Химия и биологическая роль элементов IV A-группы

Уникальная  способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений Углерода, изучаемых органической химией.

В соединениях  углерод проявляет степени окисления -4; +2; +4. Атомный радиус 0,77Å, ковалентные радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус С^4-2,60Å, С⁴⁺ 0,20Å. При обычных условиях Углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: "аморфный" Углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300-500 °С, 600-700 °С и 850-1000 °С с образованием оксида углерода (IV) СО₂ и оксида углерода (II) СО.

           В соединениях Кремний (аналогично углероду) 4-валентен. Однако, в отличие от углерода, Кремний наряду с координационным числом 4 проявляет координационное число 6, что объясняется большим объемом его атома (примером таких соединений являются кремнефториды, содержащие группу [SiF₆]^2-).

Химическая  связь атома Кремния с другими  атомами осуществляется обычно за счет гибридных sр³-орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти (вакантных) 3d-орбиталей, особенно когда Кремний является шестикоординационным. Обладая малой величиной электроотрицательности, равной 1,8 (против 2,5 у углерода; 3,0 у азота и т. д.), Кремний в соединениях с неметаллами электроположителен, и эти соединения носят полярный характер. Большая энергия связи с кислородом Si - О, равная 464 кДж/молъ (111 ккал/молъ), обусловливает стойкость его кислородных соединений (SiO₂ и силикатов). Энергия связи Si - Si мала, 176 кДж/молъ (42 ккал/моль); в отличие от углерода, для Кремния не характерно образование длинных цепей и двойной связи между атомами Si. На воздухе Кремний благодаря образованию защитной оксидной пленки устойчив даже при повышенных температурах. В кислороде окисляется начиная с 400 °С, образуя оксид кремния (IV) SiO₂. Известен также оксид кремния (II) SiO, устойчивый при высоких температурах в виде газа; в результате резкого охлаждения может быть получен твердый продукт, легко разлагающийся на тонкую смесь Si и SiO₂. Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. Кремний реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании с образованием соединений общей формулы SiX₄. Водород непосредственно не реагирует с Кремнием, и кремневодороды (силаны) получают разложением силицидов (см. ниже). Известны кремневодороды от SiH₄ до Si₈H₁₈ (по составу аналогичны предельным углеводородам). Кремний образует 2 группы кислородсодержащих силанов - силоксаны и силоксены. С азотом Кремний реагирует при температуре выше 1000 °С, Важное практическое значение имеет нитрид Si₃N₄, не окисляющийся на воздухе даже при 1200 °С, стойкий по отношению к кислотам (кроме азотной) и щелочам, а также к расплавленным металлам и шлакам, что делает его ценным материалом для химической промышленности, для производства огнеупоров и других. Высокой твердостью, а также термической и химической стойкостью отличаются соединения Кремния с углеродом (карбид кремния SiC) и с бором (SiB₃, SiB₆, SiB₁₂). При нагревании Кремний реагирует (в присутствии металлических катализаторов, например меди) с хлорорганическими соединениями (например, с СН₃Сl) с образованием органогалосиланов [например, Si(СН₃)₃Cl], служащих для синтеза многочисленных кремнийорганических соединений.

Кремний образует соединения почти со всеми металлами - силициды (не обнаружены соединения только с Bi, Tl, Pb, Hg). Получено более 250 силицидов, состав которых (MeSi, MeSi₂, Me₅Si₃, Me₃Si, Me₂Si и других) обычно не отвечает классическим валентностям. Силициды отличаются тугоплавкостью и твердостью; наибольшее практическое значение имеют ферросилиций (восстановитель при выплавке специальных сплавов, см. Ферросплавы) и силицид молибдена MoSi₂ (нагреватели электропечей, лопатки газовых турбин и т. д.).

      Химические свойства Германия. В химические соединениях Германий обычно проявляет валентности 2 и 4, причем более стабильны соединения 4-валентного Германия. При комнатной температуре Германий устойчив к действию воздуха, воды, растворам щелочей и разбавленных соляной и серной кислот, но легко растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Азотной кислотой медленно окисляется. При нагревании на воздухе до 500-700°С Германий окисляется до оксидов GeO и GeO₂. Оксид Германия (IV) - белый порошок с t_пл 1116°C; растворимость в воде 4,3 г/л (20°С). По химическиv свойствам амфотерна, растворяется в щелочах и с трудом в минеральных кислотах. Получается прокаливанием гидратного осадка (GeO₃·nH₂O), выделяемого при гидролизе тетрахлорида GeCl₄. Сплавлением GeO₂ с других оксидами могут быть получены производные германиевой кислоты - германаты металлов (Li₂GeO₃, Na₂GeO₃ и другие) - твердые вещества с высокими температурами плавления.

