερης θετικής κατάστασης οξείδωσης μειώνεται (+4)

w η σταθερότητα της χαμηλής θετικής κατάστασης οξείδωσης αυξάνεται (+2)

Ο άνθρακας είναι το κύριο συστατικό όλων των οργανισμών. Στη φύση, υπάρχουν τόσο απλές ουσίες που σχηματίζονται από άνθρακα (διαμάντι, γραφίτης) όσο και ενώσεις (διοξείδιο του άνθρακα, διάφορα ανθρακικά άλατα, μεθάνιο και άλλοι υδρογονάνθρακες στο φυσικό αέριο και το πετρέλαιο). Το κλάσμα μάζας του άνθρακα στους λιθάνθρακες φτάνει το 97%.
Ένα άτομο άνθρακα στη θεμελιώδη κατάσταση μπορεί να σχηματίσει δύο ομοιοπολικούς δεσμούς μέσω ενός μηχανισμού ανταλλαγής, αλλά υπό κανονικές συνθήκες τέτοιες ενώσεις δεν σχηματίζονται. Όταν ένα άτομο άνθρακα εισέρχεται σε διεγερμένη κατάσταση, χρησιμοποιεί και τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους.
Ο άνθρακας σχηματίζει πολλές αλλοτροπικές τροποποιήσεις (βλ. Εικ. 16.2). Αυτά είναι το διαμάντι, ο γραφίτης, η καραμπίνα και διάφορα φουλερένια.

Στις ανόργανες ουσίες, η κατάσταση οξείδωσης του άνθρακα είναι +II και +IV. Με αυτές τις καταστάσεις οξείδωσης του άνθρακα, υπάρχουν δύο οξείδια.
Το μονοξείδιο του άνθρακα (II) είναι ένα άχρωμο, άοσμο, δηλητηριώδες αέριο. Το ασήμαντο όνομα είναι μονοξείδιο του άνθρακα. Σχηματίζεται κατά την ατελή καύση καυσίμου που περιέχει άνθρακα. Για την ηλεκτρονική δομή του μορίου του, βλέπε σελίδα 121. Σύμφωνα με τις χημικές ιδιότητες, το CO είναι ένα οξείδιο που δεν σχηματίζει άλατα όταν θερμαίνεται, εμφανίζει αναγωγικές ιδιότητες (ανάγει πολλά οξείδια όχι πολύ ενεργών μετάλλων σε μέταλλο).
Το μονοξείδιο του άνθρακα (IV) είναι ένα άχρωμο, άοσμο αέριο. Το ασήμαντο όνομα είναι διοξείδιο του άνθρακα. Όξινο οξείδιο. Είναι ελαφρώς διαλυτό στο νερό (φυσικά), αντιδρά μερικώς με αυτό, σχηματίζοντας ανθρακικό οξύ H2CO3 (μόρια αυτής της ουσίας υπάρχουν μόνο σε πολύ αραιά υδατικά διαλύματα).
Το ανθρακικό οξύ είναι ένα πολύ ασθενές, διβασικό οξύ που σχηματίζει δύο σειρές αλάτων (ανθρακικά και διττανθρακικά). Τα περισσότερα ανθρακικά είναι αδιάλυτα στο νερό. Από τα υδρογονανθρακικά, μόνο υδρογονανθρακικά αλκαλιμέταλλα και αμμώνιο υπάρχουν ως μεμονωμένες ουσίες. Τόσο το ανθρακικό όσο και το διττανθρακικό ιόν είναι σωματίδια βάσης, επομένως τόσο τα ανθρακικά όσο και τα διττανθρακικά σε υδατικά διαλύματα υφίστανται υδρόλυση στο ανιόν.
Από τα ανθρακικά, τα πιο σημαντικά είναι το ανθρακικό νάτριο Na2CO3 (σόδα, ανθρακικό νάτριο, σόδα πλυσίματος), το διττανθρακικό νάτριο NaHCO3 (μαγειρική σόδα, μαγειρική σόδα), το ανθρακικό κάλιο K2CO3 (ποτάσα) και το ανθρακικό ασβέστιο CaCO3 (κιμωλία, μάρμαρο, ασβεστόλιθος).
Ποιοτική αντίδραση στην παρουσία διοξειδίου του άνθρακα σε ένα μείγμα αερίων: σχηματισμός ιζήματος ανθρακικού ασβεστίου κατά τη διέλευση του αέριου δοκιμής μέσω ασβεστόνερου (κορεσμένο διάλυμα υδροξειδίου του ασβεστίου) και η επακόλουθη διάλυση του ιζήματος κατά την περαιτέρω διέλευση του αερίου. Αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα:

Ca2 + 2OH +CO2 = CaCO3 + H2O;
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca2 +2HCO3.

