Слайд 1ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДГРУППЫ УГЛЕРОДА
Селезенев Р. В.
ЭЛЕМЕНТЫ ГЛАВНЫХ ПОДГРУПП
Слайд 2Основные минералы
бурый уголь
графит
антрацит
каменный уголь
горючий сланец
торф
Слайд 3Основные минералы
кварцевый песок
SiO2
кварц
SiO2
кремень
SiO2
ортоклаз
К[АlSi3О8]
альбит
Na[АlSi3О8]
анортит
Ca[Al2Si2O8]
Слайд 4Основные минералы
германит
Cu13Fe2Ge2S16
галенит
PbS
аргиродит
Ag8GeS6
касситерит
SnO2
станнин
Cu2FeSnS4
церуссит
PbCO3
англезит
PbSO4
Слайд 5Получение
углерод
пиролиз органического сырья
кремний
металлотермия
восстановление коксом из оксида
пиролиз силана
германий, олово, свинец
восстановление
коксом или водородом из оксидов
Слайд 6Атомные и физические свойства
Слайд 7Углерод
аллотропия
известно большое количество аллотропных модификаций углерода
α- и β графит
алмаз
лонсдейлит (гексагон.
алмаз)
карбин
фуллерены
графен
УНТ и др.
Слайд 8Углерод
химические свойства
алмаз менее активен, чем графит
графит может образовывать интеркаляты
многие из
них обладают сверхпроводимостью в диапазоне 1—4 К
Слайд 10Оксиды углерода
углерод образует оксиды CO, CO2, а также C3O2, C5O2,
C12O9 и др.
угарный газ образуется при дегидратации муравьиной или щавелевой
кислоты, при реакции угля с парами воды
в молекуле СО одна из связей образована по донорно-акцепторному механизму
СО не реагирует с водой, но с расплавленными щелочами дает формиаты. Получают дегидратацией муравьиной кислоты
обнаружить угарный газ можно по реакции с реактивом Толленса или с хлоридом платины (II)
легко вступает в реакции соединения
Слайд 11Оксиды углерода
диоксид углерода (углекислый газ) получают при горении угля, органических
веществ, при разложении карбонатов и гидрокарбонатов
в качестве химического реагента используется
редко
его основное применение связано с физическими свойствами: охлаждающий агент, газирование напитков, получение вспененных пластмасс, для создания инертной атмосферы
электрохимически восстанавливается до метанола, формиатов, оксалатов, метана и др.
используется для введения меток 14С
Слайд 12Оксиды углерода
охлаждающие смеси
Слайд 13Оксиды углерода
субоксид углерода C3O2 получается при дегидратации малоновой кислоты
молекула линейна
при
комнатной температуре полимеризуется до желтого твердого вещества, а выше 100°С
до рубиново-красного тв. вещества, растворимого в воде
легко гидратируется обратно с образованием малоновой кислоты
реагирует с аммиаком и хлороводородом с образованием производных малоновой кислоты
при фотолизе образуется C2O
Слайд 15Оксиды углерода
субоксид углерода C3O2 получается при дегидратации малоновой кислоты
молекула линейна
при
комнатной температуре полимеризуется до желтого твердого вещества, а выше 100°С
до рубиново-красного тв. вещества, растворимого в воде
легко гидратируется обратно с образованием малоновой кислоты
реагирует с аммиаком и хлороводородом с образованием производных малоновой кислоты
при фотолизе образуется C2O
Слайд 18Кислоты и оксоанионы углерода
при реакции CO2 и KOH в 86%
растворе H2O2 при —10°С получается пероксокарбонат — K2C2O6
также пероксокарбонат можно
получить при электролизе раствора карбоната при —20°С, используя высокую плотность тока
при реакции углекислого газа с надпероксидами пероксокарбонат получается как интермедиат
Слайд 19Кислоты и оксоанионы углерода
углерод образует несколько циклических оксоанионов CnOn2- (n
= 3—6)
в 1834 г. Либих, пропуская CO над калием получил
соединение K2C2O2, однако принял его за карбонил
экспериментируя с квадратной кислотой J. K. Terlouw в 1986 обнаружил в газовой фазе (HOC)2, а в 1995 Г. Майер получил это соединение при фотолизе квадратной кислоты в матрице твердого аргона (при —263,1°С)
Слайд 20Галогениды углерода
фторид углерода можно получить при взаимодействии SiC с F2
или при фторировании CO2, CO или COCl2 фторидом серы (IV)
в
промышленности получают фторированием фреонов
химически инертен по отношению к большинству веществ вплоть до 600°С
хлорид получают при реакции CS2 (кат. Fe) или CH4 (250—400 °С) с хлором
