Оксиды элементов IV группы.

Главную подгруппу четвертой группы периодической системы образуют пять элементов — углерод, кремний, германий, олово и свинец.

При переходе от углерода к свинцу размеры атомов возрастают. Поэтому следует ожидать, что способность к присоединению электронов, а следовательно, и неметаллические свойства будут при этом ослабевать, легкость же отдачи электронов — возрастать. Действительно, уже у германия проявляются металлические свойства, а у олова и свинца они преобладают над неметаллическими. Таким образом, только первые два члена описываемой группы являются неметаллами, германий причисляют и к металлам, и к неметаллам, олово и свинец — металлы.

Для элементов рассматриваемой группы характерны степени окисления +2 и +4.

Углерод

Углерод является типичным неметаллом. При низких температурах и уголь, и графит и, в особенности, алмаз инертны. При нагревании их активность увеличивается: уголь легко соединяется с кислородом и служит хорошим восстановителем.

С кислородом углерод образует диоксид углерода СО₂, часто называемый так-же углекислым газом, и оксид углерода (II), или монооксид углерода, СО.

Диоксид углерода СО₂ постоянно образуется в природе при окислении органических веществ (гниение растительных и животных остатков, дыхание, сжигание топлива).

В лабораториях диоксид углерода обычно получают, действуя на мрамор СаСОз соляной кислотой в аппарате Киппа:

СаСО₃ + 2НС1 = СаС1₂ + Н₂0 + С0₂ .

В промышленности большие количества диоксида углерода получают при обжиге известняка:

СаСО₃ = Са0 + С0₂

Диоксид углерода при обычных условиях — бесцветный газ, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, благодаря чему его можно переливать, как жидкость, из одного сосуда в другой. Растворимость диоксида углерода в воде невелика.

Раствор СO₂ в воде имеет кисловатый вкус и обладает слабокислой реакцией, обусловленной присутствием в растворе небольших количеств угольной кислоты Н₂СО₃, образующейся в результате обратимой реакции:

С0₂ + Н₂0 <=> Н₂СО₃ .

Таким образом, диоксид углерода является ангидридом угольной кислоты.

Равновесие последней реакции сильно сдвинуто влево, лишь очень небольшое количество растворенного С0₂ превращается в угольную кислоту.

При нагревании все карбонаты, кроме солей щелочных металлов, разлагаются с выделением С0₂. Продуктами разложения в большинстве случаев являются оксиды соответствующих металлов, например:

MgC0₃ = Mg0 + C0₂

Карбонат кальция нерастворим в воде. Поэтому известковая вода (раствор гидроксида кальция) при пропускании через нее диоксида углерода мутнеет:

Са(ОН)₂ + С0₂ = СаС0₃ + Н₂0.

Однако, если пропускать С0₂ через известковую воду долгое время, то мутная вначале жидкость постепенно светлеет и наконец становится совершенно прозрачной. Растворение происходит вследствие образования кислой соли — гидрокарбоната кальция:

СаС0₃ + Н₂0 + С0₂ = Са(НС0₃)₂ .

Оксид углерода (II), или монооксид углерода, СО — бесцветный ядовитый газ. В воде оксид углерода растворим очень мало и не вступает с ней в химическое взаимодействие.

Реакция образования оксида углерода (II) из простых веществ описывается уравнением:

С(_К) + ½ 0_2(г) = СО_(г)

Изменение стандартной энергии Гиббса в этой реакции равно —137 кДж, однако соответствующее значение в реакции

С_(К) + 0_2(г) = СО_2(к) Т

гораздо более отрицательно (—394 кДж). Поэтому при невысоких температурах уголь сгорает до СО₂, а оксид углерода, даже при недостатке кислорода, почти не образуется. Иначе обстоит дело при повышении температуры. По достижении 400—500 °С начинает протекать реакция между углем и образовавшимся диоксидом углерода:

С_(к) + С0_2(г) = 2СО_(Г)

В лабораториях оксид углерода (П) обычно получают, прибавляя муравьиную кислоту НСООН к нагретой серной кислоте. Последняя отнимает от муравьиной кислоты воду, выделяя оксид углерода (II):

НСООН = СO +H₂O.

