Получение и исследование свойств тиосульфата натрия

Элементы IV главной подгруппы

 

Выполнила: студентка 1 курса группы х-124 Попова Валентина

 

Воронежский государственный университет инженерных технологий

Кафедра неорганической химии и химической технологии

Элементы IV главной подгруппы  

Общая характеристика подгруппы

 

 Углерод и кремний  являются типичными неметаллами, а олово и свинец – типичными  металлами. Германий занимает промежуточное  положение.

 Полными электронными  аналогами являются только германий, олово и свинец –одинаковая  электронная конфигурация и внешнего  уровня и предыдущего подуровня

 

C    2s22p2

 

Si   3s23p23d0

 

Ge  3d104s24p24d0

 

Sn  4d105s25p25d0

 

Pb  4f145d106s26p26d0

 

В направлении сверху вниз температура кипения и плавления убывает твердость по шкале Мооса уменьшается; плотность увеличивается; атомный радиус увеличивается; потенциал ионизации уменьшается. Эти элементы  проявляют валентность II и IV и имеют степень окисления -4, +4, +2.

Углерод

 

 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. Содержание углерода: в земной коре 0,48 %; в живом веществе - 18 %, древесине - 50 %, каменном угле - 80 %, нефти - 85 %, доломитах (MgCO3.CaCO3), антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С) и др. Находится в природе в виде алмаза и графита, минерала шунгит(≈25 %твердого углерода). Содержание в организме человека 21 %.

 

 В невозбужденном проявляет валентность II. При переходе в возбужденное состояние  валентность возрастает до IV.

 

Важной особенностью углерода является то, что р-орбитали его атома перекрываясь с р-орбиталями атомов  образуют прочные связи. Углерод  образует гибридные орбитали с разным числом р-электронов: sp-гибридизация - C2H2 , HCN и СО2, sp2-гибридизация  – C2H4 и COCl2, sp3-гибридизация (4-связи) –  CH4 и CCl4

Аллотропные модификации углерода

 

 Известно пять аллотропных модификаций углерода: алмаз, графит, карбин, нанотрубки и фуллерены. Графит и алмаз были обнаружены в природе давно, а карбины, нанотрубки и фуллерены впервые синтезированы в лабораториях и сведения об их наличии в природе получены в последние десятилетия. Алмаз, графит и карбин являются бесконечными системами с регулярной структурой. Фуллерены, в отличие от них,  семейство индивидуальных, полиэдрических молекул, имеющих замкнутую структуру. Внешний вид, физические и химические свойства этих модификаций резко отличаются, что определяется разным типом связей, соединяющих атомы углерода в молекулах этих веществ.

1. При  обычной температуре С инертен, при нагреве вступает в реакции  
с и кислородом, азотом, кремнием, металлами:         
 
2C   +   N2   =   C2N2;                                              C   +   Si   =   CSi (карборунд); 
 
C   +   O2   =   CO2;                                               3C   +   4Al   =   Al4C3;  
 
C   +   2S   =   CS2 (сероуглерод). 
 
2. С галогенами углерод взаимодействует косвенным путем: 
 
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl;                                          CH3Cl + Cl2 = CH2CL2 + HCl; 
 
CH2Cl2 + Cl2 = CHCl3 + HCl;                                      CHCl3 + Cl2 = CCl4 + HCl. 

 

Химические свойства углерода

  
С кислородом углерод образует два оксида (CO и CO2).  
1. СО-оксид II углерода (угарный газ) – хороший восстановитель, используется для получения металлов из оксидов:          
CuO   +   CO   =   Cu   +   CO2 
 
Легко идут реакции присоединения:                                            
CO   +   Cl2   =   COCl2 (фосген)          
CO   +   S   =   COS (серооксид углерода) 
 
В комплексных соединениях выступает лигандом:  
Ni   +   4CO   =   [Ni(CO)4]СО2 – оксид углерода IV.  
 
