Химические свойства 4 группы. Общая характеристика элементов IV группы главной подгруппы. Общая характеристика подгруппы

В IV-A группе находятся р - элементы C, Si, Ge, Sn, Pb. Конфигурация атома в невозбужденном состоянии ns 2 nр 2 , в возбужденном состоянии ns 1 nр 3 , все 4 электрона неспаренные.

Радиусы атомов закономерно растут с увеличением порядкового номера, ионизационный потенциал соответственно уменьшается.

В большинстве неорганических соединений углерод и кремний проявляют степень окисления +4. Но от германия к свинцу прочность соединений со степенью окисления +4 уменьшается, более стабильна низкая степень окисления +2. Могут проявлять степени окисления - 4 в гидридах.

Углерод стоит в середине 2-го периода, он одинаково может притягивать и отдавать электроны, промежуточное значение электроотрицательности приводит к тому, что углерод образует ковалентные связи со всеми реакционноспособными элементами периодической системы, стоящими от него слева (в том числе Н), справа (О, N, галогены) и снизу (Si,Ge, Sn, Pb).

Li Be B C N O F

ОЭО 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Невозможность донорно - акцепторного взаимодействия в возбужденном состоянии обусловливает примерно одинаковую прочность одинарных связей с водородом. Четырехвалентность углерода предоставляет широкие возможности для разветвлений цепей углеродных атомов и образования циклических структур.

C - типичный неметалл

Si - типичный неметалл

Ge - есть металлические свойства

Sn - металлические свойства преобладают над неметаллическими

Pb - металлические свойства преобладают над неметаллическими

Увеличение восстано-вительных свойств, уменьшение устойчивости молекул

Увеличение основных свойств и устойчивости молекул.

Нерастворимы в воде

Гидроксидов не образуют

уменьшение устойчивости молекул

Кремний по распространенности в земной коре занимает второе место (после кислорода). Если углерод – основа жизни, то кремний – основа земной коры. Он встречается в громадном многообразии силикатов и алюмосиликатов, песка. Германий, олово, свинец достаточно редкие элементы. Аморфный уголь (сажа) черного цвета, аморфный кремний – порошок бурого цвета. Кристаллический кремний – полупроводник. Важные сорта аморфного угля – кокс, древесный уголь. Германий как и кремний, полупроводник, имеет алмазоподобную решетку, по внешнему виду типичный металл серебристо-белого цвета. Олово имеет модификации белое (-модификация устойчива выше 286 К серебристо-белый металл, серая - -модификация (серое олово) имеет алмазоподобную решетку. Свинец – темно-серый металл.

2. Химия углерода

Углерод встречается в природе в свободном виде и в соединениях. Его аллотропные видоизменения – алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз – самое твердое вещество в природе. Твердость по шкале Маоса -10, тем не менее он хрупок. Ограненный алмаз имеет более 20 граней и называется бриллиантом, используется в ювелирной промышленности. Масса бриллианта измеряется в каратах (1 карат = 0,2 г). Существенные различия в свойствах алмаза и графита обусловлены особенностями строения их кристаллов.

1. Кристаллическая решетка алмаза атомная. Каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, четыре вершины которого заняты другими атомами углерода. Все атомы находятся на одинаковых расстояниях друг от друга. Кристалл алмаза (диэлектрик) – имеет плотную упаковку с высокой компактностью и твердостью. Атомы углерода в sp 3 -гибридизации.

2. В кристаллах графита атомы углерода расположены в углах правильных шестиугольников, находящихся в параллельных плоскостях. Под внешним воздействием такой кристалл легко расслаивается на чешуйки. Графит в отличие от алмаза очень мягок.

Атомы углерода в графите в sp 2 -гибридизации.

3. Карбин – твердое кристаллическое вещество.

Это линейный полимер углерода, в котором чередуются одинарные и тройные связи.

Атомы углерода в карбине в sp -гибридизации .

- карбин (полиин)

= - карбин (поликумулен)

Карбин – наиболее стабильная форма углерода, - карбин обладает полупроводниковыми свойствами.

4. Фуллерен – четвертая аллотропная модификация углерода. Его молекулы имеют четное число атомов углерода и имеют состав С 60 , С 70 , С 80 и т.д. Молекула С 60 имеет вид футбольного мяча, построенного из пяти- и шестигранных углеродных циклов с общими ребрами.

Водородные соединения углерода – углеводороды являются объектом изучения в органической химии.

