Реферат: Элементы IVA группы

Элементы IVA группы

1. Общая характеристика элементов IVA группы

IVA группа химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева включает в себя неметаллы (углерод и кремний), а также металлы (германий, олово, свинец). Атомы этих элементов содержат на внешнем энергетическом уровне четыре электрона (ns2np2), два из которых не спарены. Поэтому атомы этих элементов в соединениях могут проявлять валентность II. Атомы элементов IVA группы могут переходить в возбужденное состояние и увеличивать число неспаренных электронов до 4 и соответственно в соединениях проявлять высшую валентность, равную номеру группы IV. Углерод в соединениях проявляет степени окисления от -4 до +4, для остальных стабилизируются степени окисления: -4, 0, +2, +4.

В атоме углерода в отличие от всех других элементов число валентных электронов равно числу валентных орбиталей. Это одна из основных причин устойчивости связи С-С и исключительной склонности углерода к образованию гомоцепей, а также существования большого количества соединений углерода.

В изменении свойств атомов и соединений в ряду C-Si-Ge-Sn-Pb проявляется вторичная перидичность (таблица 5).

Таблица 5 - Характеристики атомов элементов IV группы

Вторичная периодичность (немонотонное изменение свойств элементов в группах) обусловлена характером проникновения внешних электронов к ядру. Так, немонотонность изменения атомных радиусов при переходе от кремния к германию и от олова к свинцу обусловлена проникновением s-электронов соответственно под экран 3d10-электронов у германия и двойной экран 4f14- и 5d10-электронов у свинца. Поскольку проникающая способность уменьшается в ряду s>p>d, внутренняя периодичность в изменении свойств наиболее отчетливо проявляется в свойствах элементов, определяемых s-электронами. Поэтому она наиболее типична для соединений элементов А-групп периодической системы, отвечающих высшей степени окисления элементов.

Углерод существенно отличается от других р-элементов группы высоким значением энергии ионизации.

Углерод и кремний имеют полиморфные модификации с разным строением кристаллических решеток. Германий относится к металлам, серебристо-белого цвета с желтоватым оттенком, но имеет алмазоподобную атомную кристаллическую решетку с прочными ковалентными связями. Олово имеет две полиморфные модификации: металлическую модификацию с металлической кристаллической решеткой и металлической связью; неметаллическую модификацию с атомной кристаллической решеткой, которая устойчива при температуре ниже 13,8 С. Свинец - темно-серый металл с металлической гранецентрированной кубической кристаллической решеткой. Изменение структуры простых веществ в ряду германий-олово-свинец соответствует изменению их физических свойств. Так германий и неметаллическое олово - полупроводники, металлическое олово и свинец проводники. Изменение типа химической связи от преимущественно ковалентной к металлической сопровождается понижением твердости простых веществ. Так, германий довольно тверд, свинец же легко прокатывается в тонкие листы.

Соединения элементов с водородом имеют формулу ЭН4: СН4 - метан, SiH4 - силан, GeH4 - герман, SnH4 - станнан, PbH4 - плюмбан. В воде нерастворимы. Сверху вниз в ряду водородных соединений уменьшается их устойчивость (плюмбан настолько неустойчив, что о его существовании можно судить только по косвенным признакам).

Соединения элементы с кислородом имеют общие формулы: ЭO и ЭO2. Оксиды CO и SiO являются несолеобразующими; GeO, SnO, PbO - амфотерные оксиды; CO2, SiO2 GeO2 - кислотные, SnO2, PbO2 - амфотерные. С повышением степени окисления кислотные свойства оксидов возрастают, основные свойства ослабевают. Аналогично изменяются и свойства соответствующих гидроксидов.

2. Углерод

Строение атома

Углерод - химический элемент второго периода IVА группы периодической системы химических элементов. Относительная атомная масса 12,0107. Электронное строение атома: 1s22s22p2. На внешней электронной оболочке атом углерода имеет 4 валентных электрона, 2 из которых не спарены.

Наличие у атома 2-х неспаренных электронов в основном состоянии определяет его валентность, равную II. Атом углерода может переходить в возбужденное состояние, в котором все валентные электроны становятся неспаренными и поэтому углерод может проявлять валентность IV. Иногда углерод в соединениях проявляет валентность III (СО). Степени окисления в соединениях изменяются в диапазоне от -4 до +4.

Химическая связь может осуществляться за счёт sp3-, sp2- и sp-гибридных орбиталей, которым соответствуют координационные числа 4, 3 и 2 (рисунок 9):

Рисунок 9 - Схема гибридизации электронных состояний:

а - образование двух sp-гибридных облаков;

б - образование трех sp2-гибридных облаков;

в - образование четырех sp3-гибридных облаков.