При высоких температурах взаимодействует с горящим магнием и аммиаком: 
Mg   +   CO2   =   2MgO   +   C  
СO2   +   2NH3   =   CO(NH2)2   +   H2O + СО2  
 
Ее соли Na2CO3, K2CO3, (NH)2CO3 – хорошо растворимы в воде. Соли получаются  взаимодействием с СО2 соответствующей щелочью или оксидом: 
CO2   +   2NaOH   =   Na2CO3   +   H2O                    
CO2   +   CaO   =   CaCO3  
 
Кислые соли получат:      
CaCO3   +   CO2   +   H2O   =   Ca(HCO3)2  
   

 

Соединения углерода

   
 
2. CS2 – тяжелая, маслянистая жидкость, ангидридом тиоугольной кислоты (получается косвенным путем, CS2 нерастворим в воде):     
 
CS2   +   Na2S   =   Na2CS3;               
 
Na2CS3   +   2HCl   =   H2CS3   +   2NaCl  
 
H2CS3 является продуктом для получения монотиоугольной кислоты H2CO2S и  дитиоугольной кислоты H2CO2S2.  
 
3. С азотом углерод образует дициан, хорошо растворимый в воде: 
 
2C   +   N2   =   (CN)2;                                    
 
(CN)2   +   4H2O   =   (NH4)2C2O4  
 
Дициан с щелочами образуют два ряда солей цианиды и ционаты:            
(CN)2   +   2KOH   =   KCN   +   KNCO   +   H2OKCN  
H2OKCN (соль цианистоводородной кислоты (цианид калия)); KNCO – соль циановой кислоты (цианат калия). Цианисто-водородная кислота HCN – бесцветная жидкость, сильнейший яд.    
 
 

4. С галогенами углерод взаимодействует косвенным путем, например по реакциям замещения: 
 
CH4   +   Cl2   =   CH3Cl   +   HСl;                     
 
CH3Cl   +   Cl2   =   CH2CL2   +   HCl;  
 
CH2Cl2   +   Cl2   =   CHCl3   +   HСl;            
 
CHCl3   +   Cl2   =   CCl4   +   HCl  
 
4. При взаимодействии углерода с металлами образуются карбиды: Me2C2, MeC2, Me4C3, Me3C, которые делятся на разлагаемые и не разлагаемые. При взаимодействии разлагаемых карбидов с водой или кислотой образуются ацетилен, метан, водород: 
 
CaC2  +   2H2O   =   Ca(OH)2   +   C2H2;   
 
Al4C3   +   12HCl   =   4AlCl3   +   3CH4;  
 
Mn3C   +   6H2O   =   3Mn(OH)2   +   CH4   +   H2

Графит:  в карандашной промышленности; смазки при особо высоких или низких температурах. 
 
Алмаз:  алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин; драгоценных камней в ювелирных украшениях.    
 
В фармакологии и медицине: производные угольной кислоты и карбоновых кислот, гетероциклы, полимеры и другие соединения. 
Углерод неотъемлемая составляющая стали (до 2,14 %) и чугуна (более 2,14 %).  
 
СО2 – инертная атмосфера при сварке металлов; в пищевой промышленности. NaHCO3, NH4HCO3 – в хлебопекарном производстве. Na2CO3, CaCO3 - в производстве моющих средств, стекла. 
 
Цианиды: в гидрометаллургии при извлечении золота из руды и производстве гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль) и гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль);  
 
CCl2F2, CCl3F, CBr3F: используются в качестве хладоагентов в холодильной технике.

 

Применение углерода

  
В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учёными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). 
По распространённости в земной коре кремний занимает 2 место. В природе кремний встречается в виде кремнезёма —SiO2(IV) (≈12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок, кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты. Отмечены факты нахождения чистого кремния в самородном виде. Имеет кристаллическую решетку как у алмаза. 

Химические свойства кремния

 

1. При высоких температурах  взаимодействует с галогенами, углеродом, некоторыми металлами:

Si + 2F2 = SiF4;                                                           Si + C = SiC (карборунд);

 

Si + 2Mg = Mg2Si (силицид).

  
С цинком, алюминием, оловом, свинцом, серебром, золотом – силициды не образуются.

 

2. Хорошо растворяется  в щелочах и плавиковой кислоте:

Si + 4NaOH = Na4SiO4 + 2H2;                                   Si + 4HF = SiF4 + 2H2;

 

SiF4 + 2HF = H2[SiF6].