К неорганическим соединениям углерода относятся СО и СО 2 .

С + О 2  СО 2

С + О 2  СО

С + Н 2  СН 4

С + S 2  CS 2 (сероуглерод)

С + F 2  С F 4

Из галогенидов СГаl самое большое значение имеет СCl 4 – бесцветная, достаточно токсичная жидкость. В обычных условиях СCl 4 химически инертен. Применяют как невоспламеняющийся и негорючий растворитель смол, лаков, жиров и для получения фреона CF 2 Cl 2 .

CF 4 – газ ; CCl 4 – жидкий ; CBr 4 – твердый .

С + H 2 SO 4 конц  СО 2 + SO 2 + H 2 O

С + HNO 3 конц  СО 2 + NO 2 + H 2 O

Химическая связь в молекуле СО.

Распределение электронов в возбужденном атоме углерода и в кислороде таково, что между ними возможно образование двух химических связей – в атоме кислорода имеются 2 неспаренных электрона. Однако при переходе одного электрона от кислорода к углероду в образовавшихся ионах С - и О + будет по 3 неспаренных электрона, аналогично электронной конфигурации азота. При соединении этих ионов образуется тройная связь, аналогичная молекулеN 2 , поэтому свойства СО иN 2 очень близки.

Невозбужденный атом углерода имеет 2 неспаренных электрона, которые могут образовать 2 общие электронные пары с 2-мя неспаренными электронами атома кислорода (по обменному механизму). Однако имеющиеся в атоме кислорода 2 спаренные р -электрона могут образовывать тройную химическую связь, поскольку в атоме углерода имеется одна незаполненная ячейка, которая может принять эту пару электронов.

Тройная связь образуется по донорно-акцепторному механизму, направление стрелки от донора кислорода к акцептору – углероду.

Подобно N 2 - СО обладает высокой энергией диссоциации (1069 кДж), плохо растворим в воде, инертен в химическом отношении. СО – газ без цвета и запаха, безразличный несолеобразующий, не взаимодействует с кислотными щелочами и водой при обычных условиях. Ядовит, т.к. взаимодействует с железом, входящим в состав гемоглобина. При повышении температуры или облучении проявляет свойства восстановителя.

Получение:

в промышленности

в лаборатории:

;

В реакции СО вступает лишь при высоких температурах.

Молекула СО имеет большое сродство к кислороду, горит образуя СО 2:

СО + 1/2О 2 = СО 2 + 282 кДж/моль.

Из-за большого сродства к кислороду СО используется как восстановитель оксидов многих тяжелых металлов (Fe, Co, Pb и др.).

С O + Cl 2 = COCl 2 (фосген)

Наибольший интерес представляют карбонилы металлов (используются для получения чистых металлов). Химическая связь по донорно-акцепторному механизму, имеет место -перекрывание по дативному механихму.

(пентакарбонил железа)

Все карбонилы – диамагнитные вещества, характеризуются невысокой прочностью, при нагревании карбонилы разлагаются

→ 4CO + Ni (карбонил никеля).

Как и СО карбонилы металлов – токсичны.

К элементам главной подгруппы IV группы относятся углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb). В ряду элементы настолько отличаются по своей химической природе, что при изучении их свойств целесообразно производить разбиение на две подгруппы: углерод и кремний составляют подгруппу углерода, германий, олово, свинец - подгруппу германия.

Общая характеристика подгруппы

Сходство элементов:

Одинаковая структура внешнего электронного слоя атомов ns 2 nр 2 ;

Р-элементы;

Высшая С.О. +4;

Типичные валентности II, IV.

Валентные состояния атомов

Для атомов всех элементов возможны 2 валентных состояния:

1. Основное (невозбужденное) ns 2 np 2

2. Возбужденное ns 1 np 3

Простые вещества

Элементы подгруппы в свободном состоянии образуют твердые вещества, в большинстве случаев - с атомной кристаллической решеткой. Характерна аллотропия

Как физические, так и химические свойства простых веществ существенным образом различаются, причем вертикальные изменения часто имеют немонотонный характер. Обычно подгруппу делят на две части:

1 - углерод и кремний (неметаллы);

2 - германий, олово, свинец (металлы).

Олово и свинец являются типичными металлами, германий, как и кремний, - полупроводники.