бромид получают бромированием метана или при взаимодействии CCl4 с Al2Br6 при 100°С
иодид получают при взаимодействии CCl4 с C2H5I в присутствие Al2Cl6
Слайд 22Кремний
при обычной температуре довольно инертен (не окисляется на воздухе вплоть
до 900°С)
устойчив к действию кислот, но реагирует со смесью HNO3
+ HF
хорошо растворяется в щелочах
из галогенов при н. у. реагирует только с фтором, с хлором — при 300°С, с бромом и иодом — при 500°С
Слайд 23Силициды
для элементов 11—15 групп (кроме меди) силициды неизвестны
получают:
сплавлением металлов или
гидридов металлов с кремнием
восстановлением оксидов металлов кремнием или углеродом в
присутствии SiO2
обменной реакцией
Слайд 24Силициды
свойства
силициды ЩМ и ЩЗМ подвергаются гидролизу (по-разному в зависимости от
строения)
остальные силициды водой не разлагаются, а кислотами разлагаются до силанов
реагируют
со щелочами с образованием силикатов
термически очень устойчивы
ковалентные силициды – химически стойкие и тугоплавкие вещества
Слайд 25Силаны
образуют гомологический ряд SinH2n+2
(n = 1—10) и циклические SinH2n (n = 5,
6)
впервые получены Ф. Вёлером и Г. Буффом в 1857 г. действием соляной кислоты на сплав кремния с алюминием
в 1902 А. Муассан и С. Смайлс при действии соляной кислоты на Mg2Si получили смесь Si1—Si4
чистый SiH4 получают при реакции SiCl4 или SiF4 с Li[AlH4]
Слайд 26Силаны
свойства
бесцветные газы или жидкости (с трисилана), нерастворимые в воде
горят на
воздухе, часто со взрывом
реагируют с растворами щелочей и ЩМ
при реакции
с галогенидами серебра в присутствии галогенида алюминия образуется SiH3X
Слайд 27Дигалогениды кремния
из 2-хвалентных галогенидов наиболее устойчив SiF2
Слайд 28Тетрагалогениды кремния
получают
прямым синтезом
реакцией галогенсилана с HX или X2 и др.
образуют
полимерные цепи
легко гидролизуются
Слайд 30Оксиды кремния
диоксид кремния существует во множестве форм, каждая из которых
содержит тетраэдр SiO4
при атмосферном давлении существует 3 модификации
при быстром охлаждении
жидкого SiO2 получается стеклоподобная форма (размягчается при 1470°С)
Слайд 31Оксиды кремния
SiO2 инертен почти ко всем реактивами при комнатной температуре
исключения:
HF, MeOH, F2 и др.
при 1500°С сплавляется с карбонатом натрия,
образуя «жидкое стекло»
при добавлении кислоты к нему получается силикагель
Слайд 34Цеолиты
H-ZSM-5 цеолит (Al0,08Si23,92O48)
Слайд 35Германий
по свойствам похож на кремний, но более электроположителен
германий стабилен на
воздухе и в воде
медленно растворяется в конц. HCl и HNO3,
не растворяется в разбавленных кислотах в щелочах без присутствия окислителя
с расплавами щелочей образует германаты
с расплавами ЩМ образует кластерные германиды Ge42-, Ge92- и др.
Слайд 36Гидриды германия
GeH, GeH2, GeH0,9—1,2 — в основном полимеры
получаются гидролизом Na2Ge
или CaGe
(GeH2)n — белое твердое вещество, разлагается при –33°С на
моногерман и желтый полимер (GeH)n
германы образуют гомологический ряд GenH2n+2 (n = 1—9)
по свойствам (химическим и физическим) очень напоминают силаны
Слайд 37Германы
получение
кислотный гидролиз Mg2Ge (Ge1—Ge5 + изомеры)
реакция диоксида германия с LiAlH4
или NaBH4 (Ge1—Ge3)
тихий электрический разряд через GeH4 (высшие
германы)
свойства
Слайд 38Германы
химические свойства
менее реакционноспособны, чем силаны
не самовозгораются на воздухе
не реагируют с
кислотами и щелочами (до 30%)
растворы в жидком аммиаке ведут себя
как кислоты, образуя ионы GeH3-, и реагируют со ЩМ, образуя MeGeH3 белого цвета
образуют галогенпроизводные
Слайд 39Оксиды и гидроксиды германия
германий образует 2 оксида: GeO и GeO2
монооксид
получается при нагревании германия с диоксидом до 1000°С, при восстановлении
диоксида H3PO2 в растворе HCl, при термическом разложении Ge(OH)2
стабилен при комнатной температуре, при нагревании на воздухе до 550°С окисляется
не реагирует с растворами HCl, H2SO4 и NaOH
с хлороводородом при 175°С образует GeHCl3
хлор и бром окисляют монооксид до диоксида и тетрагалогенида