Эта реакция показывает, что оксид углерода (II) можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты. Хотя муравьиная кислота не может быть получена непосредственно из оксида углерода (II) и воды, соли ее образуются при взаимодействии едких щелочей с оксидом углерода при 150—200°С:

NaOH + СО = HCOONa.

На воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем с выделением большого количества теплоты, превращаясь в СО2:

2СО(г) + 0₂(г) = 2С0₂(г)

Оксид углерода (II) соединяется со многими металлами, образуя карбонилы металлов, например пентакарбонил железа Fe(CO)₅, тетракарбонил никеля Ni(CO)₄. Последние два вещества представляют собой летучие, весьма ядовитые жидкости.

При повышенной температуре оксид углерода (II) — хороший восстановитель, играющий важную роль в металлургии при восстановлении металлов из их оксидов.

Кремний

Кремний образует два оксида: монооксид SiO и диоксид SiO₂.

Монооксид кремния – неустойчивое соединение, на воздухе медленно окисляется до SiO₂.

Диоксид кремния. Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния, или кремнезем, SiO₂.

Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца. Прозрачные, бесцветные кристаллы кварца, имеющие форму шестигранных призм с шестигранными пирамидами на концах, называются горным хрусталем (рис. 16.5).

Из мелких зерен кварца состоит обычный песок. Чистый песок — белого цвета, но чаще он бывает окрашен соединениями железа в желтый или красноватый цвет.

Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610 °С, превращаясь в бесцветную жидкость. По охлаждении этой жидкости получается прозрачная стекловидная масса аморфного диоксида кремния, по виду сходного со стеклом.

Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема.

Кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на диоксид кремния. Плавиковая же кислота легко вступает с ним в реакцию, образуя фторид кремния и воду.

Химические свойства различных модификаций сходны между собой.

1. Взаимодействие с металлами

Германий

Диоксид германия GeO₂ — белые кристаллы, заметно растворимые в воде, причем раствор проводит электрический ток. Получают GeO₂ различными способами; в частности, он может быть получен нагреванием германия в кислороде или окислением его концентрированной азотной кислотой.

Диоксид германия — амфотерное соединение с сильно преобладающими кислотными свойствами, вследствие чего он легко растворяется в щелочах, образуя германаты.

Олово

Оксид олова (II) SnO — темно-бурый порошок, образующийся при разложении гидроксида олова (II) Sn(OH)₂ в атмосфере диоксида углерода.

Диоксид олова Sn0₂ встречается в природе и может быть получен искусственно сжиганием металла на воздухе или окислением его азотной кислотой с последующим прокаливанием полученного продукта.

Свинец

Первая металлургическая операция при получении свинца — это обжиг, в ходе которого сульфид свинца превращается в оксид:

PbS + 30₂ = 2РbО + 2S0₂ .

Оксид свинца (II) РЬО — желтый порошок, образующийся при нагревании расплавленного свинца на воздухе.

Диоксид свинца РbО₂ — темно-бурый порошок, образующийся при действии сильных окислителей на оксид или соли свинца (II). Диоксид свинца, подобно диоксиду олова, представляет собой амфотерный оксид с преобладанием кислотных свойств.

При сплавлении диоксида свинца с оксидом кальция образуется плюмбат кальция СаРbО₃:

СаО + РЬ0₂ = СаРbО₃ .

Основные свойства диоксида свинца проявляются в образовании очень нестойких солей свинца (IV). Так, при действии на диоксид свинца соляной кислоты в первый момент образуется хлорид свинца (IV) РbСl₄, который, однако, легко отщепляет хлор, переходя в хлорид свинца (II) РЬСl₂:

РЬ0₂ + 4НС1 = РЬСl₄ + 2Н₂0;

РЬС1₄ = РЬС1₂ + С1₂

Все соединения свинца (IV) — очень сильные окислители. Практическое применение в качестве окислителя в химической промышленности имеет РЬО_2/

Билет 13