Оксиды и гидроксиды

Низшие оксиды ЭО

CO и SiO - несолеобразующие оксиды

GeO, SnO, PbO - амфотерные оксиды

Высшие оксиды ЭО +2 О

CO 2 и SiO 2 - кислотные оксиды

GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 - амфотерные оксиды

Существуют многочисленные гидроксопроизводные типа ЭО nН 2 O и ЭO 2 nН 2 O, которые проявляют слабокислотные или амфотерные свойства.

Соединения с водородом ЭН 4

Ввиду близости значений ЭО связи Э-Н являются ковалентными, малополярными. Гидриды ЭН 4 при обычных условиях представляют собой газы, плохо растворимые в воде.

СН 4 - метан; SiH 4 - силан; GeH 4 - герман; SnH 4 - станнан; PbH 4 - не получен.

Прочность молекул ↓

Химическая активность

Восстановительная способность

Метан химически малоактивен, остальные гидриды очень реакционноспособны, они полностью разлагаются водой с выделением водорода:

ЭН 4 + 2Н 2 O = ЭO 2 + 4Н 2

ЭН 4 + 6Н 2 O = Н 2 [Э(ОН) 6 ] + 4Н 2

Способы получения

Гидриды ЭН 4 получают косвенным путем, так как прямой синтез из простых веществ возможен только в случае СН 4 , но и эта реакция протекает обратимо и в очень жестких условиях.

Обычно для получения гидридов используют соединения соответствующих элементов с активными металлами, например:

Аl 4 С 3 + 12Н 2 O = ЗСН 4 + 4Al(OH) 2

Mg 2 Si + 4HCl = SiH 4 + 2MgCl 2

Углеводороды, кремневодороды, германоводороды.

Углерод с водородом, кроме СН 4 , образует бесчисленное множество соединений С x Н y - углеводородов (предмет изучения органической химии).

Получены также кремневодороды и германоводороды общей формулы Э n Н 2n+2 . Практического значения не имеют.

По значимости 2 элемента главной подгруппы IV группы занимают особое положение. Углерод является основой органических соединений, следовательно - главным элементом живой материи. Кремний - главный элемент всей неживой природы.

Тема: Общая характеристика элементов IV- А группы.

Свойства.

Цель : Рассмотреть общую характеристику элементов IV- А группы на примере углерода и кремния; физические и химические свойства этих элементов, дать понятия «абсорбция».

Образовательные : научить учащихся самостоятельно добывать знания путём рационального использования различных источников информации (учебники, научно-популярная литература) и применять полученные знания; устанавливать причинно - следственные связи между строением, свойствами и использованием веществ на основе изученных теорий, обобщить и систематизировать знания учащихся об углероде и кремнии их соединениях, значении этих веществ в природе и в жизни человека;

Развивающие : развивать познавательный интерес школьников, умение выделять главное, сравнивать, обобщать, логически излагать мысли;

воспитывать здоровьесберегающее поведение на уроках.

Оборудование : компьютер, презентация, учебник, таблица « Периодическая система химических элементов»

Ход урока:

1.Организационный момент.

2.Проверка домашнего задания.

3.Актуализация опорных знаний

(фронтальная беседа).

Назовите элементы, входящие в IV группу.

Назовите элементы побочной подгруппы IV группы.

4.Изучение нового материала.

Положение в Периодической системе химических элементов, строение атома C, Si

Учитель . Ребята, давайте посмотрим на Периодическую систему химических элементов и определим, какие элементы входят I V-А подгруппу?

Ответ учащегося.

В главную подгруппу I V-А гр. Входят элементы: C , Si , Ge , Sn , Pb -

C ,Si ,Ge – неметаллы- Sn ,Pb – металлы

Учитель . Что общего в строении атомов этих элементов?

( работа учащихся у доски )

1. Углерод

6 C)2)4

…2 s 22 p 2

2. Кремний

14 Si)2)8)4

…3 s 23 p 2

Ответ учащегося . Имеют одинаковое строение атома (на последнем уровне 4е). ns 2 np 2 и проявляют валентность II , IV

Учитель. Как изменяются свойства элементов с увеличением Аг?

Ответ учащегося . С увеличением Аг возрастают металлические свойства, а неметаллические уменьшаются.

Учитель . Какие высшие оксиды образуют элементы 1V-А группы?

Ответ учащегося . Образуют высшие оксиды типа – RO 2 ( работа учащегося у доски ) CO 2, SiO 2 Ge O 2 SnO 2 Pb O 2

Учитель. Какие летучие водородные соединения образуют эти элементы?

