Общая характеристика элементов подгруппы углерода

Общая характеристика элементов  подгруппы углерода. 
 
Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева 
образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В 
связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры 
атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а следовательно, 
и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов 
- возрастать. Уже у германия проявляются металлические свойства, а у олова 
и у свинца они преобладают над неметаллическими. Таким образом, углерод и 
кремний относят к неметаллам, германий причисляют как к металлам, так и к 
неметаллам, а олово и свинец - металлы. 
Германий по внешнему виду похож на металлы, но хрупок. Как и кремний, 
германий принадлежит к полупроводникам, т. е. к веществам, занимающим 
промежуточное положение между непроводниками электрического тока, или 
изоляторами (многие неметаллы), и проводниками (металлы). В качестве 
полупроводника германий широко применяется в радиоэлектронике. 
Простые вещества, образованные оловом и свинцом- следующими элементами 
подгруппы, проявляют уже все типичные свойства металлов: металлический 
блеск, высокую электрическую проводимость и теплопроводность, 
пластичность. Как правило, олово и свинец образуют соединения, в которых 
они проявляют степени окисления +2 и +4. На внешнем энергетическом уровне 
атомов элементов главной подгруппы IV группы содержатся четыре электрона: 
два спаренных s-электрона и два неспаренных р-электрона. Поэтому при 
образовании соединений атомы этих элементов могут или отдавать все четыре 
электрона, проявляя высшую степень окисления +4, или принимать четыре 
электрона, проявляя при этом степень окисления -4. 
Среди элементов IV группы наибольшее значение имеют углерод, входящий 
в состав всех живых организмов, и кремний - важнейший элемент земной коры. 
Двухвалентные соединения для кремния менее характерны, чем для 
углерода. Это связано с меньшим значением энергии возбуждения атомов 
кремния благодаря большей удаленности наружных электронов от ядра. При 
обычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически не 
взаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами. 
При обычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически не 
взаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами. Исключение 
составляет аморфный кремний, реагирующий с фтором. 
При нагревании углерод и кремний взаимодействуют с галогенами, с 
элементами подгруппы серы, азотом, водородом и многими металлами. В 
последнем случае образуются соединения, называемые карбидами и силицидами. 
С углеродом и кремнием взаимодействуют лишь некоторые кислоты, являющиеся 
сильными окислителями. Например, в присутствии окислителей (KClO3, MnO2) 
аморфный углерод растворяется в концентрированных азотной и серной кислотах 
при нагревании. Кремний же растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой 
кислот: 
3Si + 18HF + 4HNO3 = 3H2SiF6 + 4NO + 8Н2О 
Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода: 
Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2 
С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: 
С + Н2О ®¬ СО + Н2 
Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 
Первая из этих реакций имеет большое практическое значение

Подгруппа углерода. Углерод 
. Она лежит в 
основе процесса газификации твердого топлива. 
Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом: 
С + 2Н2 = СН4 
Реакция осуществляется при нагревании в присутствии катализатора 
(мелкий раздробленный никель). Продукт взаимодействия — метан — является 
первым членом ряда предельных углеводородов, состав которых выражается 
формулой CnH2n+2. 
Аналогично углероду кремний тоже образует с водородом соединения, но 
они менее устойчивы. Надежно идентифицированы только шесть низших гомологов 
предельного ряда. Их называют силанами. Простейший представитель моносилан 
SiH4 имеет строение, аналогичное СН4. Силаны - крайне реакционноспособные 
соединения, воспламеняющиеся на воздухе. Низкая прочность связи Si—Si (DH = 
-220 кДж/моль) по сравнению со связью С—С (DH = -340 кДж/моль) обусловила 
возможность образования лишь ограниченного числа силанов по сравнению с 
углеводородами. 
Склонность углерода к образованию полимерных цепей объясняет то 
обстоятельство, что он в обычных условиях тверд, нелетуч и химически 
инертен. 
При нагревании на воздухе углерод и кремний сгорают с образованием 
оксидов. Однако процессы окисления идут по-разному. При недостатке 
кислорода углерод образует оксид углерода (II), а при избытке — оксид 
углерода (IV). Кремний с кислородом во всех случаях образует оксид кремния 
(IV). Оксид кремния (II) может быть получен лишь косвенным путем: 
Si + SiO2 = 2SiO. 
В природе кремнезем(SiO2) встречается в виде включений в граниты и 
другие породы. Такие включения заметны на осколках породы, они напоминают 
кусочки оплавленного стекла. Освобождаясь при выветривании породы, они 
скапливаются в руслах рек в виде белого песка. Встречается оксид 
кремния(IV) и в виде прекрасных кристаллов кварца размером, иногда 
превышающим человеческий рост. Советские ученые и инженеры разработали 
методы, позволяющие искусственно выращивать кристаллы кварца длиной до 1,5- 
2 м. 
При плавлении аморфный кварц размягчается постепенно и также 
постепенно при охлаждении затвердевает. Это облегчает изготовление из 
кварца изделий, например химической посуды. Кварц очень мало расширяется 
при нагревании. Поэтому кварцевую посуду можно, раскалив добела, бросить в 
холодную воду, и она не растрескается. 
Оксид кремния (IV) практически нерастворим в воде. Соответствующая ему 
кремниевая кислота получается вытеснением ее из растворов солей другими 
кислотами, в том числе и угольной. Обратите внимание, что в растворе 
угольная кислота вытесняет кремниевую из ее солей, а при прокаливании 
происходит обратное явление. Первый процесс обусловлен тем, что кремниевая 
кислота более слабая, чем угольная. Второй же процесс объясняется меньшей 
летучестью оксида кремния (IV). 
Высшие солеобразующие оксиды углерода и кремния довольно сильно 
отличаются по свойствам. Оксид углерода (IV) - газ, который конденсируется 
лишь при сильном охлаждении, образуя кристаллическую массу, а оксид кремния 
(IV), напротив, кристаллическое вещество, встречающееся в природе в виде 
минерала кварца. 
Оксид углерода (IV) растворяется в воде (1:1 по объему), причем он 
частично взаимодействует с ней, образуя угольную кислоту: 
СО2 + Н2О ®¬ Н2СО3 
Оксид углерода(II) не реагирует ни с водой, ни с растворами щелочей и 
кислот. Подобно оксиду азота(II) NO, он относится к несолеобразующим 
оксидам. 
Оксид углерода(II) получается при взаимодействии оксида углерода(IV) 
с сильно раскаленным углем: 
С + СО2 = 2CO - 160 кДж 
В этом можно убедиться, заглянув в хорошо растопленную печь

