Химия элементов IVA группы

Элементы IVA группы имеют электронную формулу ns2np2. Углерод и кремний являются неметаллами, германий, олово, свинец - металлами. Для элементов характерны степени окисления +4, +2, 0, -4 и валентность 4. В возбужденном состоянии атомы имеют конфигурацию ns1np3, в этом состоянии для них характерна s1p3-гибридизация.

Свойства углерода и его соединений

Оксид углерода(II) СО является безразличным оксидом, также, как и SiO, NO, N2O. Его можно получить:

CO2 + ® 2CO или 2С + О2 ® 2СО

СО - сильный восстановитель:

3СO + Fe2O3 2Fe + 3CO2

CO + CuO Cu + CO2

CO - угарный газ - ядовит, реагирует с гемоглобином, образую карбоксигемоглобин.

Оксид углерода(IV) CO2 - углекислый газ - взаимодействует с водой, образуя слабую, неустойчивую угольную кислоту H2CO3:

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- 2H+ + CO32-

CO2 взаимодействует с основаниями, образуя карбонаты и гидрокарбонаты:

CO2 + Ca(OH)2 ® CaCO3¯ + H2O

+ CaCO3¯ + H2O ® Ca(HCO3)2

В промышленности CO2 получают при обжиге известняка CaCO3, получая негашеную известь СаО, при температуре более 950оС:

CaCO3 CO2­ + CaO

В лаборатории CO2 получают в аппарате Киппа, действуя на мрамор соляной кислотой:

CaCO3 + 2HCl ® CaCl2 + H2O + CO2­

Образующийся при этом СО2 очищают от примесей HCl и паров воды, пропуская через раствор гидрокарбоната натрия и концентрированную серную кислоту:

HCl + NaHCO3 ® NaCl + H2O + CO2

H2O + H2SO4(конц.) ® H2SO4×H2O

СО2 не горит и не поддерживает горение, его используют для тушения пожара. CaCO3 используют для известкования сильнокислых почв.

В соединениях с металлами углерод проявляет отрицательные степени окисления: Al4+3C3-4, Ca+2C2-1 и др. Ацетиленид (“карбид”) кальция CaC2 получают при высокой температуре сплавлением оксида кальция с углем. При взаимодействии с водой CaC2 образует ацетилен.

СаО + 3С CaC2 + СО

CaC2 + 2H2O ® Ca(OH)2 + C2H4

Cвойства кремния и его соединений

Кремний можно получить по реакции:

SiO2 + 2Mg ® Si + 2MgO

Кремний устойчив к кислотам (кроме смеси концентрированных HNO3 и HF), но растворим в щелочах:

Si + 2NaOH + H2O ® Na2SiO3 + 2H2­

Оксид кремния(IV) является кислотным оксидом, но, имея полимерной строение, не растворяется в воде:

SiO2 + H2O ¹

Кремниевая кислота, очень слабая и нерастворимая в воде, может быть получена при действии кислот на ее соли - силикаты:

Na2SiO3 + 2HCl ® 2NaCl + H2SiO3¯

Кремниевая кислота при сильном нагревании разлагается на оксид кремния и воду. Силикаты натрия и калия растворимы в воде, силикаты других металлов - нерастворимы.

Свойства соединений олова и свинца

Гидроксиды олова и свинца имеют амфотерные свойства. При этом в степени окисления +2 в гидроксидах преобладают основные свойства, а в степени окисления +4 - кислотные.

SnCl2 + 2NaOH ® Sn(OH)2¯ + 2NaCl

Sn(OH)2¯ + 2HCl ® SnCl2 + 2H2O

Sn(OH)2¯ + 2NaOH ® Na2[Sn(OH)4]

SnCl4 + 4NH4OH ® H2SnO3¯ + 4NH4Cl + H2O

H2SnO3¯ + 2NaOH + H2O ® Na2[Sn(OH)6]

H2SnO3¯ + 4HCl ® SnCl4 + 3H2O

Соединения Sn2+ имеют восстановительные свойства, а соединения Pb4+ - окислительные:

SnCl2 + 2FeCl3 ® 2FeCl2 + SnCl4

PbO2 + 4HCl ® PbCl2 + Cl2­ + 2H2O