Общая характеристика подгруппы углерода

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………….. Глава 1.Общая характеристика подгруппы углерода…………………………………… Глава 2.Углерод……………………………………………………………………………. 2.1Физические свойства  ………………………………………………………………….. 2.2Химические свойства………………………………………………………………….. 2.3Получение и применение……………………………………………………………… Глава 3.Кремний…………………………………………………………………………… 3.1Физические свойства  ………………………………………………………………….. 3.2Химические свойства………………………………………………………………….. 3.3Получение и применение……………………………………………………………… Глава 4.Германий …………………………………………………………………………. 4.1Физические свойства…………………………………………………………………... 4.2Химические свойства………………………………………………………………….. 4.3Получение и применение ……………………………………………………………... Глава 5.Олово……………………………………………………………………………… 5.1 Физические свойства………………………………………………………………….. 5.2 Химические свойства…………………………………………………………………. 5.3 Получение и применение  …………………………………………………………….. Глава 6.Свинец…………………………………………………………………………….. 6.1Физические свойства  ………………………………………………………………….. 6.2Химические свойства…………………………………………………………………. 6.3Получение и применение…………………………………………………………  …... Глава 7.Эксперементальная часть ……………………………………………………...... Глава 8.Заключение ……………………………………………………………………… Глава 9. Список литературы ……………………………………………………………... Глава10.Приложение………………………………………………………………………

3 5 9 9 9 11 12 12 13 14 15 15 16 18 17 18 18 20 21 21 21 23 24 26 27 28

 

 

Введение

 

Углерод (символ С - от латинского Carboneum) - элемент главной подгруппы 4 группы, порядковый номер 6, электронное строение атома 1s22s2 2p2. степени окисления в соединениях -4, +2, +4. Углерод известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.

В 1778 году К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. Лавуазье (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. Углерод был признан химическим элементом в 1789 году Лавуазье. Латинское название сагboneum Углерод получил от carbo - уголь.

Соединения Кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений Кремния, связанное с их переработкой, - изготовление стекла - началось около 3000 лет до н. э. (в Древнем Египте). Раньше других известное соединение Кремния - оксид SiO2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считали простым телом и относили к "землям" (что и отражено в его названии). Сложность состава кремнезема установил И. Я. Берцелиус. Он же впервые, в 1825, получил элементарный Кремний из фтористого кремния SiF4, восстанавливая последний металлическим калием. Новому элементу было дано название "силиций" (от лат. silex - кремень). Русское название ввел Г. И. Гесс в 1834.

Сплавы Олова с медью - бронзы были известны уже в 4-м тысячелетии до н. э., а чистый металл во 2-м тысячелетии до н. э. В древнем мире из Олова делали украшения, посуду, утварь. Происхождение названий "stannum" и "олово" точно не установлено.

Олово - характерный элемент верхней части земной коры, его содержание в литосфере 2,5·10-4% по массе, в кислых изверженных породах 3·10-4'%, а в более глубоких основных 1,5·10-4%; еще меньше Олова в мантии. Концентрирование Олова связано как с магматическими процессами (известны "оловоносные граниты", пегматиты, обогащенные Оловом), так и с гидротермальными процессами; из 24 известных минералов Олова 23 образовались при высоких температурах и давлениях. Главное промышленное значение имеет касситерит SnO2, меньшее - станнин Cu2FeSnS4. В биосфере Олово мигрирует слабо, в морской воде его лишь 3·10-7% ; известны водные растения с повышенным содержанием Олова. Однако общая тенденция геохимии Олова в биосфере - рассеяние.

Свинец был известен за 6-7 тысяч лет до н. э. народам Месопотамии, Египта и других стран древнего мира. Он служил для изготовления статуй, предметов домашнего обихода, табличек для письма. Римляне пользовались свинцовыми трубами для водопроводов. Алхимики называли Свинец Сатурном и обозначали его знаком этой планеты. Соединения Свинец - "свинцовая зола" РbО, свинцовые белила 2РbСО3·Рb(ОН)2 применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. Когда было изобретено огнестрельное оружие, Свинец начали применять как материал для пуль. Ядовитость Свинца отметили еще в 1 веке н. э. греческий врач Диоскорид и Плиний Старший.

Содержание Свинца в земной коре (кларк) 1,6·10-3% по массе. Образование в земной коре около 80 минералов, содержащих Свинец (главный из них галенит PbS), связано в основном с формированием гидротермальных месторождений. В зонах окисления полиметаллических руд образуются многочисленные (около 90) вторичные минералы: сульфаты (англезит PbSO4), карбонаты (церуссит РbCO3), фосфаты [пироморфит Рb5(РО4)3Сl].

В биосфере Свинец в основном рассеивается, его мало в живом веществе (5·10-5%), морской воде (3·10-9%). Из природных вод Свинец отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них черных глинах и сланцах.

Цель: сформировать знания об особенностях строения атомов химических элементов подгруппы углерода, ознакомиться с пятью элементами-углерод ,кремний, германий, олово и свинец; изучить химические свойства простых веществ, образовательных углеродом.

            Задачи:

Сформировать понятия «нано технология» и «нано химия ,обосновать фундаментальные принципы, лежащие в основе нано химии;

Познакомить учащихся с основными методами исследования в нано химии;

Познакомить учащихся с применением основных достижений нано химии;

Познакомить учащихся с различными направлениями нано материаловедения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. 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= К2SiO3 + 2Н2­

С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах:

С + Н2О ®®¬¬ СО + Н2

Si + ЗH2О = Н2SiO3+ 2Н2

Первая из этих реакций имеет большое практическое значение. 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.