Общая характеристика элементов IVA- группы. Углерод и кремний

Sn, Pb: 2  6
Общая электронная формула: […] ns 2 (n–1)d

10np2

Степени окисления: –IV, 0, +II, +IV
Устойчивые ст.ок.: С, Si, Ge, Sn: +IV
(PbIV – сильн.окисл.). Уст. ст.ок.: Pb: +II

карбин (sp), фуллерены (sp2 + sp3) .
Фрагменты кристаллических решеток алмаза

(слева) и лонсдейлита справа. Обе полиморфные модификации - sp3

г/см3.
Крист. решетка атомная (sp3-гибридизация).
Выше 1200 С переходит в графит.

При прокаливании на воздухе сгорает.

Кимберлитовые трубки

карбин (sp), фуллерен.
Структура графита (справа), и одна из реакций окисления

графита (слева)

С + H2O + O 

г/см3, электропроводен, устойчив.
Типичный восст-ль (реагирует с водородом, кислородом, фтором, серой,

металлами).
Кристаллическая решетка слоистая (sp2-гибридизация).

графит (sp2), карбин (sp), фуллерен.
Структура графита (справа), и нанотрубок (в

центре) и карбина (слева)

n Cu2C2 + 4n FeCl3  2n CuCl2 + 4n FeCl2 + (-CC-)n

карбин (sp), фуллерен.
Структура фуллеренов: слева направо:
C60, C60@U, C70
C60@U –

пример соединений включения в фуллерены

г/см3; выше 2300 С переходит в графит.
Простые вещества. Углерод.

Фуллерены

Фуллерен: С60 и С70 (полые сферы), темно-окрашенный порошок, полупроводник, т. пл. 500-600 C, плотность 1,7 г/см3 (С60).

уст.
SnO2(т) уст.
PbO2(т) с.окисл.
+2

CO
SiO
GeO
SnO (?)
PbO уст.

тяжелее воздуха, умеренно растворим в воде (при комн. т-ре в

1 л воды – около 1,7 л CO2).
В тв. сост. («сухой лёд») – молекулярная крист. решетка; т. возгонки –78 С, т.пл. –57 С (р = 5 атм).

sp-гибридизация

легче воздуха, малорастворим в воде, т.кип. –191,5 С, ядовит («угарный

газ»).
Восстановительные свойства (t):
4CO + Fe3O4 = 3Fe + 4CO2
(пирометаллургия)

CO
: C ::: O
Обнаружение:
PdCl2 + CO + H2O =

Pd + CO2 + 2HCl
I2O5 + 5CO = I2 + 5CO2

проявляются в следующем. В идеальном кристалле можно ввести три вектора

трансляций a, b и c так, что физические свойства кристалла в некоторой произвольно выбранной точке r точно воспроизводятся в любой другой точке r′ удовлетворяющей условию

r = r′ + T = r′ + n1a + n2b + n3c, (*)

где n1, n2, n3 − произвольные целые числа. Совокупность точек r, определяемая выражением (*), при различных n1, n2, n3 дает кристаллическую решетку, которая является геометрическим образом регулярного периодического расположения атомов в пространстве.

качестве ребер векторы a, b и c, называется элементарной ячейкой

кристалла. Перемещение в пространстве ячейки как целого, описываемое вектором


T = n1a + n2b + n3c,


называется трансляцией. Вектор трансляции связывает любые две соответственные точки кристаллической решетки. Посредством операций трансляции элементарной ячейкой можно заполнить все пространство кристаллической структуры. Такое свойство кристалла называется трансляционной симметрией.

(выше), вид кристалла b - кварца (он же – горный

хрусталь и его структура (справа)

H3O+
SiO2 + OH-  H2O + SiO44-, SiO32-, SiO56-, Si2O52-

и т.д.

Различные типы силикатов:
А-Г – островные силикаты, Д, Е – силикаты с непрерывными цепочками тетраэдров SiO4,
Ж – поясные силикаты,
З – листовые силикаты,
И – каркасные структуры.
Черный кружок – Si, белый – О.