Στη φαρμακολογία και την ιατρική, χρησιμοποιούνται ευρέως διάφορες ενώσεις άνθρακα - παράγωγα ανθρακικού οξέος και καρβοξυλικών οξέων, διάφοροι ετερόκυκλοι, πολυμερή και άλλες ενώσεις. Έτσι, το καρβολένιο (ενεργός άνθρακας) χρησιμοποιείται για την απορρόφηση και την απομάκρυνση διαφόρων τοξινών από το σώμα. γραφίτης (με τη μορφή αλοιφών) - για τη θεραπεία δερματικών παθήσεων. ισότοπα ραδιενεργού άνθρακα - για επιστημονική έρευνα (χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα).

Ο άνθρακας είναι η βάση όλων των οργανικών ουσιών. Κάθε ζωντανός οργανισμός αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από άνθρακα. Ο άνθρακας είναι η βάση της ζωής. Η πηγή άνθρακα για τους ζωντανούς οργανισμούς είναι συνήθως CO 2 από την ατμόσφαιρα ή το νερό. Μέσω της φωτοσύνθεσης, εισέρχεται σε βιολογικές τροφικές αλυσίδες στις οποίες τα έμβια όντα τρώνε το ένα το άλλο ή τα υπολείμματα του άλλου και έτσι αποκτούν άνθρακα για να χτίσουν το σώμα τους. Ο βιολογικός κύκλος του άνθρακα τελειώνει είτε με οξείδωση και επιστροφή στην ατμόσφαιρα, είτε με ταφή με τη μορφή άνθρακα ή πετρελαίου.

Αναλυτικές αντιδράσεις ανθρακικού ιόντος CO 3 2-

Τα ανθρακικά είναι άλατα του ασταθούς, πολύ ασθενούς ανθρακικού οξέος H 2 CO 3, το οποίο σε ελεύθερη κατάσταση σε υδατικά διαλύματα είναι ασταθές και αποσυντίθεται με την απελευθέρωση CO 2: H 2 CO 3 - CO 2 + H 2 O

Τα ανθρακικά αμμώνιο, νάτριο, ρουβίδιο και καίσιο είναι διαλυτά στο νερό. Το ανθρακικό λίθιο είναι ελαφρώς διαλυτό στο νερό. Τα ανθρακικά άλατα άλλων μετάλλων είναι ελαφρώς διαλυτά στο νερό. Οι υδρογονάνθρακες διαλύονται στο νερό. Τα ανθρακικά ιόντα σε υδατικά διαλύματα είναι άχρωμα και υφίστανται υδρόλυση. Τα υδατικά διαλύματα διττανθρακικών αλκαλικών μετάλλων δεν χρωματίζονται όταν προστίθεται σε αυτά μια σταγόνα διαλύματος φαινολοφθαλεΐνης, γεγονός που καθιστά δυνατή τη διάκριση διαλυμάτων ανθρακικών από διαλύματα διττανθρακικών (δοκιμή φαρμακοποιίας).

1.Αντίδραση με χλωριούχο βάριο.

Ba 2+ + CO3 2 - -> BaCO 3 (λευκό λεπτό-κρυσταλλικό)

Παρόμοια ανθρακικά ιζήματα παράγονται από κατιόντα ασβεστίου (CaCO 3) και στροντίου (SrCO 3). Το ίζημα διαλύεται σε ανόργανα οξέα και οξικό οξύ. Σε διάλυμα H 2 SO 4, σχηματίζεται ένα λευκό ίζημα BaSO 4.

Ένα διάλυμα HC1 προστίθεται αργά στο ίζημα, σταγόνα-σταγόνα, μέχρι να διαλυθεί πλήρως το ίζημα: BaCO3 + 2 HC1 -> BaCl 2 + CO 2 + H 2 O

2. Αντίδραση με θειικό μαγνήσιο (φαρμακοποιία).

Mg 2+ + COZ 2 - ->MgCO 3 (λευκό)

Υδροανθρακικό - ιόν HCO 3 - σχηματίζει ένα ίζημα MgCO 3 με θειικό μαγνήσιο μόνο όταν βράζει: Mg 2+ + 2 HCO3- -> MgCO 3 + CO 2 + H 2 O

Το ίζημα MgCO 3 διαλύεται σε οξέα.

3. Αντίδραση με ανόργανα οξέα (φαρμακοποιία).

CO 3 2- + 2 H 3 O = H 2 CO 3 + 2H 2 O

HCO 3 - + H 3 O + = H 2 CO 3 + 2H 2 O

H 2 CO 3 -- CO 2 + H 2 O

Το εκλυόμενο αέριο CO 2 ανιχνεύεται από τη θολότητα βαρύτονου ή ασβεστόνερου σε μια συσκευή ανίχνευσης αερίων, φυσαλίδων αερίου (CO 2) και στον δοκιμαστικό σωλήνα δέκτη - θολότητα του διαλύματος.

4. Αντίδραση με εξακυανοφερρικό ουρανύλιο (II).