История открытия

Углерод (англ. Carbon, франц. Carbone, нем. Kohlenstoff) в виде угля, копоти и сажи известен человечеству с незапамятных времен; около 100 тыс. лет назад, когда наши предки овладели огнем, они постоянно имели дело с углем и сажей. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропическими видоизменениями углерода - алмазом и графитом, а также с ископаемым каменным углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одним из первых химических процессов, заинтересовавших человека. Так как горящее вещество исчезало, горение рассматривали как процесс разложения вещества, и поэтому уголь (или углерод) не считали элементом. Элементом был огонь - явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов. На рубеже XVII-XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества - невесомого флюида - флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь - это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Позже такие ученые как, Реомюр, Бергман и др., уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерода» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

В 1791 г. английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в 1751 г. французский король Франциск I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (оксид алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы.

Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза и пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Графит в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago. В 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779 г.) и будучи флогистиком счел его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2,) и большое количество флогистона. Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту. Международное название Carboneum происходит от лат. carbo (уголь). Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare - гореть. Со словом "carbo" связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Немецкое Kohlenstoff происходит от Kohle - уголь (старогерманское kolo, шведское kylla - нагревать). Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз (Diamante) происходит от древнегреческого - несокрушимый, непреклонный, твердый, а графит от греческого - пишу. В начале XIX в. старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом "углетвор" (Шерер, 1807 г.; Севергин, 1815 г.). В 1824 г. русский химик Ю.И. Соловьев ввел название углерод.

Распространение в природе

Среднее содержание углерода в земной коре составляет 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). Углерод накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18 % углерода, в древесине 50 %, в каменном угле 80 %, в нефти 85 %, антраците 96 %. Значительная часть углерода литосферы сосредоточена в известняках и доломитах. Число собственных минералов углерода - 112; исключительно велико число органических соединений углерода - углеводородов и их производных. С накоплением углерода в земной коре связано накопление и многих других элементов, сорбируемых органическим веществом и осаждающихся в виде нерастворимых карбонатов и т.д. По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), т.к. эти ископаемые - основные источники энергии.

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

Для углерода характерна аллотропия. Аллотропными модификациями являются: алмаз, графит, карбин, фуллерен, графен.

Алмаз

Алмаз - кристаллическое вещество с атомной координационной кубической решеткой (рисунок 10):

Рисунок 10 - Структура алмаза

Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации, поэтому каждый атом в алмазе образует равноценные прочные у-связи с четырьмя соседними. Это обуславливает исключительную твердость и отсутствие электронной проводимости в обычных условиях (?Е = 5,7 эВ). О жесткой структуре алмаза свидетельствует также небольшое значение энтропии алмаза - всего 2,4 Дж/(К•моль).

Известна модификация алмаза с гексагональной структурой - Лонсдейлит или алмаз гексагональный. Эта модификация была открыта в 1967 г. Впервые извлечён из метеорита в кратере в штате Аризона и описан в журнале Nature. Доказано, что специально обработанный лонсдейлит тверже алмаза на 58 %. Назван в честь Кэтлин Лонсдейл, британского кристаллографа.

Кристаллическая решетка лонсдейлита полностью состоит из атомов углерода. Как и у алмаза, атомы углерода в лонсдейлите находятся в состоянии sp3-гибридизации. Алмаз и лонсдейлит имеют одинаковые валентные углы, которые равны 109 ° 28 ?, длины связей у них равны 0,1545 нм, а координационное число - 4. Элементарная ячейка алмаза содержит восемь атомов углерода, а лонсдейлита - четыре. Решетки алмаза и лонсдейлита отличаются способом упаковки. Для лонсдейлита характерна двухслойная упаковка типа (…АВАВ…), где каждый последующий тетраэдрический слой повернут на 60° по отношению к предыдущему (рисунок 11). Для алмаза - трехслойная типа (…АВСАВС…), где все слои построены из одинаковых координационных тетраэдров (рисунок 12).

Рисунок 11 - Упаковка слоев лонсдейлита

Рисунок 12 - Упаковка слоев алмаза

Лонсдейлит относится к химическому классу металлоидов. Плотность лонсдейлита - 3,51 г/смі; не радиоактивен. Оптические свойства: прозрачный, коэффициент преломления от 2,40 до 2,41.

Огранённый алмаз (бриллиант) уже многие столетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на рынке драгоценностей. Подавляющая часть природных алмазов используется для производства бриллиантов.

Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счёт кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных плёнок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т.д.