Лабораторная работа №4

Химические свойства элементов IV А-группы

1. Цель работы:

получение и исследование свойств наиболее распространенных соединений углерода, кремния, олова и свинца.

2. Теоретическая часть

В четвертую группу главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева входят химические элементы: углерод, кремний, германий, олово и свинец. Эти элементы и их многочисленные соединения широко используются в жизни и деятельности человека.

Углерод - типичный неметалл. В большинстве неорганических соединений проявляет степени окисления –4, +4, +2. Простое вещество углерод имеет несколько аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, которые отвечают различным типам гибридизации атомных орбиталей (sp³, sp², sp) и соответственно имеют различное строение кристаллических решеток. При обычных условиях углерод малоактивен. При высокой температуре он взаимодействует со многими металлами и неметаллами. Восстановительные свойства углерода широко используются в металлургии.

При высоких температурах углерод взаимодействует с серой, азотом, галогенами образуя соответственно CS₂ (сероуглерод), C₂N₂ (дициан), СН₃I.

Углерод горит, при этом может образоваться два оксида - оксид углерода (II) и оксид углерода (IV). Оксид углерода (II) - бесцветный, не имеющий запаха газ. Очень ядовит, горит с выделением большого количества тепла, применяется как газообразное топливо. Это несолеобразующий оксид.

Оксид углерода (II) при высокой температуре проявляет восстановительные свойства, применяется в металлургии для получения металлов. Оксид углерода (IV) сжижается при температуре 20°С и давлении 58 атм. При испарении С0₂ охлаждается и затвердевает, образуя «сухой лед», который применяется для охлаждения.

Кремний - электронный аналог углерода. Однако, у него больше размер атома, меньше энергия ионизации, больше поляризуемость атома. В отличие от углерода, кремний проявляет степени окисления +4, – 4.

Кремний - темно-серое, почти черное вещество с металлическим блеском, очень твердое. Наличие на внешнем электронном уровне свободных d-орбиталей определяет полупроводниковые свойства алмазоподобной структуры кремния (sp³ -гибридизация).

Кремний получают в электропечах восстановлением оксида кремния коксом: С + Si0₂ → Si + С0₂

Оксид кремния (IV), или диоксид, Si0₂ - наиболее стойкое соединение кремния. Это кислотный оксид, ему соответствуют слабые малорастворимые

в воде поликремниевые кислоты nSi0_2·mН₂0. Выделены мета- и ортокремниевая кислоты H₂Si0₃ и H₄Si0₄:

Кремниевые кислоты образуются в виде коллоидных растворов, легко переходят из золя в гель. При его высушивании образуется высокопористый материал - силикагель, используемый как осушитель и адсорбент.

Элементы подгруппы германия - германий Ge, олово Sn и свинец Рb - полные электронные аналоги. В соединениях эти элементы проявляют степени окисления +2 и +4. Для германия наиболее характерна степень окисления +4, для свинца +2, для олова - в одинаковой мере +2 и +4, хотя производные олова (IV) более устойчивы.

В ряду Ge-Sn-Pb усиливаются металлические свойства простых веществ. Германий - серебристо-белое вещество с металлическим блеском, полупроводник. Олово полиморфно: в обычных условиях при температуре выше 14°С оно существует в виде β–модификации (белое олово) - серебристо-белый металл. При охлаждении белое олово переходит в α–модификацию (серое олово). Серое олово имеет алмазоподобную структуру и является полупроводником. Свинец - темно-серый металл.

В ряду стандартных электродных потенциалов германий расположен после водорода, а олово и свинец - непосредственно перед водородом. Поэтому германий не взаимодействует с разбавленными хлороводородной и серной кислотами. Свинец устойчив по отношению к разбавленным НС1 и H₂S0₄ благодаря образованию на его поверхности нерастворимых солей РbСl₂, PbS0₄.

Для всех трех элементов подгруппы германия известны сульфиды ЭS, нерастворимые в воде. Сульфиды ЭS получают действием сероводорода на растворы соответствующих солей, например:

SnCl₂ +H₂S = SnS↓+2HCl

В отличие от PbS, сульфиды GeS и SnS окисляются полисульфидом аммония до ЭS₂:

+2 -1 +4 -2

SnS+(NH₄)₂S₂ = SnS₂↓+(NH₄)₂S

Сульфиды ЭS₂ известны только для германия и олова – GeS₂ и SnS₂, они не растворяются ни в воде, ни в разбавленных кислотах. Сульфиды ЭS₂ проявляют кислотные свойства, взаимодействуют со щелочами и сульфидом аммония с образованием тиосолей:

3SnS₂ + 6Na0H = 2Na₂SnS₃ + Na₂Sn0₃ + 3H₂0

SnS₂ + (NH₄)₂S = (NH₄)₂SnS₃

тиостаннат аммония

Получившиеся тиосоли при действии кислот разлагаются:

(NH₄)₂SnS₃ + 2НС1 = SnS₂↓ + H₂S + 2NH₄C1

Сульфид олова (IV) при нагревании растворяется в концентрированной

хлороводородной кислоте с образованием комплексной кислоты:

SnS₂ + 6НС1 = H₂[SnCl₆] + 2H₂S