При взаимодействии Германия с галогенами образуются соответствующие тетрагалогениды. Наиболее легко реакция протекает с фтором и хлором (уже при комнатной температуре), затем с бромом (слабое нагревание) и с иодом (при 700-800°С в присутствии СО). Одно из наиболее важных соединений Германия тетрахлорид GeCl₄ - бесцветная жидкость; t_пл -49,5°С; t_кип 83,1°С; плотность 1,84 г/см³ (20°С). Водой сильно гидролизуется с выделением осадка гидратированного оксида (IV). Получается хлорированием металлического Германия или взаимодействием GeO₂ с концентрированной НСl. Известны также дигалогениды Германия общей формулы GeX₂, монохлорид GeCl, гексахлордигерман Ge₂Cl₆ и оксихлориды Германия (например, СеОСl₂).

Сера энергично взаимодействует  с Германием при 900-1000°С с образованием дисульфида GeS₂ - белого твердого вещества, t_пл 825°С. Описаны также моносульфид GeS и аналогичные соединения Германия с селеном и теллуром, которые являются полупроводниками. Водород незначительно реагирует с Германием при 1000-1100°С с образованием гермина (GeH)_Х - малоустойчивого и легко летучего соединения. Взаимодействием германидов с разбавленной соляной кислотой могут быть получены германоводороды ряда Ge_nH_2n+2 вплоть до Ge₉H₂₀. Известен также гермилен состава GeH₂. С азотом Германий непосредственно не реагирует, однако существует нитрид Gе₃N₄, получающийся при действии аммиака на Германий при 700-800°С. С углеродом Германий не взаимодействует. Германий образует соединения со многими металлами - германиды.

Известны многочисленные комплексные соединения Германия, которые приобретают все большее значение как в аналитической химии Германия, так и в процессах его получения. Германий образует комплексные соединения с органическими гидроксилсодержащими молекулами (многоатомными спиртами, многоосновными кислотами и другими). Получены гетерополикислоты Германия. Так же, как и для других элементов IV группы, для Германия характерно образование металлорганических соединений, примером которых служит тетраэтилгерман (С₂Н₅)₄Ge₃.

Химические свойства Олова. В соответствии с конфигурацией внешних электронов атома 5s²5р² Олово имеет две степени окисления: +2 и +4; последняя более устойчива; соединения Sn (II) - сильные восстановители. Сухим и влажным воздухом при температуре до 100 °С Олово практически не окисляется: его предохраняет тонкая, прочная и плотная пленка SnO₂. По отношению к холодной и кипящей воде Олово устойчиво. Стандартный электродный потенциал Олова в кислой среде равен -0,136 в. Из разбавленных НCl и H₂SO₄ на холоду Олово медленно вытесняет водород, образуя соответственно хлорид SnCl₂ и сульфат SnSO₄. В горячей концентрированной H₂SO₄ при нагревании Олово растворяется, образуя Sn(SO₄)₂ и SO₂. Холодная (0°С) разбавленная азотная кислота действует на Олово по реакции:

4Sn + 10HNO₃ = 4Sn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

При нагревании с концентрированной HNO₃ (плотность 1,2-1,42 г/мл) Олово окисляется с образованием осадка метаоловянной кислоты H₂SnO₃, степень гидротации которой переменна:

3Sn + 4HNO₃ + n H₂O = 3H₂SnO₃·nH₂O + 4NO.

При нагревании Олова в  концентрированных растворах щелочей выделяется водород и образуется гексагидростаниат:

Sn + 2KOH + 4H₂O = K₂[Sn(OH)₆] + 2H₂.

Кислород воздуха пассивирует  Олово, оставляя на его поверхности  пленку SnO₂. Химически оксид (IV) SnO₂ очень устойчив, а оксид (II) SnO быстро окисляется, его получают косвенным путем. SnO₂ проявляет преимущественно кислотные свойства, SnO - основные.

С водородом олово непосредственно  не соединяется; гидрид SnH₄образуется при взаимодействии Mg₂Sn с соляной кислотой:

Mg₂Sn + 4HCl = 2MgCl₂ + SnH₄.

Это бесцветный ядовитый газ, t_кип -52 °С; он очень непрочен, при комнатной температуре разлагается на Sn и H₂ в течение нескольких суток, а выше 150°С - мгновенно. Образуется также при действии водорода в момент выделения на соли Олова, например:

SnCl₂ + 4HCl + 3Mg = 3MgCl₂ + SnH₄.

С галогенами олово  дает соединения состава SnX₂ и SnX₄. Первые солеобразны и в растворах дают ионы Sn²⁺, вторые (кроме SnF₄) гидролизуются водой, но растворимы в неполярных органических жидкостях. Взаимодействием Олова с сухим хлором (Sn + 2Cl₂ = SnCl₄) получают тетрахлорид SnCl₄; это бесцветная жидкость, хорошо растворяющая серу, фосфор, иод.

Тетрагалогениды SnX₄ образуют комплексные соединения с Н₂О, NH₃, оксидами азота, РСl₅, спиртами, эфирами и многими органическими соединениями. С галогеноводородными кислотами галогениды Олова дают комплексные кислоты, устойчивые в растворах, например H₂SnCl₄ и H₂SnCl₆. При разбавлении водой или нейтрализации растворы простых или комплексных хлоридов гидролизуются, давая белые осадки Sn(OH)₂ или Н₂SnО₃·nН₂О. С серой Олово дает нерастворимые в воде и разбавленных кислотах сульфиды: коричневый SnS и золотисто-желтый SnS₂.

