Общая характеристика подгруппы углерода

Применение Свинца. Свинец широко применяют в производстве свинцовых аккумуляторов, используют для изготовления заводской аппаратуры, стойкой в агрессивных газах и жидкостях. Свинец сильно поглощает γ-лучи и рентгеновские лучи, благодаря чему его применяют как материал для защиты от их действия (контейнеры для хранения радиоактивных веществ, аппаратура рентгеновских кабинетов и других). Большие количества Свинца идут на изготовление оболочек электрических кабелей, защищающих их от коррозии и механических повреждений. На основе Свинца изготовляют многие свинцовые сплавы. Оксид Свинца РbО вводят в хрусталь и оптическое стекло для получения материалов с большим показателем преломления. Сурик, хромат (желтый крон) и основные карбонат Свинца (свинцовые белила) - ограниченно применяемые пигменты. Хромат Свинца - окислитель, используется в аналитической химии. Азид и стифиат (тринитрорезорцинат) - инициирующие взрывчатые вещества. Тетраэтилсвинец - антидетонатор. Ацетат Свинца служит индикатором для обнаружения H2S. В качестве изотопных индикаторов используются 204Рb (стабильный) и 212Рb (радиоактивный).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт № 1. Взаимодействие углекислого газа со щелочью

 

Оборудование и реактивы: Аппарат Киппа, цилиндр, лучинка, спички, раствор соляной кислоты (1:2), мрамор, раствор гидроксида натрия (конц.), шпатель.

Ход работы: Заряжают аппарат Киппа на получение углекислого газа. В цилиндр без носика наливают 15-20 мл концентрированного раствора гидроксида натрия и опускают газоотводную стеклянную трубку от аппарата Киппа до поверхности раствора, но не в раствор. Открывают зажим и дают сильный ток углекислого газа, чтобы быстро вытеснить весь воздух. Затем вынимают трубку из цилиндра и перекрывают ток углекислого газа. Цилиндр быстро закрывают ладонью и слегка покачивают. Углекислый газ реагирует с гидроксидом натрия. В цилиндре возникает разрежение, давление падает, ладонь плотно прижимается к отверстию цилиндра. Демонстрируют подъем цилиндра открытой ладонью руки.

Протекает химический процесс: CO2 + 2NaOH ® Na 2CO3 + H2O

Чтобы убедиться в образовании карбонатов, в цилиндр по стенке осторожно приливают раствор соляной кислоты. Происходит вспенивание - активное выделение углекислого газа.

Техника безопасности: 1. Не допускать попадания газа в атмосферу класса.

 

Опыт № 2. Получение оксида углерода (IV) и изучение его свойств

 

Оборудование и реактивы: Две пробирки, пробка со вставленной в нее газоотводной трубкой, мрамор, соляная кислота (1:5), известковая вода, разбавленный раствор гидроксида натрия, фенолфталеин, лакмус, шпатель.

Ход работы: В пробирку поместить несколько кусочков мела или мрамора и прилить разбавленный раствор соляной кислоты. Закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Пропустить выделившийся углекислый газ в пробирки:

а) с водой, подкрашенной раствором лакмуса;

б) с известковой водой: CO2 + Ca (OH)2 ® CaCO3 + H2O

в) с раствором щелочи и несколькими каплями фенолфталеина:

 

2NaOH + CO2 ® Na2CO3 + H2O

Опыт № 3. Распознавание карбонатов

 

Оборудование и реактивы: Штатив с пробирками, разбавленные растворы углекислого натрия, хлорида бария, нитрата серебра, азотной кислоты, соляной кислоты, мрамор, шпатель.

Ход работы: 1. В пробирку налить раствор углекислого натрия объемом 1 мл и прилить раствор хлорида бария такого же объема. Образуется белый осадок карбоната бария BaCO3.

 

Na2CO3 + BaCl2 ® BaCO3↓ + 2NaCl

 

К осадку прилить раствор соляной кислоты. Осадок растворится.

