Химия и биологическая роль элементов IV A-группы

Содержание

 

1 Общая характеристика, краткие  сведения об истории открытия элементов и их распространённости в природе……………………………………………………2

2 Изменения в группе величины радиусов атомов и ионов, потенциала ионизации……………………………………………………………………………….7

3 Сравнение химических свойств простых веществ…………………………..8

4 Свойства соединений  углерода: карбиды, галогениды, сероуглерод,  оксиды………………………………………………………………………………….16

5 Свойства соединений кремния: силициды, галогениды, силаны…………28

6 Качественные реакции  на ионы СО₃ ^2- (с минеральными кислотами), CN^- (с нитратом серебра), Pb²⁺ (с хроматом калия)………………………………… ……33

7 Зависимость свойств  силикатных и боросиликатных стёкл от состава, их использование в медицине…………………………………………………………...34

8 Алюмосиликаты……………………………………………………………   35

9 Свойства соединений германия, олова и свинца в степени окисления +2 и +4 (оксиды)………………………………………………………………………………..38

10 Медико-биологическое значение  элементов……………………..............43     

11 Список использованной  литературы……………………………………..46

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Краткая характеристика элементов

В главную подгруппу IV группы  периодической системы входят элементы: углерод, кремний, германий, олово и свинец. Углерод и кремний являются типичными неметаллами, а олово и свинец – типичными металлами. Германий занимает промежуточное положение. При обычных температурах он полупроводник, имеет атомную кристаллическую решётку и очень хрупок, проявляет неметаллические свойства. Однако при повышенных температурах германий приобретает характерные металлические свойства, такие как пластичность и высокую электропроводность.

УГЛЕРОД

 

Углерод (латинское Carboneum), C, элемент IV группы главной подгруппы II-го периода периодической системы Д.И.Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Углерод открыт, как элемент, А.Лавуазье в 1787 г. Известны два стабильных изотопа ¹²С (98,89 %) и ¹³С (1,11 %). Из радиоактивных изотопов наиболее важен ¹⁴С с периодом полураспада Т_1/2= 5,6 ^.10³ лет. Небольшие количества ¹⁴С (около 2^.10^-10 % по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота ¹⁴N. По удельной активности изотопа ¹⁴С в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. И в научных исследованиях изотоп ¹⁴С широко используется в качестве изотопного индикатора. Углерод – типичный неметалл.

Среднее содержание углерода в земной коре составляет 0,48 % по массе. Углерод накапливается в верхней  части земной коры – атмосфере  и биосфере: его содержание в живом  веществе - 18 %, древесине - 50 %, каменном угле - 80 %, нефти - 85 %, антраците - 96 %. Значительная часть углерода литосферы сосредоточена в известняках (СаСО₃), доломитах (MgCO₃^.CaCO₃) и других карбонатных породах. Огромное количество СО₂ выделяется при сжигании топлива. Свыше 90 % потребляемой в мире энергии вырабатывается из органического топлива.

 

КРЕМНИЙ  

Кремний - второй элемент по распространенности на Земле после кислорода. Масса земной коры (литосферы) более чем на четверть (27.6%) состоит из кремния. Известно более 400 минералов - это разнообразные силикатные породы, основу которых составляет диоксид кремния. Наиболее часто встречаются формы кремнезема (SiO₂×nH₂O) с различным содержанием воды. Академик А. Е. Ферсман писал: “Самые разнообразные предметы - прозрачный шар, сверкающий на солнце чистотой холодной ключевой воды, красивый, пестрого рисунка агат, яркой игры многоцветный опал, чистый песок на берегу моря, тонкая, как шелковинка, нитка из плавленого кварца или жаропрочная посуда из него, красиво ограненные груды горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, наконечник стрелы древнего человека… все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода”.

Элементарный  кремний. Несмотря на распространенность в природе, этот элемент был открыт сравнительно поздно. В 1825 г. выдающийся шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус сумел выделить не очень чистый аморфный кремний в виде коричневого порошка при восстановлении газообразного тетрафторида кремния металлическим калием:

 

                                           SiF₄ + 4K Þ Si + 4KF.