2CO 3 2 - + (UO 2) 2 (καφέ) -> 2 UO 2 CO 3 (άχρωμο) + 4 -

Ένα καφέ διάλυμα εξακυανοφερρικού ουρανυλίου (II) παρασκευάζεται με ανάμειξη ενός διαλύματος οξικού ουρανυλεστέρα (CH 3 COO) 2 UO 2 με ένα διάλυμα εξακυανοφερρικού καλίου (II):

2(CH 3 SOO) 2 GO 2 + K 4 -> (UO 2) 2 + 4 CH 3 SOOK

Ένα διάλυμα Na 2 CO 3 ή K 2 CO 3 προστίθεται στάγδην στο προκύπτον διάλυμα με ανάδευση μέχρι να εξαφανιστεί το καφέ χρώμα.

5. Ξεχωριστή ανακάλυψη ανθρακικών και διττανθρακικών ιόντων με αντιδράσεις με κατιόντα ασβεστίου και αμμωνία.

Εάν στο διάλυμα υπάρχουν ταυτόχρονα ανθρακικά ιόντα και διττανθρακικά ιόντα, τότε το καθένα από αυτά μπορεί να ανοιχτεί χωριστά.

Για να γίνει αυτό, προσθέστε πρώτα μια περίσσεια διαλύματος CaCl 2 στο αναλυόμενο διάλυμα. Σε αυτή την περίπτωση, το CO3 2 κατακρημνίζεται με τη μορφή CaCO 3:

CO3 2 - + Ca 2+ = CaCO 3

Τα διττανθρακικά ιόντα παραμένουν στο διάλυμα, αφού διαλύματα Ca(HCO 3) 2 στο νερό. Το ίζημα διαχωρίζεται από το διάλυμα και στο τελευταίο προστίθεται διάλυμα αμμωνίας. HCO 2 - ανιόντα με αμμωνία και κατιόντα ασβεστίου δίνουν πάλι ένα ίζημα CaCO 3: HCO 3 - + Ca 2 + + NH 3 -> CaCO3 + NH 4 +

6. Άλλες αντιδράσεις ανθρακικού ιόντος.

Τα ανθρακικά ιόντα, όταν αντιδρούν με το χλωριούχο σίδηρο (III) FeCl 3, σχηματίζουν ένα καφέ ίζημα Fe(OH)CO 3, με νιτρικό άργυρο - ένα λευκό ίζημα ανθρακικού αργύρου Ag 2 CO3, διαλυτό σε HbTO3 και αποσυντίθεται όταν βράζει σε νερό σε σκούρο ίζημα Ag 2 O ISO 2: Ag 2 CO 3 -> Ag 2 O + CO 2

Αναλυτικές αντιδράσεις οξικού ιόντος CH 3 COO"

Οξικό - ιόν CH 3 COO- - ανιόν ασθενούς μονοβασικού οξικού οξέος CH 3 COOH: άχρωμο σε υδατικά διαλύματα, υφίσταται υδρόλυση, δεν έχει οξειδοαναγωγικές ιδιότητες. Είναι ένα αρκετά αποτελεσματικό πρόσδεμα και σχηματίζει σταθερά οξικά σύμπλοκα με κατιόντα πολλών μετάλλων. Όταν αντιδρά με αλκοόλες σε όξινο περιβάλλον, παράγει εστέρες.

Τα οξικά άλατα του αμμωνίου, των αλκαλίων και των περισσότερων άλλων μετάλλων είναι πολύ διαλυτά στο νερό. Τα οξικά άλατα του αργύρου CH 3 COOAg και ο υδράργυρος (Ι) είναι λιγότερο διαλυτά στο νερό από τα οξικά άλατα άλλων μετάλλων.

1. Αντίδραση με χλωριούχο σίδηρο (III) (φαρμακοποιία).

Σε pH = 5-8, το οξικό ιόν με κατιόντα Fe(III) σχηματίζει διαλυτό σκούρο κόκκινο (το χρώμα του δυνατού τσαγιού) οξικό ή οξυοξικό σίδηρο (III).

Σε υδατικό διάλυμα υδρολύεται μερικώς. η οξίνιση του διαλύματος με ανόργανα οξέα καταστέλλει την υδρόλυση και οδηγεί στην εξαφάνιση του κόκκινου χρώματος του διαλύματος.

3 CH3COOH + Fe --> (CH 3 COO) 3 Fe + 3 H +

Κατά τον βρασμό, ένα κόκκινο-καφέ ίζημα βασικού οξικού σιδήρου (III) καθιζάνει από το διάλυμα:

(CH 3 COO) 3 Fe + 2 H 2 O<- Fe(OH) 2 CH 3 COO + 2 СН 3 СООН

Ανάλογα με την αναλογία των συγκεντρώσεων ιόντων σιδήρου (III) και οξικών ιόντων, η σύνθεση του ιζήματος μπορεί να αλλάξει και να αντιστοιχεί, για παράδειγμα, στους τύπους: Fe OH (CH 3 COO) 2, Fe 3 (OH) 2 O 3 (CH 3 COO), Fe 3 O (OH) (CH 3 COO) 6 ή Fe 3 (OH) 2 (CH 3 COO) 7.