Химические свойства Свинца. Конфигурация внешних электронных оболочек атома Pb 6s²6р², в соответствии с чем он проявляет степени окисления +2 и +4. Свинец сравнительно мало активен химически. Металлический блеск свежего разреза Свинца постепенно исчезает на воздухе вследствие образования тончайшей пленки РbО, предохраняющей от дальнейшего окисления.

С кислородом образует ряд  оксидов Рb₂О, РbО, РbО₂, Рb₃О₄ и Рb₂О₃.

В отсутствие О₂ вода при комнатной температуре на Свинец не действует, но он разлагает горячий водяной пар с образованием оксида Свинца и водорода. Соответствующие оксидам РbО и РbО₂ гидрооксиды Рb(ОН)₂ и Рb(ОН)₄ имеют амфотерный характер.

Соединение Свинца с водородом  РbН₄ получается в небольших количествах при действии разбавленной соляной кислоты на Mg₂Pb. PbH₄ - бесцветный газ, который очень легко разлагается на Pb и Н₂. При нагревании Свинец соединяется с галогенами, образуя галогениды РbХ₂ (X -галоген). Все они малорастворимы в воде. Получены также галогениды РbХ₄: тетрафторид PbF₄ - бесцветные кристаллы и тетрахлорид РbСl₄- желтая маслянистая жидкость. Оба соединения легко разлагаются, выделяя F₂ или Cl₂; гидролизуются водой. С азотом Свинец не реагирует. Азид свинца Pb(N₃)₂ получают взаимодействием растворов азида натрия NaN₃ и солей Рb (II); бесцветные игольчатые кристаллы, труднорастворимые в воде; при ударе или нагревании разлагается на Pb и N₂ со взрывом. Сера действует на Свинец при нагревании с образованием сульфида PbS - черного аморфного порошка. Сульфид может быть получен также при пропускании сероводорода в растворы солей Pb (II); в природе встречается в виде свинцового блеска - галенита.

В ряду напряжений Pb стоит выше водорода (нормальные электродные  потенциалы соответственно равны -0,126 в для Рb = Рb²⁺ + 2е и +0,65 в для Pb = Pb⁴⁺ + 4е). Однако Свинец не вытесняет водород из разбавленной соляной и серной кислот, вследствие перенапряжения Н₂ на Pb, а также образования на поверхности металла защитных пленок трудно-растворимых хлорида РbCl₂ и сульфата PbSO₄. Концентрированные H₂SO₄ и НCl при нагревании действуют на Pb, причем получаются растворимые комплексные соединения состава Pb(HSO₄)₂ и Н₂[РbCl₄]. Азотная, уксусная, а также некоторые органических кислоты (например, лимонная) растворяют Свинец с образованием солей Рb (II). По растворимости в воде соли делятся на растворимые (ацетат, нитрат и хлорат свинца), малорастворимые (хлорид и фторид) и нерастворимые (сульфат, карбонат, хромат, фосфат, молибдат и сульфид). Соли Pb (IV) могут быть получены электролизом сильно подкисленных H₂SO₄ растворов солей Рb (II); важнейшие из солей Pb (IV)- сульфат Pb(SO₄)₂ и ацетат Рb(С₂Н₃О₂)₄. Соли Pb (IV) склонны присоединять избыточные отрицательные ионы с образованием комплексных анионов, например, плюмбатов (РbО₃)^2- и (РbО₄)^4-, хлороплюмбатов (РbCl₆)^2-, гидроксоплюмбатов [Рb(ОН)₆]^2- и других. Концентрированные растворы едких щелочей при нагревании реагируют с Pb с выделением водорода и гидроксоплюмбитов типа Х₂[Рb(ОН)₄].

Свойства соединений углерода. Карбиды. С менее электроотрицательными элементами углерод   образует карбиды. В качестве простейшего ковалентного карбида можно рассматривать метан СН₄, в котором формально степень окисления углерода – 4, а водорода +1. Метан образуется при непосредственном взаимодействии углерода с водородом.

С + 2Н₂ Þ СН₄

Реакция протекает  при высокой температуре в  присутствии мелкораздробленного Ni катализатора. Метан – горючий газ без цвета, вкуса и запаха, малорастворим в воде и не реагирует с ней.

Химические свойства метана, тетраэдрической молекулы (sp³-гибридизация орбиталей атома углерода), определяются прежде всего координационной насыщенностью его молекулы, которая не способна к реакциям присоединения. Именно поэтому при нормальных условиях метан не реагирует с водой, растворами кислот и щелочей, кислородом и другими окислителями.

 Метан, как и СО₂, относится к «парниковым газам», способным поглощать длинноволновое тепловое излучение Земли. Повышение его концентрации в атмосфере также способствует глобальному потеплению, т.е. «парниковому эффекту».