Нахождение в природе

Общая характеристика элементов IVА группы

К р² элементам относятся углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb).

Электронная конфигурация валентного уровня атомов в невозбужденном состоянии ns²np², в возбужденном – ns¹np³. Характерными степенями окисления элементов 4А группы являются +2, +4, -4. Углерод и кремний наиболее устойчивы в степени окисления +4, а германий, олово и свинец - в степени окисления +2.

Сверху вниз в подгруппе неметаллические свойства ослабевают, металлические усиливаются. Первые два элемента: углерод и кремний – типичные неметаллы, германий проявляет амфотерные свойства, олово и, особенно, свинец – типичные металлы.

От углерода к свинцу ослабляются окислительные и усиливаются восстановительные свойства атомов, что видно из значений сродства к электрону и потенциала ионизации.

Таблица.

Нахождение в природе

Углерод единственный из элементов IVА подгруппы, который встречается в природе в свободном состоянии – в виде алмаза и графита. Он является основной составной частью всех полезных ископаемых: каменного угля, нефти, природного газа. Кроме этого, в земной коре он содержится в виде карбонатов. Основными минералами углерода являются: мел, мрамор, известняк СаСО₃, доломит MgCO₃·CaCO₃, малахит (CuOH)₂CO₃. Природная вода содержит гидрокарбонаты кальция и магния Са(НСО₃)₂ и Mg(НCO₃)₂. В виде углекислого газа СО₂ (0,03% об.) углерод входит в состав воздуха.

Углерод – главный элемент биосферы: он составляет основу всех органических веществ. Так, в тканях животных его содержится около 63%, а в растениях до 45%.

Углерод образует несколько аллотропных модификаций:

- Алмаз – прозрачное бесцветное кристаллическое вещество, характеризующееся самой высокой твердостью и способностью преломлять свет.

- Графит – черное или темно-серое, жирное на ощупь, имеющее слабый металлический блеск кристаллическое вещество, обладающее тепло- и электропроводимостью. Графит имеет слоистое строение.

- Карбин – черный мелко-кристаллический порошок, полупроводник. Вещество имеет цепное строение молекулы, при этом в α-карбине в цепях чередуются одинарные и тройные связи – С ≡ С – С ≡ С – С ≡ С – , а в β-карбине атомы углерода связаны двойными связями: = С = С = С = С =. Карбин химически инертен. Его получают искусственным путем. В природе он встречается в виде минерала чаоита.

- Фуллерены – кристаллические вещества черного цвета с металлическим блеском, обладающие полупроводниковыми свойствами. Кристаллы фуллеренов состоят из молекул шарообразной формы с четным числом углеродных атомов С₆₀, С₆₂, С₇₀ и т. д., объединенных в правильные 5-ти и 6-тиугольники. Внутри молекулы фуллеренов полые. Они термически устойчивы до 1000ºС. Химические свойства этих веществ мало изучены. Первоначально фуллерены были получены искусственным путем из графита, в последние годы они обнаружены в природе в составе минерала шунгита.

Кремний второй после кислорода элемент земной коры. Его содержание в почве составляет 27,6% масс. В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Он входит в состав очень многих силикатов и алюмосиликатов, из которых в основном состоит земная кора, например: гранита, базальта, гнейса, глины (каолина) Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O, полевого шпата К₂О.Al₂O₃.6SiO₂, асбеста СаО.3MgO.4SiO₂, слюды.

Очень широко распространен минерал кремнезем SiO₂.