2. В пробирку налить  раствор углекислого натрия объемом 1 мл и прилить несколько капель  раствора нитрата серебра. Образуется  осадок: Na2CO3 + 2AgNO3 = 2NaNO3 + Ag2CO3↓. К осадку прилить разбавленный раствор азотной кислоты малыми порциями до полного его растворения.

 

Ag2CO3↓ + 2HNO3 ® 2AgNO3 + H2O + CO2

 

3. К кусочку мела или  мрамора прилить несколько капель  соляной кислоты. Объяснить наблюдаемые  явления и написать уравнения  реакций.

Утилизация. Содержимое пробирки с соединениями бария перенести в нейтрализатор. К содержимому пробирки с соединениями серебра поднести универсальную индикаторную бумагу. Если среда сильнокислая, то раствор можно использовать повторно для обнаружения хлорид–ионов. Если среда слабокислая - использовать повторно в этом же опыте

.

Опыт 4. Восстановительные свойства олова(II) в щелочной среде Реактивы. Водный (10–15%-ный) раствор хлорида олова(II) SnCl2, водный (5–10%-ный) раствор хлорида висмута(III) BiCl3, водный (8–10%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH. Посуда и приборы. Химический стакан емкостью 250–400 мл, стеклянная палочка. Описание опыта. В химический стакан наливают 20–50 мл раствора хлорида олова(II) и порциями добавляют раствор гидроксида натрия. Сначала наблюдается выделение осадка гидроксида олова(II), а затем его растворение в результате образования гидроксокомплекса - тригидроксостаннат(II)-аниона:

SnCl2 + 2 NaOH = Sn(OH)2 + 2 NaCl

Sn(OH)2 + NaOH = Na[Sn(OH)3]

К полученному раствору, не прекращая перемешивания, добавляют небольшими порциями раствор хлорида висмута(III). Выпадает белый осадок гидроксида висмута(III), который вскоре чернеет из-за восстановления висмута:

BiCl3 + 3 NaOH = Bi(OH)3 + 3 NaCl

2 Bi(OH)3+ 3 Na[Sn(OH)3] + 3 NaOH = 2 Bi + 3 Na2[Sn(OH)6]

Таким образом, производные олова(II) в щелочной среде являются сильными восстановителями. Значение стандартного потенциала   для окислительно-восстановительной пары [Sn(OH)6]2 /[Sn(OH)3]составляет 0,960 В (что характерно для сильных восстановителей).

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В заключении хотелось бы  еще раз сказать подгруппу углерода входят углерод, кремний, германий, олово и свинец. Это р – элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева. Их атомы на внешнем уровне содержат по четыре электрона — п2np2, чем объясняется сходство их химических свойств. Электронное строение внешних уровней атомов первых двух элементов подгруппы можно представить так:

В невозбужденном состоянии их атомы имеют по 2 неспаренных электрона. Поскольку атомы всей подгруппы имеют на внешнем уровне свободные орбитали, то при переходе в возбужденное состояние распаривают электроны s- подуровней (показано пунктирными стрелками). В соединениях элементы подгруппы углерода проявляют степень окисления +4 и -4, а также +2, причем последняя с увеличением заряда ядра становится более характерной. Для углерода, кремния и германия наиболее типична степень окисления +4, для свинца +2. Степень окисления -4 в последовательности С~РЬ становится все менее характерной. Среднее содержание Углерода в земной коре 2,3·10-2% по массе (1·10-2 в ультраосновных, 1·10-2 - в основных, 2·10-2 - в средних, 3·10-2 - в кислых горных породах.С накоплением Углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов, и т. д. Большую геохимическую роль в земной коре играют СО2 и угольная кислота. Огромное количество СО2выделяется при вулканизме - в истории Земли это был основные источник Углерода для биосферы.

По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает Углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), так как эти ископаемые - основной источник энергии.

Огромное геохимическое значение имеет круговорот Углерода.