Ответ учащегося. Летучие водородные соединения типа- RH 4 ( CH 4 , SiH 4 )

Учитель. Углерод образует 2 аллотропных видоизменений: графит, алмаз

Таблица «Строение кристаллических решеток алмаза и графита»

Аллотропия углерода

Графит

алмаз

физические свойства

темно-серое, проводит электрический ток и тепло

Прозрачное кристаллическое твердое вещество с характерным блеском.

t =1420плавления; не проводит электрический ток и тепло

Работа в группах с учебником. Обмен информацией. Запись в тетради.

Группа №1 Группа №2

С

Si

нахождение в природе

мел CaCO 3 мрамор алмаз

Графит

Малахит CuCO 3

Нефть

27% земной коры - песок SiO 2

химические свойства

C +2H 2 → CH 4

C + O 2 →CO 2

3 C + 4 AL →AL 4 C 3

Ca +2C → CaC 2

2 AL 2 O 3 +3C →4AL + 3CO 2

Si +O 2 → Si O 2

Si +2CL 2 →SiCL 4

Si +2Br 2 → SiBr 4

2Mg + Si → Mg 2 Si

Применение

наконечники буров, стеклорезы, шлифовочный порошок, драгоценные камни, медицинаочистка спирта от сивушных масел

очистка сахара на рафинадных заводах от веществ, придающих ему желтый цвет

на основе адсорбционных свойств древесного угля русский химик Николай Дмитриевич Зелинский разработал фильтрующий противогаз

(демонстрация строения фильтрующей коробки противогаза).

Полупроводник (солнечные батареи)

Сталь

Строительный песок

Адсорбция- – способность поглощать газы и растворенные вещества поверхностью твёрдого тела жидкости (из-за пористого строения тела).

Проблемный вопрос: Адсорбция – это физический или химический процесс?

Демонстрационный опыт «Адсорбция». ОПЫТ: К раствору синего лакмуса добавить размельчённый активированный уголь. Отфильтровать полученную смесь. Фильтрат совершенно прозрачный.

ОТВЕТ : физический, т.к. при этом не изменяется состав вещества

5Систематизация и обобщение знаний

Осуществите превращения. Напишите соответствующие уравнения реакции.

CH 4 ← C → CO → CO 2 → H 2 CO 3

CaC 2

Рефлексия

Как вы считаете, достиг ли наш урок поставленной цели?

Что бы вы хотели выполнить еще раз, а что сделали по-другому?

Получили ли вы положительные эмоции от сегодняшнего урока?

6. Д/з

Углерод, кремний, германий, олово и свинец составляют главную подгруппу IV группы. Внешние энергетические уровни р-элементов IV группы содержат по четыре электрона (конфигу­рация ns 2 np 2), из которых два спаренных s-электрона и два неспа­ренных р-электрона.

В невозбужденном состоянии элементы этой подгруппы про­являют валентность, равную двум. При переходе в возбужденное состояние, сопровождающееся переходом одного из s-электронов внешнего уровня в свободную ячейку р-подуровня того же уров­ня, все электроны наружного слоя становятся неспаренными, и валентность при этом возрастает до 4.

Энергия, затрачиваемая для перехода электрона, с избытком ком­пенсируется энергией, выделяющейся при образовании четырех связей.

В соединениях элементы подгруппы углерода проявляют сте­пень окисления +4 или -4, а также +2, причем последняя с уве­личением заряда ядра становится более характерной. Для углеро­да, кремния и германия наиболее типичная степень окисления +4, для свинца - +2. Степень окисления -4 в последовательности С - Pb становится все менее характерной.

Элементы подгруппы углерода образуют оксиды общей фор­мулы RO 2 и RO, а водородные соединения формулы - RH 4 . Гид­раты высших оксидов углерода и кремния обладают кислотными свойствами, гидраты остальных элементов амфотерны, причем кислотные свойства сильнее выражены у гидратов германия, а основные - у гидратов свинца. От углерода к свинцу уменьшает­ся прочность водородных соединений RH 4: CH 4 - прочное веще­ство, а PbH 4 в свободном виде не выделено.

При переходе от углерода к свинцу радиусы нейтральных атомов возрастают, а энергия ионизации уменьшается, поэтому от углерода к свинцу убывают неметаллические свойства, а метал­лические возрастают. Неметаллами являются углерод и кремний (см. табл. 24).