Над 
раскаленными добела углями вспыхивают голубые огоньки. Это пламя оксида 
углерода(II), сгорающего в воздухе, поступающем через открытую дверцу печи. 
Когда угли несколько остывают, голубые огоньки исчезают: реакция между 
углем и оксидом углерода(IV) прекратилась и оксид углерода(II) не 
образуется. 
Теперь понятно, почему сильно раскаленный уголь сгорает синим 
пламенем, а слабо раскаленный - без пламени. 
Оксид углерода(II) содержится в некоторых видах газообразного 
топлива, в частности генераторном газе. 
Оксид углерода(IV) образуется в природе при дыхании животных и 
растений, при гниении органических остатков в почве, при пожарах. Оксид 
углерода(IV) тяжелее атмосферного воздуха и поэтому может скапливаться в 
опасных концентрациях в погребах и колодцах. В угольных шахтах из-за 
медленного окисления угля содержание углекислого газа также выше, чем на 
открытом воздухе. Служба охраны труда следит за тем, чтобы оно не превышало 
установленной нормы (30 мг/м3). 
Для растений углекислый газ служит источником углерода, и обогащение 
им воздуха в парниках и теплицах приводит к повышению урожая. Оксид 
углерода(IV) применяют также для газирования воды и напитков, жидким CO2 
заряжают огнетушители. Твердый оксид углерода(IV) под названием сухого льда 
применяют для охлаждения продуктов. Преимущество сухого льда перед 
обыкновенным заключается в том, что он поддерживает в окружающем 
пространстве значительно более низкую температуру и испаряется, не переходя 
в жидкое состояние. 
Растворяясь в воде оксид углерода(IV) почти не соединяется с нею. Его 
гидроксид - угольная кислота Н2СО3 - существует лишь в момент образования, 
она практически нацело разлагается на углекислый газ и воду: 
Н2СО3 = Н2О + СО2[pic] 
Учитывая, что угольная кислота является двухосновной, равновесие между 
различными формами молекул и ионов в водном растворе оксида углерода (IV) 
можно выразить уравнением: 
Н2О + СО2 ®¬ Н2СО3 ®¬ H+ + НСО3- ®¬ 2H+ + CO32- . 
При нагревании оксид углерода (IV) улетучивается, и равновесие 
смещается влево, а при прибавлении щелочи происходит связывание ионов Н+ и 
смещение равновесия вправо. 
Угольная кислота слабая. В водном растворе соли угольной кислоты 
гидролизуются. Растворы средних солей карбонатов обладают сильной щелочной 
реакцией: 
CO32- + H2O = HCO3- + OH- 
Наиболее распространен в природе карбонат кальция(известняк, мрамор, 
мел и т.д.). Залежи пород, содержащих карбонат кальция , особенно 
известняка, встречаются довольно часто. Поэтому одной из задач 
краеведческой работы в районах с кислыми почвами должны быть поиски 
месторождений известняка. 
Из искусственно получаемых карбонатов большое значение имеет карбонат 
натрия Na2CO3. Безводный карбонат натрия известен под названием 
кальцинированной соды, а кристаллогидрат Na2CO3*10H2O - кристаллической 
соды. Соду применяют для производства мыла, стекла, а в быту для стирки 
белья. 
При насыщении раствора соды углекислым газом она переходит в 
гидрокарбонат натрия NaHCO3. Гидрокарбонат натрия продают в аптеках и 
продовольственных магазинах под названием питьевой соды. Ее принимают 
внутрь при изжоге, вызванной избытком в желудочном соке соляной кислоты. 
Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении. 
При нагревании она разлагается с выделением углекислого газа и паров 
воды: 
2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O[pic] + СО2[pic] 
Поэтому питьевую соду вводят в состав хлебопекарных порошков, добавляемых к 
тесту. Такое тесто подходит без применения дрожжей и заквасок, наполняясь 
пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается 
пористым и мягким.