                                             Германий

Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный Германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент экасилицием из-за близости свойств его с кремнием. В 1886 году немецкий химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите новый элемент, который назвал Германием в честь своей страны; Германий оказался вполне тождествен экасилицию. До второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство Германия возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.

Общее содержание Германий в земной коре 7·10^-4% по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu₂(Cu, Fe, Ge, Zn)₂ (S, As)₄, аргиродит Ag₈GeS₆, конфильдит Ag₈(Sn, Ge)S₆ и другие. Основная масса Германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых оксидных минералах (хромите, магнетите, рутиле и других), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Олово

Олово (лат. Stannum), Sn, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 50, атомная масса 118,69; белый блестящий металл, тяжелый, мягкий и пластичный. Элемент состоит из 10 изотопов с массовыми числами 112, 114-120, 122, 124; последний слабо радиоактивен; изотоп ¹²⁰Sn наиболее распространен (около 33%).

Историческая  справка. Сплавы Олова с медью - бронзы были известны уже в 4-м тысячелетии до н. э., а чистый металл во 2-м тысячелетии до н. э. В древнем мире из Олова делали украшения, посуду, утварь. Происхождение названий "stannum" и "олово" точно не установлено.

Распространение Олова в природе. Олово - характерный элемент верхней части земной коры, его содержание в литосфере 2,5·10^-4% по массе, в кислых изверженных породах 3·10^-4'%, а в более глубоких основных 1,5·10^-4%; еще меньше Олова в мантии. Концентрирование Олова связано как с магматическими процессами (известны "оловоносные граниты", пегматиты, обогащенные Оловом), так и с гидротермальными процессами; из 24 известных минералов Олова 23 образовались при высоких температурах и давлениях. Главное промышленное значение имеет касситерит SnO₂, меньшее - станнин Cu₂FeSnS₄. В биосфере Олово мигрирует слабо, в морской воде его лишь 3·10^-7% ; известны водные растения с повышенным содержанием Олова. Однако общая тенденция геохимии Олова в биосфере - рассеяние.

Свинец

Свинец (лат. Plumbum), Pb, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 82, атомная масса 207,2. Свинец - тяжелый металл голубовато-серого цвета, очень пластичный, мягкий (режется ножом, царапается ногтем). Природный Свинец состоит из 5 стабильных изотопов с массовыми числами 202 (следы), 204 (1,5%), 206 (23,6%), 207 (22,6%), 208 (52,3%). Последние три изотопа - конечные продукты радиоактивных превращений ²³⁸U, ²³⁵U и²³²Th. При ядерных реакциях образуются многочисленные радиоактивные изотопы Свинца.

Историческая  справка. Свинец был известен за 6-7 тысяч лет до н. э. народам Месопотамии, Египта и других стран древнего мира. Он служил для изготовления статуй, предметов домашнего обихода, табличек для письма. Римляне пользовались свинцовыми трубами для водопроводов. Алхимики называли Свинец Сатурном и обозначали его знаком этой планеты. Соединения Свинец - "свинцовая зола" РbО, свинцовые белила 2РbСО₃·Рb(ОН)₂ применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. Когда было изобретено огнестрельное оружие, Свинец начали применять как материал для пуль. Ядовитость Свинца отметили еще в 1 веке н. э. греческий врач Диоскорид и Плиний Старший.

Распространение Свинца в природе. Содержание Свинца в земной коре (кларк) 1,6·10^-3% по массе. Образование в земной коре около 80 минералов, содержащих Свинец (главный из них галенит PbS), связано в основном с формированием гидротермальных месторождений. В зонах окисления полиметаллических руд образуются многочисленные (около 90) вторичные минералы: сульфаты (англезит PbSO₄), карбонаты (церуссит РbCO₃), фосфаты [пироморфит Рb₅(РО₄)₃Сl].