Углерод широко распространен также в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1. Н. Л. Глинка «Общая химия» Издательство «Химия» Ленинградское отделение 1973 г.
2. В. А. Крицман «Книга для чтения по неорганической
3. химии» Москва «Просвещение» 1993 г.
4. Т. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман « Химия 7- 9» Москва
5. «Просвещение» 1986 г.
6. Ю.  В. Ходаков, Д. А. Эпштейн, П. А. Глориозов           «Неорганическая химия 9» Москва   «Просвещение» 1987г.
7. Л. А. Николаев « Современная химия» Москва «Просвещение» 1980г.
8. Ю. Д. Третьяков, Ю. Г. Метлин «Основы общей химии» Москва «Просвещение» 1980г.
9. Е. М. Закладный, Н. В. Щеголев «Рассказы о полимерах» Издательство «Советская Россия» 1960.

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

Приложение 1

 

Опыт № 1. Получение углерода термическим разложением древесины

 

Оборудование и реактивы: Штатив с лапкой, спиртовка, спички, резиновые прокладки, сосуд Ландольта, пробка со вставленной в нее стеклянной трубкой, синий лакмус, химический стакан, стружки сухого дерева.

Ход работы: Одно колено сосуда Ландольта заполняют плотно сухими стружками. Закрепляют прибор в штативе. Другое колено опускают в стакан с холодной водой. Равномерно прогрев весь сосуд, сильно нагревают стружки. Из стеклянной трубки выходит белый дым, его поджигают. Во втором колене собирается желтоватая смесь, состоящая из воды и жидких органических веществ. Нагревают до тех пор стружки, пока они не обуглятся и не прекратится выделение газов. Затем дают сосуду остыть, открывают пробку и высыпают уголь. Жидкостью из второго колена сосуда Ландольта пропитывают синюю лакмусовую бумагу. Покраснение лакмусовой бумаги свидетельствует о наличии в смеси кислоты.

 

Рис. 22. Термическое разложение древесины.

Техника безопасности: Перед нагреванием стружек равномерно прогреть сосуд Ландольта.

Утилизация: Жидкие продукты разложения древесины поместить в нейтрализатор.

 

Опыт № 2. Поглощение углем растворенных веществ и газов

 

а) Поглощение углем газов.

 

Рис.23. Поглощение углем газов.

 

Оборудование и реактивы: Штатив с лапкой, резиновые прокладки, U-образная трубка, стеклянная банка, пробка со вставленной в нее стеклянной трубкой, резиновая трубка, раствор перманганата калия, активированный уголь, соляная кислота (конц.), перманганат калия (кристал.), шпатель.

Ход работы: В U-образную трубку наливают воду, подкрашенную раствором перманганата калия, затем закрепляют ее в лапке штатива. Стеклянную банку заполняют хлором или оксидом азота (IV). U-образную трубку соединяют газоотводными трубками герметично с банкой и окрашенными газами. Открыв пробку в банке, быстро помещают активированный уголь и вновь герметично закрывают. Склянку с углем и газом сильно встряхивают. Подкрашенная вода в одном колене U-образной трубки поднимается. Объяснить наблюдаемые явления.

Техника безопасности: 1. Проводить опыт получения токсичных окрашенных газов в вытяжном шкафу. 2. Не допускать попадание газа (Cl2, NO2) в атмосферу класса.

3. Прокалить активированный  уголь в вытяжном шкафу и  использовать вновь.

Утилизация: Продукты реакции после получения хлора утилизировать по схеме в теме “Галогены”. Продукты реакции после получения оксида азота (IV) утилизировать по схеме в теме “Азот” (взаимодействие меди с азотной кислотой).

 б) Поглощение углем  растворенных веществ.

Оборудование и реактивы: Штатив с лапкой, резиновые прокладки, хлоркальциевая трубка, химический стакан, вата, слабый раствор перманганата калия или фуксина, активированный уголь.

 

Рис. 24. Поглощение углем растворенных веществ.

 

Ход работы: Хлоркальциевую трубку заполняют последовательно слоем ваты, слоем активированного угля и слоем ваты. Хлоркальциевую трубку закрепляют в штативе и наливают в нее воду, подкрашенную раствором перманганата калия (очень слабый раствор). В подставленный химический стакан стекает чистая прозрачная вода.