Элементы ivа - группы
IVА – группу периодической системы Д.И. Менделеева составляют р – элементы: углерод, кремний, германий, олово и свинец. Атомы этих элементов на внешнем энергетическом уровне содержат по 4 электрона в состоянии s2p2, чем объясняется сходство их химических свойств.
Схема перехода атома углерода в возбужденное состояние может быть представлена так:
Подобные схемы можно отобразить и для остальных элементов группы. Из них следует, что в обычном состоянии эти элементы двухвалентны, так как их атомы имеют на внешнем уровне два неспаренных электрона.
В соединениях эти элементы проявляют степень окисления, равную +4 и –4, так как их атомы могут отдавать и принимать по четыре электрона (однако эта способность выражена слабо из-за малых размеров атомов и высокой энергии ионизации). Они проявляют также степень окисления +2, причем последняя с увеличением заряда ядра становится более характерной.
Химические связи в соединениях углерода, кремния, германия, олова (IV) и свинца (IV) носят ковалентный или преимущественно ковалентный характер, а в соединениях Sn(II) и Pb(II) - смешанный или преимущественно ионный.Олово и свинец – менее типичные и менее активные металлы, чем металлы IA-, IIA-, IIIA-групп, германий – полупроводник.
Элементы этой группы образуют оксиды типа ЭО и ЭО2, а водородные соединения - типа ЭН4. Гидраты высших оксидов углерода и кремния обладают кислотными свойствами, гидроксиды остальных элементов амфотерны, причем кислотные свойства сильнее выражены у германия, а основные у свинца. От углерода к свинцу уменьшается прочность водородных соединений ЭН4: СН4 – прочное вещество, а PbH4 в свободном виде не выделен.
Элементы IVA – группы в свободном состоянии являются восстановителями. Поскольку для них, кроме свинца, более устойчивой является степень окисления +4, то и соединения со степенью окисления +2, как и элементарные вещества, являются восстановителями, например:
Sn2+ + 6Cl- - 2e- == [SnCl6]2- (в кислой среде)
[Sn(OH)4]2- + 2OH- - 2e- = [Sn(OH)6]2- (в щелочной среде)
СO + Cl2 = COCl (фосген)
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2
Соединения же свинца (II) весьма устойчивы. Поэтому соединения свинца (IV) являются окислителями, например:
PbO2 + 4H+ + 2e- = Pb2+ + 2H2O (в кислой среде)
[Pb(OH)6]2- + 2e- = [Pb(OH)4]2- + 2OH- (в щелочной среде)
Олово хорошо растворяется в концентрированных растворах H2SO4 и HCl:
Sn + 4H2SO4 = Sn(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O
Sn + 2HCl = SnCl2 + H2
Свинец не растворяется в серной и соляной кислотах, так как покрывается пленками малорастворимых солей PbSO4 и PbCl2:
Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2
Pb + 2HCl = PbCl2 + H2
Однако с концентрированной серной кислотой образует растворимую соль – гидросульфат свинца Pb(HSO4)2 – и растворяется в такой кислоте.
Германий и олово растворяются в концентрированной азотной кислоте, образуя германиевую Н2GeO3 и оловянную H2SnO3 кислоты. Олово к тому же реагирует и с разбавленной азотной кислотой:
3Sn + 8HNO3 = 3Sn(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Свинец взаимодействует и с разбавленной, и с концентрированной азотной кислотой с образованием нитрата свинца Pb(NO3)2. Углерод и кремний не взаимодействуют с разбавленными соляной и серной кислотами, но окисляются концентрированной азотной кислотой при нагревании.
При нагревании кремний, олово и свинец растворяются в водных растворах щелочей (германий взаимодействует со щелочью лишь в присутствии окислителей):
Sn + 2KOH + 4H2O = K2[Sn(OH)6] + 2H2
Ge + 2NaOH + 2H2O2 = Na2[Ge(OH)6]
По содержанию в организме человека (21,15%) углерод относится к микроэлементам. Он входит в состав всех тканей и клеток в форме белков, жиров, углеводов, витаминов, гормонов.
Кремний относится к примесным микроэлементам. Больше всего кремния в печени, надпочечниках, волосах, хрусталике. С нарушением обмена кремния связывает возникновение гипертонии, ревматизма, язвы, малокровия.
Германий относится к микроэлементам. Биологическая роль окончательно не выяснена. Соединения германия усиливают процессы кровообращения в костном мозге. Известно также, что соединения германия малотоксичны.
Олово относится к микроэлементам. Сведения о биологической роли противоречивы. Олово попадает в организм человека с кислыми продуктами, консервированными в жестяных банках, покрытых слоем олова.
Свинец и его соединения, особенно органические, весьма токсичны. Соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Установлено, что свинец – один из элементов, присутствие которых в продуктах питания влияет на развитие кариеса. Существуют многочисленные доказательства постепенного накопления свинца в растениях и тканях животных и человека в результате повседневного загрязнения окружающей среды свинцом. С пищей, водой, атмосферным воздухом человек ежесуточно поглощает до 100 мг свинца. Безопасным для человека считают суточное поступление 0,2 – 2 мг свинца.