Η αντίδραση παρεμποδίζεται από τα ανιόντα CO 3 2 -, SO 3 "-, PO 4 3 -, 4, τα οποία σχηματίζουν καθίζηση με σίδηρο (III), καθώς και τα ανιόντα SCN- (δίνοντας κόκκινα σύμπλοκα με κατιόντα Fe 3+) , ιωδιούχο - ιόν G, οξειδώνεται σε ιώδιο 1 2, δίνοντας στο διάλυμα κίτρινο χρώμα.

2. Αντίδραση με θειικό οξύ.

Το οξικό ιόν σε έντονα όξινο περιβάλλον μετατρέπεται σε ασθενές οξικό οξύ, οι ατμοί του οποίου έχουν μια χαρακτηριστική οσμή ξιδιού:

CH 3 COO- + H +<- СН 3 СООН

Η αντίδραση παρεμποδίζεται από τα ανιόντα NO 2 \ S 2 -, SO 3 2 -, S 2 O 3 2 -, τα οποία απελευθερώνουν επίσης αέρια προϊόντα με χαρακτηριστική οσμή σε πυκνό περιβάλλον H2SO4.

3. Αντίδραση σχηματισμού οξικού αιθυλαιθέρα (φαρμακοποιία).

Η αντίδραση διεξάγεται σε περιβάλλον θειικού οξέος. Με αιθανόλη:

CH 3 COO- + H + -- CH 3 COOH CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 4 + H 2 O

Ο απελευθερωμένος οξικός αιθυλεστέρας ανιχνεύεται από τη χαρακτηριστική ευχάριστη οσμή του. Τα άλατα αργύρου καταλύουν αυτήν την αντίδραση, επομένως συνιστάται η προσθήκη μικρής ποσότητας AgNO 3 κατά τη διεξαγωγή αυτής της αντίδρασης.

Ομοίως, κατά την αντίδραση με την αμυλική αλκοόλη C 5 HcOH, σχηματίζεται επίσης οξικός αμυλεστέρας CH 3 SOOC 5 Ni (-αχλάδι-), ο οποίος έχει ευχάριστη οσμή Αισθάνεται η χαρακτηριστική οσμή του οξικού αιθυλεστέρα, η οποία εντείνεται όταν το μείγμα θερμαίνεται ήπια. .

Αναλυτικές αντιδράσεις τρυγικού - ιόντος POC - CH(OH) - CH(OH) - CONST. Το τρυγικό ιόν είναι ένα ανιόν ασθενούς διβασικού τρυγικού οξέος:

HO-CH-COOH

HO -CH-COOH

Το τρυγικό ιόν είναι πολύ διαλυτό στο νερό. Σε υδατικά διαλύματα, τα τρυγικά ιόντα είναι άχρωμα, υφίστανται υδρόλυση και είναι επιρρεπή σε σχηματισμό συμπλόκου, δίνοντας σταθερά τρυγικά σύμπλοκα με κατιόντα πολλών μετάλλων. Το τρυγικό οξύ σχηματίζει δύο σειρές αλάτων - μεσαία τρυγικά που περιέχουν ένα διπλά φορτισμένο τρυγικό - το ιόν COCH(OH)CH(OH)COO- και τρυγικά οξέα - υδροτρυγικά που περιέχουν ένα μονοφορτισμένο τρυγικό υδρογόνο - το HOOOCH(OH)CH(OH) COO - ιόν. Το όξινο τρυγικό κάλιο (-τρυγικό-) KNS 4 H 4 O 6 είναι πρακτικά αδιάλυτο στο νερό, το οποίο χρησιμοποιείται για το άνοιγμα κατιόντων καλίου. Το μέσο άλας ασβεστίου είναι επίσης ελαφρώς διαλυτό στο νερό. Το μέσο άλας καλίου K 2 C 4 H 4 O 6 είναι πολύ διαλυτό στο νερό.

I. Αντίδραση με χλωριούχο κάλιο (φαρμακοποιία).

C 4 H 4 O 6 2 - + K + + N + -> KNS 4 H 4 O 6 1 (λευκό)

2. Αντίδραση με ρεσορκινόλη σε όξινο περιβάλλον (φαρμακοποιία).

Τα τρυγικά άλατα, όταν θερμαίνονται με ρεσορκινόλη meta - C 6 H 4 (OH) 2 σε πυκνό θειικό οξύ, σχηματίζουν προϊόντα αντίδρασης κόκκινου κερασιού.

14) Αντιδράσεις με σύμπλοκο αμμωνίας αργύρου. Ένα μαύρο ίζημα από μεταλλικό ασήμι πέφτει έξω.

15) Αντίδραση με θειικό σίδηρο (II) και υπεροξείδιο του υδρογόνου.

Προσθήκη αραιού υδατικού διαλύματος FeSO 4 και H 2 O 2 σε διάλυμα που περιέχει τρυγικά. οδηγεί στο σχηματισμό ενός ασταθούς συμπλέγματος σιδήρου με ζαρωμένο χρώμα. Η επακόλουθη επεξεργασία με διάλυμα αλκαλίου NaOH οδηγεί στο μπλε χρώμα του συμπλέγματος.

