ВВЕДЕНИЕ
Главная подгруппа IV группы содержит шесть элементов: углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (Pb) и флеровий (Fl). Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня — ns2np2 .
С увеличением заряда ядра и атомного радиуса по группе сверху вниз уменьшается энергия ионизации, усиливаются восстановительная способность и металлические свойства. Химический характер оксидов и гидроксидов меняется от кислотных до основных.
Углерод и кремний — типичные неметаллы, олово и свинец — металлы, германий занимает промежуточное положение. Углерод и кремний образуют небольшое число соединений в двухвалентном состоянии, почти во всех устойчивых соединениях они четырехвалентны. По группе сверху вниз повышается устойчивость двухвалентного состояния и уменьшается устойчивость четырехвалентного. Соединения олова(II) проявляют восстановительные свойства, так как Sn(IV) — более устойчивое состояние олова, а соединения Pb(IV) ведут себя как сильные окислители, и более устойчивым состоянием является Pb(II). Важным свойством углерода является способность образовывать соединения в разных состояниях гибридизации — sp3 , sp2 и sp.
В большинстве устойчивых соединений кремний находится в состоянии sp3 -гибридизации.
Углерод (в виде графита) является проводником, кремний и германий — полупроводники, олово и свинец — типичные металлы.
По многообразию аллотропных модификаций углерод уникален. В зависимости от кристаллической структуры углеродные вещества обладают сильно различающимися электронными и механическими свойствами.
Алмаз — вещество, образованное прозрачными октаэдрическими кристаллами с сильным лучепреломлением.
В атомной кристаллической решетке алмаза атомы углерода находятся в состоянии sp3 -гибридизации, и каждый атом окружен четырьмя другими атомами, совместно образующими тетраэдр. Это типичная ковалентная кристаллическая структура. Алмаз не проводит электрический ток и является самым твердым из известных веществ. Гексагональный алмаз лонсдейлит имеет иную «упаковку» атомов и гораздо прочнее обычного алмаза.
Графит — серо-черное кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском, легко измельчается и истирается.
Атомы углерода в графите гибридизованы по sp2 -типу и объединены в плоские слои, образованные правильными шестиугольниками. Электроны на негибридных p-орбиталях углерода образуют π-связи, полностью делокализованные внутри слоя, и обеспечивают высокую электрическую проводимость материала. Графит считается наиболее распространенной разновидностью углерода. Полученный в 2011 г. монослой графита — графен (авторы этого открытия были удостоены Нобелевской премии) — можно рассматривать в качестве еще одной аллотропной модификации углерода.
Карбин — мелкокристаллический порошок черного цвета.
В нем атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации. Это линейный полимер, строение которого отвечает формуле ( =C= C= ) n или ( -C =C- ) n. Карбин получают химическим путем, его также можно встретить в природе в виде минерала чароита.
Таким образом, трем видам гибридизации углерода соответствуют три разновидности простых веществ.
Молекулы фуллеренов представляют собой сферы, которые образованы соединенными по ребрам правильными пяти- и шестиугольниками. Состав молекул может быть различен: C60, C70, C76 и т. д. Гибридизация атомов углерода в фуллеренах близка к sp2 .
К фуллеренам по строению примыкают нанотрубки, одностенные (е) и многостенные. Фуллерены и нанотрубки могут присоединять различные атомы и функциональные группы, и к ним проявляют повышенный интерес с точки зрения использования в химии и медицине.
Аморфный углерод — стеклообразное, не имеющее кристаллической решетки вещество. Это кокс, бурые и каменные угли, сажа, активированный уголь.
Наиболее характерные степени окисления углерода в неорганических соединениях: −4, +2, +4.
#ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДА
В промышленности используют природный углерод в виде каменного угля и продукта пиролиза каменного угля — кокса, а также в виде сажи, которую чаще всего получают пиролизом природного газа:
- CH4 t ◦ → C + 2H2↑
1. Углерод взаимодействует с неметаллами при высоких температурах:
- C + O2 (изб.) t ◦ → CO2↑
- 2C + O2 (нед.) t ◦ → 2CO↑
- C + 2H2 Ni, t ◦ → CH4↑
- C + 2S t ◦ → CS2
- 2C + N2 t ◦ → (CN)2
2. При сплавлении с металлами, а также с бором и кремнием углерод образует карбиды.
Металлы IA и IIA подгрупп образуют ионные (солеобразные) карбиды, в которых углерод проявляет отрицательные степени окисления:
- Ca + 2C t ◦ → CaC2
- 4Al + 3C t ◦ → Al4C3
- 2Mg + 3C t ◦ → Mg2C3
Такие карбиды разлагаются водой с образованием метана, ацетилена, метилацетилена или смеси углеводородов.
- CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2↓ + C2H2↑
- Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3↓ + 3CH4↑
- Mg2C3 + 4H2O → 2Mg(OH)2↓ + C3H4↑
Гидролиз карбида кальция и карбида алюминия является удобным лабораторным способом получения ацетилена и метана соответственно.
3. При высокой температуре углерод реагирует с водяным паром:
- C + H2O t ◦ → CO↑ + H2↑ (водяной газ)
4. Реагирует с кислотами-окислителями:
- C + 2H2SO4 (конц.) t ◦ → CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O
- C + 4HNO3 (конц.) t ◦ → CO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O
5. C солями кислородсодержащих кислот углерод вступает в химические реакции, связывая кислород:
- 5C + 4KNO3 t ◦ → 2K2CO3 + 3CO2↑ + 2N2↑
- 4C + BaSO4 t ◦ → BaS + 4CO↑
6. Восстанавливает металлы из их оксидов:
- CuO + C t ◦ → Cu + CO↑
Ps.: Вся информация взята из учебника В.В. Негребецкого "100 баллов по химии".