же – силикаты…
Самые древние минералы – оливины.
(Mg1-xFex)2SiO4 – оливин

(хризолит) MII2SiO4
Mg2SiO4 – форстерит, Fe2SiO4 – фаялит

Рингвудит – фаза (Mg1-xFex)2SiO4 высокого давления

Образец оливина и его кристаллическая
структура (островной силикат).

катионное замещение MII2 на
MIMIII (например, сподумен LiAlSi2O6)
Пироксены – чуть менее

древние, чем оливины, это цепочечные силикаты

Энстатит Mg2Si2O6 и ферросилит Fe2Si2O6 – крайние члены ряда Mg-Fe пироксенов.

Структура пироксена (слева) и оливина (справа)

Fe, Mg
Ca-плагиоклаз: СaAl2Si2O8
M7[Si4O12]2
Na-плагиоклаз: NaAlSi3O8

серпентин монтмориллонит
2MII2SiO4 + HOH  MII2Si2O6 + 2MII(OH)2
MII2Si2O6 + MII(OH)2

+ HOH  M3Si2O5(OH)4
Серпентин (Змеевик)

Конечный продукт гидролиза оливинов,
Пироксенов и серпентинов –
монтмориллонит
(MII, I)0,33(MII, III)2(Si4O10)(OH)2·nH2O

Образец серпентина

для силикатов:
Самые древние силикаты – наиболее “основные”; “Кислотная составляющая” возрастала

с течением времени;
Самые древние силикаты – наиболее восстановленные; окислительная природа также возрастала с течением времени;
Вода (и возможность гидролиза) появились не сразу; продукты гидролиза в древних силикатах всегда вторичны
Наиболее сложные структуры (амфиболы, биотиты) – всегда новые. И именно эти структуры наиболее подходят для укрытий (а по ряду теорий – и для зарождения жизни).

(слева и справа)

Э—Э—Э—Э—Э) в ряду
C Si

Ge Sn Pb

Получение: Mg2Э + 4HClaq = ЭH4 +2MgCl2

Ge + H3O+ 
Sn, Pb + H2O 

Sn + H3O+

 Sn2+ + H2
Pb + H3O+  Pb2+ + H2

+ 8OH– –4e – = SiO44– + 4H2O
2H2O + 2e

– = H2 + 2OH–
Ge + 2KOH + 2H2O2 = K2[Ge(OH)6]
Ge + 6OH– –4e – = [Ge(OH)6]2–
H2O2 + 2e – = 2OH–
Sn + NaOH + 2H2O = Na[Sn(OH)3] + H2
Sn + 3OH– –2e – = [Sn(OH)3]–
2H2O + 2e – = H2 + 2OH–

Химические свойства

H2 (Sn, Pb)
Э2+ + H2 (Sn, Pb)
CO2, Pb2+, SnO2 ·

nH2O

Sn2+, Pb2+

+ 8H2O
Si + 4NaOH = Na4SiO4 + 2H2

Получение кремния
SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si
SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl (кремний ос.ч.)

Кремний

SiO2 + 4Mg(изб) = Mg2Si + 2MgO

(силицид магния)
Mg2Si + 4H2O = 2Mg(OH)2 + SiH4
Mg2Si + 4H3O+ = 2Mg2+ + 4H2O + SiH4

Водородные соединения SinH2n+2 (силаны)

Видео: магниетермия и получение силана

6HF (изб.) = H2[SiF6] + 2H2O (гексафторосиликат водорода)

n  300)
дикремниевая к-та H6Si2O7 трикремниевая к-та H6Si3O10, тетраметакремниевая

к-та (H2SiO3)4, полиметакремниевая к-та (H2SiO3)n

GeO2 . nH2O





H4SiO4 Kк 10–10

H2GeO3 Kк 10–9

Na4SiO4(р) + 2CO2 + 2H2O = H4SiO4 + 2Na2CO3
Na2CO3 + SiO2(т) = Na2SiO3(т) + CO2 (сплавление)

части (без иллюстративного материала)