Αναλυτικές αντιδράσεις οξαλικού ιόντος C 2 O 4 2-

Το οξαλικό ιόν C 2 O 4 2- είναι ένα ανιόν διβασικού οξαλικού οξέος H 2 C 2 O 4 μέτριας ισχύος, σχετικά καλά διαλυτό στο νερό. Το οξαλικό ιόν σε υδατικά διαλύματα είναι άχρωμο, μερικώς υδρολυμένο, ισχυρός αναγωγικός παράγοντας, αποτελεσματικός συνδέτης - σχηματίζει σταθερά οξαλικά σύμπλοκα με κατιόντα πολλών μετάλλων. Τα οξαλικά των αλκαλικών μετάλλων, του μαγνησίου και του αμμωνίου είναι διαλυτά στο νερό, ενώ άλλα μέταλλα είναι ελαφρώς διαλυτά στο νερό.

1Αντίδραση με χλωριούχο βάριο Ba 2+ + C 2 O 4 2- = BaC 2 O 4 (λευκό) Το ίζημα διαλύεται σε ανόργανα οξέα και σε οξικό οξύ (στο βρασμό). 2. Αντίδραση με χλωριούχο ασβέστιο (φαρμακοποιία): Ca 2+ + C 2 O 4 2 - = CaC 2 O 4 (λευκό)

Το ίζημα είναι διαλυτό σε ανόργανα οξέα, αλλά αδιάλυτο σε οξικό οξύ.

3. Αντίδραση με νιτρικό άργυρο.

2 Ag + + C 2 O 4 2 - -> Ag2C2O 4 .|.(πηγμένο) Δοκιμή διαλυτότητας. Το ίζημα χωρίζεται σε 3 μέρη:

ΕΝΑ). Ένα διάλυμα ΗΝΟ 3 προστίθεται στάγδην στον πρώτο δοκιμαστικό σωλήνα με το ίζημα, με ανάδευση, μέχρι να διαλυθεί το ίζημα.

σι). Προσθέστε ένα πυκνό διάλυμα αμμωνίας σταγόνα-σταγόνα με ανάδευση στον δεύτερο δοκιμαστικό σωλήνα με το ίζημα μέχρι να διαλυθεί το ίζημα. V). Προσθέστε 4-5 σταγόνες διαλύματος HC1 στον τρίτο δοκιμαστικό σωλήνα με το ίζημα. Ένα λευκό ίζημα χλωριούχου αργύρου παραμένει στον δοκιμαστικό σωλήνα:

Ag 2 C 2 O 4 + 2 HC1 -> 2 AC1 (λευκό) + H 2 C 2 O 4

4.Αντίδραση με υπερμαγγανικό κάλιο. Τα οξαλικά ιόντα με KMnO 4 σε όξινο περιβάλλον οξειδώνονται με την απελευθέρωση CO 2. το διάλυμα KMpO 4 αποχρωματίζεται λόγω της αναγωγής του μαγγανίου (VII) σε μαγγάνιο (II):

5 C 2 O 4 2 - + 2 MnO 4 " + 16 H + -> 10 CO 2 + 2 Mn 2+ + 8 H 2 O

Αραιό διάλυμα KMnO 4. Το τελευταίο αποχρωματίζεται. παρατηρείται η απελευθέρωση φυσαλίδων αερίου - CO 2 -.

38 Στοιχεία ομάδας VA

Γενικά χαρακτηριστικά της ομάδας VA του Περιοδικού Πίνακα.με τη μορφή s x p y η ηλεκτρονική διαμόρφωση του εξωτερικού ενεργειακού επιπέδου στοιχείων της ομάδας VA.

Το αρσενικό και το αντιμόνιο έχουν διαφορετικές αλλοτροπικές τροποποιήσεις: τόσο με μοριακό όσο και με μεταλλικό κρυσταλλικό πλέγμα. Ωστόσο, με βάση τη σύγκριση της σταθερότητας των κατιονικών μορφών (As 3+, Sb 3+), το αρσενικό ταξινομείται ως μη μέταλλο και το αντιμόνιο ταξινομείται ως μέταλλο.

καταστάσεις οξείδωσης σταθερές για στοιχεία της ομάδας VA

Από το άζωτο στο βισμούθιο (με μείωση των μη μεταλλικών ιδιοτήτων):

w η σταθερότητα της αρνητικής κατάστασης οξείδωσης (-3) μειώνεται (μ. ιδιότητες των ενώσεων υδρογόνου)

w η σταθερότητα της υψηλότερης θετικής κατάστασης οξείδωσης μειώνεται (+5)

w η σταθερότητα της χαμηλής θετικής κατάστασης οξείδωσης αυξάνεται (+3)

Λέξεις κλειδιά της περίληψης: άνθρακας, πυρίτιο, στοιχεία της ομάδας IVA, ιδιότητες στοιχείων, διαμάντι, γραφίτης, καραμπίνα, φουλερένιο.

Τα στοιχεία της ομάδας IV είναι άνθρακα, πυρίτιο, γερμάνιο, κασσίτερο και μόλυβδο. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στις ιδιότητες του άνθρακα και του πυριτίου. Ο πίνακας δείχνει τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά αυτών των στοιχείων.