Слайд 40Оксиды и гидроксиды германия
гидроксид германия (II) получается при гидролизе дигалогенидов
в виде желтого тв. вещества
диоксид образуется при гидролизе тетрахлорида, при
прямом окислении германия
существует в трех модификациях
образует большое разнообразие германат ионов: GeO32−, GeO44−, Ge2O76−, Ge3O108−, Ge5O112−, Ge5O124−, Ge6O1812−, Ge8O172− и Ge9O204−
между германатами и силикатами нет структурного сродства
Слайд 41Галогениды германия
тетрагалогениды мономерны
все галогениды GeX4 можно синтезировать из простых веществ
ил при реакции раствора HCl с GeO2
GeF4 также получается при
разложении BaGeF6
легко гидролизуются, образуя оксид и HX
в отличие от SiCl4, GeCl4 может присоединять хлорид, образуя анион
реагируя с германием конмутируют
дигалогениды легко гидролизуются
окисляются кислородом и галогенами
сильные кислоты Льюиса
Слайд 42Олово и свинец
металлы более реакционноспособны, чем германий
при комн. температурах устойчивы
на воздухе и в воде, НО свинцовый порошок пирофорен
при нагревании
на воздухе образуются SnO2 и PbO
олово растворяется в разб. HNO3, конц. HCl и H2SO4, в горячих растворах щелочей
свинец медленно раств. в HCl, быстро — в HNO3
галогены окисляют олово до 4+, а свинец — до 2+
Слайд 43Гидриды олова и свинца
SnH4 — станнан, PbH4 — плюмбан
станнан получается
при взаимодействии хлорида олова (IV) аланатом лития
образуется также при восстановлении
солей олова (II) цинком или магнием в солянокислой среде
бесцветный газ (tпл. = —146°С, tкип. = —52,5°С)
на воздухе самовозгорается и горит голубым пламенем
при комнатной температуре медленно разлагается
не взаимодействует с разбавленными кислотами и щелочами
Слайд 44Оксиды и гидроксиды олова
монооксид получается при дегидратации гидрата оксида, выпадающего
в осадок в результате щелочного гидролиза Sn2+, или при термическом
разложении оксалата
при нагревании на воздухе окисляется до диоксида, без воздуха диспропорционирует
Слайд 45Оксиды и гидроксиды олова
гидроксид олова (II) не получается в водном
растворе, вместо него выпадает гидрат состава 3SnO·H2O
получается в виде аморфного
белого вещества с использованием металлоорганики в неводных растворах
и оксид и гидроксид олова (II) амфотерны
растворяясь в щелочах дают пирамидальные ионы [Sn(OH)3]-
Слайд 46Оксиды и гидроксиды олова
диоксид образуется при прямом окислении металла или
при дегидратации гидрата оксида
нерастворим в воде и разбавленных растворах щелочей,
но легко растворяется в их расплавах
гидроксид олова (IV) неизвестен, при щелочном гидролизе образуется SnO2·H2O
Слайд 47Оксиды и гидроксиды свинца
монооксид свинца существует в двух модификациях
глет имеет
структуру SnO
образуется при прямом окислении кислородом при нагревании, НО нагревание
при 490°С приводит к образованию Pb3O4
гидроксид свинца (II) не образуется, при ↑рН растворов Pb2+ образуется [Pb6O(OH)6]4+
диоксид свинца также существует в двух модификациях
получается при окислении монооксида, например, гипохлоритами
при нагревании разлагается
проявляет кислотные свойства
Слайд 48Галогениды олова
фторид олова получается при реакции SnO с HF (40%),
состоит из тетрамеров
хлорид олова (II) можно получить при нагревании олова
в токе HCl
дигалогениды могут выступать в реакциях как кислоты Льюиса
тетрагалогениды более устойчивы
Слайд 49Галогениды олова
тетрафторид олова получается действием б/в HF на SnCl4
белые гигроскопичные
кристаллы
обладает полимерной структурой
другие галогениды можно получить прямым синтезом
они представляют собой
летучие жидкости или твердые вещества
легко гидролизуются
как кислоты Льюиса, образуют аддукты состава SnX4·2L
Слайд 50Галогениды свинца
из тетрахлоридов свинца устойчивы только фторид и хлорид
фторид —
твердый, обладает полимерной структурой
хлорид — маслянистая жидкость — получается при
действии конц. серной кислоты на гексахлороплюмбат пиридина, разлагается со взрывом на хлор и дихлорид выше 50°С
дигалогениды более устойчивы
образуются в виде осадков в обменных реакциях