В биосфере Свинец в основном рассеивается, его мало в живом веществе (5·10^-5%), морской воде (3·10^-9%). Из природных вод Свинец отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них черных глинах и сланцах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Изменения в группе величины радиусов атомов и ионов

         Атомы углерода, кремния, германия, олова и свинца в основном состоянии имеют сходную  структуру внешнего электронного слоя и относятся к р-элементам:

C [He]2s²2p²

Si [Ne]3s²3p²3d⁰

Ge [Ar]3d¹⁰4s²4p²4d⁰

Sn [Kr]4d¹⁰5s²5p²5d⁰

Pb [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p²6d⁰

Однако полными  электронными аналогами являются только германий, олово и свинец – у  них одинаковая электронная конфигурация и внешнего уровня и предыдущего подуровня. Они обладают близкими химическими свойствами.

 Так как  число неспаренных электронов  в основном состоянии – 2, а  в валентно-возбуждённом – 4, то  основные валентности всех элементов II и IV. Начиная с кремния,  р-элементы IV группы имеют вакантные d-орбитали. Это определяет возможность образования связей по донорно-акцепторному механизму и приводит к увеличению валентности в координационных соединениях до VI. Ввиду отсутствия d-подуровня у атома углерода его валентность в соединениях не может быть более IV, и углерод, в отличие от Si, Ge, Sn и Pb, не способен образовывать комплексные соединения. Это обстоятельство, а также самый маленький размер атома и наибольшая электроотрицательность углерода объясняют, почему химические свойства этого элемента существенно отличаются не только от химических свойств германия, олова и свинца, но и от химических свойств кремния.

Благодаря своему электронному строению и  средним  значениям электроотрицательности все элементы имеют характерные степени окисления  -4, +2, +4. Как и у всех элементов главных подгрупп периодической системы, при движении сверху вниз устойчивость соединений «крайних» степеней окисления (-4 и +4) уменьшается, а степени окисления +2 увеличивается.      

 

                                         Свойства простых веществ                                                               

                                                                                       Т а б л и ц а  1

          Свойства углерода, кремния, германия, олова и свинца. 

Свойство	C	Si	Ge	Sn	Pb
Атомный радиус, нм	0,077	0,118	0,139	0,158	0,175
Плотность, г/см3	3,51 (алмаз)	2,33	5,35	b-Sn  7,29 a-Sn  5,85	11,34
Относительная электроотрицательность по шкале Полинга (по шкале Олдреда-Рохова)	2,55 (2,50)	1,90 (1,74)	2,01 (2,02)	1,96 (1,72)	2,33 (1,55)
Твёрдость по шкале  Мооса*	10	7	6,3	1,8	1,5
Температура плавления, 0С		1415	958,5	231,8	327,4
Температура кипения, 0С		3249	2700	2362	1725
Сравнительная электропроводность (Hg=1)	-	полупро- водник	полупро- водник	7,2	4,6
Потенциал ионизации, эВ: Э0 Þ Э+ + е- Э+ Þ Э2+ + е- Э2+ Þ Э3+ + е- Э3+ Þ Э4+ + е-	11,26 24,38 47,87 64,19	8,15 16,34 33,46 45,13	8,13 15,95 34,20 45,70	7,30 14,56 30,70 39,40	7,42 14,91 31,97 42,10
Стандартные ОВ потенциалы, В Э2+ + 2е- Þ Э0 ЭО2 + 4Н+ + 4е- Þ Э0 + 2Н2О ЭО2 + 4Н+ + 2е- Þ Э2+ + 2Н2О	- +0,169 -	- -0,86 -	+0,247 -0,15 -0,3	-0,14 -1,06 +0,125	-0,125 +0,666 +1,47
Валентность	(II),(III), IV	(II), IV, VI	(II), IV, VI	II, IV, VI	II, (IV), (VI)
Содержание  в земной коре, мас.%	0,48	27,6	7,0×10-4	8,0×10-3	1,6×10-3
Массовые числа  природных изотопов	12, 13	28, 29,30	74,72,70, 73, 76	120,118, 116,119, 117,124, 122,112, 114, 115	208,206, 207, 204