Σχεδόν σε όλες τις ενώσεις τους, άνθρακα και πυρίτιο τετρασθενής , τα άτομά τους βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση. Η διαμόρφωση του στρώματος σθένους ενός ατόμου άνθρακα αλλάζει όταν το άτομο διεγείρεται:

Η διαμόρφωση του στρώματος σθένους του ατόμου πυριτίου αλλάζει παρόμοια:

Το εξωτερικό επίπεδο ενέργειας των ατόμων άνθρακα και πυριτίου περιέχει 4 ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Η ακτίνα του ατόμου του πυριτίου είναι μεγαλύτερη, υπάρχουν κενές κηλίδες στο στρώμα σθένους. 3 ρε-τροχιακά, αυτό προκαλεί διαφορές στη φύση των δεσμών που σχηματίζουν άτομα πυριτίου.

Οι καταστάσεις οξείδωσης του άνθρακα ποικίλλουν στην περιοχή από –4 έως +4.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του άνθρακα είναι η ικανότητά του να σχηματίζει αλυσίδες: τα άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν σταθερές ενώσεις. Παρόμοιες ενώσεις πυριτίου είναι ασταθείς. Η ικανότητα του άνθρακα να σχηματίζει αλυσίδες καθορίζει την ύπαρξη ενός τεράστιου αριθμού ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ .

ΠΡΟΣ ΤΗΝ ανόργανες ενώσεις άνθρακας περιλαμβάνει τα οξείδια του, το ανθρακικό οξύ, τα ανθρακικά και τα διττανθρακικά, τα καρβίδια. Οι υπόλοιπες ενώσεις άνθρακα είναι οργανικές.

Το στοιχείο άνθρακα χαρακτηρίζεται από αλλοτροπία, οι αλλοτροπικές τροποποιήσεις του είναι διαμάντι, γραφίτης, καρβίνη, φουλερένιο. Άλλες αλλοτροπικές τροποποιήσεις του άνθρακα είναι τώρα γνωστές.

ΚάρβουνοΚαι αιθάλημπορεί να θεωρηθεί ως άμορφοςποικιλίες γραφίτη.

Το πυρίτιο σχηματίζει μια απλή ουσία - κρυσταλλικό πυρίτιο. Υπάρχει άμορφο πυρίτιο - μια λευκή σκόνη (χωρίς ακαθαρσίες).

Οι ιδιότητες του διαμαντιού, του γραφίτη και του κρυσταλλικού πυριτίου δίνονται στον πίνακα.

Ο λόγος για τις προφανείς διαφορές στις φυσικές ιδιότητες του γραφίτη και του διαμαντιού οφείλεται σε διαφορετικές δομή του κρυσταλλικού πλέγματος . Σε έναν κρύσταλλο διαμαντιού, κάθε άτομο άνθρακα (εκτός από αυτά που βρίσκονται στην επιφάνεια του κρυστάλλου) σχηματίζεται τέσσεραίσους ισχυρούς δεσμούς με γειτονικά άτομα άνθρακα. Αυτοί οι δεσμοί κατευθύνονται προς τις κορυφές του τετραέδρου (όπως στο μόριο CH 4). Έτσι, σε έναν κρύσταλλο διαμαντιού, κάθε άτομο άνθρακα περιβάλλεται από τέσσερα ίδια άτομα, που βρίσκονται στις κορυφές του τετραέδρου. Η συμμετρία και η αντοχή των δεσμών C–C σε έναν κρύσταλλο διαμαντιού καθορίζουν την εξαιρετική αντοχή και την έλλειψη ηλεκτρονικής αγωγιμότητας.

ΣΕ κρύσταλλο γραφίτη Κάθε άτομο άνθρακα σχηματίζει τρεις ισχυρούς, ισοδύναμους δεσμούς με γειτονικά άτομα άνθρακα στο ίδιο επίπεδο υπό γωνία 120°. Σε αυτό το επίπεδο, σχηματίζεται ένα στρώμα που αποτελείται από επίπεδους εξαμελείς δακτυλίους.

Επιπλέον, κάθε άτομο άνθρακα έχει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Αυτά τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα κοινό σύστημα ηλεκτρονίων. Η σύνδεση μεταξύ των στρωμάτων οφείλεται σε σχετικά ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις. Τα στρώματα είναι τοποθετημένα μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ώστε το άτομο άνθρακα του ενός στρώματος να βρίσκεται πάνω από το κέντρο του εξαγώνου του άλλου στρώματος. Το μήκος του δεσμού C–C μέσα στο στρώμα είναι 0,142 nm, η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων είναι 0,335 nm. Ως αποτέλεσμα, οι δεσμοί μεταξύ των στρωμάτων είναι πολύ πιο αδύναμοι από τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων μέσα στο στρώμα. Αυτό καθορίζει ιδιότητες του γραφίτη: Είναι μαλακό, ξεφλουδίζει εύκολα, έχει γκρι χρώμα και μεταλλική λάμψη, είναι ηλεκτρικά αγώγιμο και είναι πιο χημικά αντιδραστικό από το διαμάντι. Μοντέλα κρυσταλλικών δικτυωμάτων από διαμάντι και γραφίτη φαίνονται στο σχήμα.

Είναι δυνατόν να μετατραπεί ο γραφίτης σε διαμάντι; Αυτή η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό σκληρές συνθήκες - σε πίεση περίπου 5000 MPa και σε θερμοκρασίες από 1500 °C έως 3000 °C για αρκετές ώρες παρουσία καταλυτών (Ni). Ο κύριος όγκος των προϊόντων είναι μικροί κρύσταλλοι (από 1 έως αρκετά mm) και σκόνη διαμαντιού.

Carbin– αλλοτροπική τροποποίηση του άνθρακα, στην οποία τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν γραμμικές αλυσίδες του τύπου:

–С≡–С≡іС≡і(α-καρβίνη, πολυύνη) ή =C=C=C=C=C=C=(β-καρβίνη, πολυένιο)

Η απόσταση μεταξύ αυτών των αλυσίδων είναι μικρότερη από ό,τι μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη λόγω ισχυρότερων διαμοριακών αλληλεπιδράσεων.

Το Carbyne είναι μια μαύρη σκόνη και είναι ημιαγωγός. Χημικά είναι πιο δραστικό από τον γραφίτη.

Φουλερένιο– αλλοτροπική τροποποίηση του άνθρακα που σχηματίζεται από τα μόρια C60, C70 ή C84. Στη σφαιρική επιφάνεια του μορίου C60, τα άτομα άνθρακα βρίσκονται στις κορυφές 20 κανονικών εξαγώνων και 12 κανονικών πενταγώνων. Όλα τα φουλλερένια είναι κλειστές δομές ατόμων άνθρακα. Οι κρύσταλλοι φουλερενίου είναι ουσίες με μοριακή δομή.

Πυρίτιο.Υπάρχει μόνο μία σταθερή αλλοτροπική τροποποίηση του πυριτίου, το κρυσταλλικό πλέγμα του οποίου είναι παρόμοιο με αυτό του διαμαντιού. Το πυρίτιο είναι σκληρό, πυρίμαχο ( t° pl = 1412 °C), μια πολύ εύθραυστη ουσία σκούρου γκρι χρώματος με μεταλλική γυαλάδα, υπό τυπικές συνθήκες είναι ημιαγωγός.

Ομάδα IVA χημικών στοιχείων του περιοδικού πίνακα D.I. Ο Mendeleev περιλαμβάνει αμέταλλα (άνθρακα και πυρίτιο), καθώς και μέταλλα (γερμάνιο, κασσίτερος, μόλυβδος). Τα άτομα αυτών των στοιχείων περιέχουν τέσσερα ηλεκτρόνια (ns 2 np 2) στο εξωτερικό επίπεδο ενέργειας, δύο από τα οποία είναι ασύζευκτα. Επομένως, τα άτομα αυτών των στοιχείων στις ενώσεις μπορούν να παρουσιάζουν σθένος II. Τα άτομα των στοιχείων της ομάδας IVA μπορούν να περάσουν σε διεγερμένη κατάσταση και να αυξήσουν τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων σε 4 και, κατά συνέπεια, στις ενώσεις εμφανίζουν υψηλότερο σθένος ίσο με τον αριθμό της ομάδας IV. Ο άνθρακας στις ενώσεις εμφανίζει καταστάσεις οξείδωσης από –4 έως +4, για τις υπόλοιπες οι καταστάσεις οξείδωσης σταθεροποιούνται: –4, 0, +2, +4.

Σε ένα άτομο άνθρακα, σε αντίθεση με όλα τα άλλα στοιχεία, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι ίσος με τον αριθμό των τροχιακών σθένους. Αυτός είναι ένας από τους κύριους λόγους για τη σταθερότητα του δεσμού C–C και την εξαιρετική τάση του άνθρακα να σχηματίζει ομοαλυσίδες, καθώς και την ύπαρξη μεγάλου αριθμού ενώσεων άνθρακα.

Η δευτερογενής περιοδικότητα εκδηλώνεται σε αλλαγές στις ιδιότητες των ατόμων και των ενώσεων στη σειρά C–Si–Ge–Sn–Pb (Πίνακας 5).

Πίνακας 5 - Χαρακτηριστικά ατόμων στοιχείων της ομάδας IV

	6 Γ	1 4 Si	3 2 Γε	50 Sn	82 Pb
Ατομική μάζα	12,01115	28,086	72,59	118,69	207,19
ηλεκτρόνια σθένους	2s 2 2p 2	3s 2 3p 2	4s 2 4p 2	5s 2 5p 2	6s 2 6p 2
Ομοιοπολική ακτίνα ενός ατόμου, Ǻ	0,077	0,117	0,122	0,140	–
Μεταλλική ακτίνα ατόμου, Ǻ	–	0,134	0,139	0,158	0,175
Ακτίνα ιόντων υπό όρους, E 2+, nm	–	–	0,065	0,102	0,126
Ακτίνα υπό όρους του ιόντος E 4+, nm	–	0,034	0,044	0,067	0,076
Ενέργεια ιοντισμού E 0 – E + , ev	11,26	8,15	7,90	7,34	7,42
Περιεκτικότητα στον φλοιό της γης, σε. %	0,15	20,0	2∙10 –4	7∙10 – 4	1,6∙10 – 4

Η δευτερογενής περιοδικότητα (μη μονοτονική αλλαγή στις ιδιότητες των στοιχείων σε ομάδες) οφείλεται στη φύση της διείσδυσης εξωτερικών ηλεκτρονίων στον πυρήνα. Έτσι, η μη μονοτονική αλλαγή στις ατομικές ακτίνες κατά τη μετάβαση από το πυρίτιο στο γερμάνιο και από τον κασσίτερο στο μόλυβδο οφείλεται στη διείσδυση ηλεκτρονίων s, αντίστοιχα, κάτω από την οθόνη 3d 10 ηλεκτρονίων στο γερμάνιο και τη διπλή οθόνη του 4f 14 και 5d 10 ηλεκτρόνια στον μόλυβδο. Δεδομένου ότι η διεισδυτική ισχύς μειώνεται στη σειρά s>p>d, η εσωτερική περιοδικότητα στην αλλαγή των ιδιοτήτων εκδηλώνεται πιο ξεκάθαρα στις ιδιότητες των στοιχείων που καθορίζονται από τα s-ηλεκτρόνια. Ως εκ τούτου, είναι πιο χαρακτηριστικό για ενώσεις στοιχείων των ομάδων Α του περιοδικού συστήματος, που αντιστοιχούν στην υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης των στοιχείων.

Ο άνθρακας διαφέρει σημαντικά από άλλα p-στοιχεία της ομάδας ως προς την υψηλή ενέργεια ιονισμού του.

Ο άνθρακας και το πυρίτιο έχουν πολυμορφικές τροποποιήσεις με διαφορετικές δομές κρυσταλλικών δικτυωμάτων. Το γερμάνιο είναι ένα μέταλλο που έχει ασημί-λευκό χρώμα με κιτρινωπή απόχρωση, αλλά έχει ένα ατομικό κρυσταλλικό πλέγμα σαν διαμάντι με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Ο κασσίτερος έχει δύο πολύμορφα: μια μεταλλική τροποποίηση με ένα μεταλλικό κρυσταλλικό πλέγμα και έναν μεταλλικό δεσμό. μια μη μεταλλική τροποποίηση με ατομικό κρυσταλλικό πλέγμα, το οποίο είναι σταθερό σε θερμοκρασίες κάτω των 13,8 C. Ο μόλυβδος είναι ένα σκούρο γκρι μέταλλο με μεταλλικό κυβικό κρυσταλλικό πλέγμα με επίκεντρο την όψη. Μια αλλαγή στη δομή των απλών ουσιών στη σειρά γερμάνιο-κασσίτερο-μόλυβδος αντιστοιχεί σε αλλαγή στις φυσικές τους ιδιότητες. Έτσι το γερμάνιο και ο μη μεταλλικός κασσίτερος είναι ημιαγωγοί, ο μεταλλικός κασσίτερος και ο μόλυβδος είναι αγωγοί. Μια αλλαγή στον τύπο του χημικού δεσμού από κυρίως ομοιοπολικό σε μεταλλικό συνοδεύεται από μείωση της σκληρότητας απλών ουσιών. Έτσι, το γερμάνιο είναι αρκετά σκληρό, ενώ ο μόλυβδος τυλίγεται εύκολα σε λεπτά φύλλα.

Οι ενώσεις στοιχείων με υδρογόνο έχουν τον τύπο EN 4: CH 4 - μεθάνιο, SiH 4 - σιλάνιο, GeH 4 - γερμάνιο, SnH 4 - stannane, PbH 4 - plumbane. Αδιάλυτο στο νερό. Από πάνω προς τα κάτω στη σειρά των ενώσεων υδρογόνου, η σταθερότητά τους μειώνεται (το υδραυλικό είναι τόσο ασταθές που η ύπαρξή του μπορεί να κριθεί μόνο με έμμεσα σημάδια).

Οι ενώσεις στοιχείων με οξυγόνο έχουν γενικούς τύπους: EO και EO 2. Τα οξείδια CO και SiO δεν σχηματίζουν άλατα. GeO, SnO, PbO – αμφοτερικά οξείδια. CO 2 , SiO 2 GeO 2 – όξινο, SnO 2 , PbO 2 – αμφοτερικό. Καθώς ο βαθμός οξείδωσης αυξάνεται, οι όξινες ιδιότητες των οξειδίων αυξάνονται, ενώ οι βασικές ιδιότητες εξασθενούν. Οι ιδιότητες των αντίστοιχων υδροξειδίων αλλάζουν παρόμοια.

| | | | | | | |