 

3. Непосредственно с  водородом кремний не взаимодействует, поэтому водородные соединения  получают из силицидов:

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4 (силан) 

Силаны (Si2H6,Si3H8,Si6H14) –сильные восстановители, химически очень активны, на воздухе самовоспламеняются:

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O

 

1. SiO2 - оксид кремния (полимер), образует поликремниевые кислоты, твердое вещество (tплав = 1715оС), растворяется в плавиковой кислоте и щелочах: 
 
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O 
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 
 
2. Na2SiO3 – силикат натрия (растворимое стекло, конторский клей) в водном растворе сильно гидролизуется, соответствующую кислоту можно получить взаимодействием соли с любой кислотой: 
 
Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3 + Na2CO3  
 
Кремневую кислоту можно записывать в виде H2SiO3, правильней в виде xSiO2 ∙ yH2O, при прокаливании кислоты образуется SiO2(силикагель) в виде аморфного соединения.  

 

Химические свойства

Применение кремния

 

Технический кремний находит следующие применения:

- для металлургических производств в сплавах; раскислитель (при выплавке чугуна); модификатор свойств металлов или легирующий элемент и т. п.;

- для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния;

- для производства кремнийорганических материалов, силанов;

-для производства солнечных  батарей.

Сверхчистый кремний: для производства одиночных электронных приборов и однокристальных микросхем.

Монокристаллический кремний:  для изготовления зеркал газовых лазеров.

-для производства стекла, цемента, кирпича, фарфора, фаянса и изделий из них.

Силикатный клей: в строительстве сиккатив, пиротехнике и для склеивания бумаги.

Широко распространены силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

-силаны используются для производства силиконов, которые идут на производство высокотемпературных смазок, каучуков.

SiO2: для изготовление химической посуды, кварцевых ламп и т.п.;в качестве поглотителя влаги.

Германий

 

Открыт в 1886 году  Клеменсом Винклером при анализе минерала аргиродита Ag8GeS6. Назван в честь Германии. Германий обнаруживает ограниченную способность к образованию собственных минералов, внедряясь в кристаллические решётки других минералов. Собственные минералы германия встречаются редко, они представляют собой сульфосоли, редкие минералы (ультрабазит, ранерит, франкеит).

Изотопы: встречается пять изотопов: 70Ge (20,55 %), 72Ge (27,37 %), 73Ge (7,67 %), 74Ge (36,74 %), 76Ge (7,67 %) и два долгоживущих: 68Ge и 71Ge.

Получение: встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам и в силикатах. Германий выделяют в виде оксида GeO2, который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества:

GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.Очистка и выращивание монокристаллов германия производится методом зонной плавки.

Свинец

 

Свине́ц - обозначается символом Pb (лат. Plumbum). Простое вещество свинец — ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серого цвета.

 Самородный свинец встречается  редко, круг пород, в которых он  установлен, достаточно широк: от  осадочных пород  до ультраосновных интрузивных пород. Он входит в состав 80 различных минералов. Важнейшие из них: галенит, церусси, англезит (сульфат свинца); из более сложных — тиллит и бетехтинит, а также сульфосоли свинца — джемсонит, буланжерит. Содержится в рудах урана и тория, имея радиогенную природу. В природных условиях образует крупные залежи свинцово-цинковых или полиметаллических руд стратиформного и скарнового типа. В кларковых концентрациях свинец входит практически во все породы.

Химические свойства германия, олова и свинца

 

1. При нагревании реагируют с кислородом, серой, хлором, не реагируют с водородом, углеродом, азотом:

 

2Pb + O2 = 2PbO; 

                                                       

Ge + 2S = GeS2;

 

Sn + 2Cl2 = SnCl4

 

2.Германий и олово  с водой не взаимодействуют. Свинец  медленно растворяется в воде:

2Pb + O2 + 2H2O = 2Pb(OH)2  

3. Sn и Pb взаимодействуя с разбавленными кислотами вытесняют водород: 
 
Sn + 2HSO4p = SnSO4 + H2;                                           Sn + 2HCl = SnCl2 + H2; 
 
Pb + HCl PbCl2 + H2;

 

 

Pb + H2SO4p PbSO4 + H2  
Свинец взаимодействует с разбавленной азотной кислотой (в концентрированной пассивируется): 
 
3Pb + 8 = 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O 
 
Оловом взаимодействуют с концентрированной и разбавленной HNO3. 
 
4. Все три элемента взаимодействуют со щелочами (германий в присутствии окислителя): 
 
Sn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Sn(OH)4] + H2;            
   
Ge + 2NaOH + 2H2O2 = Na2[Ge(OH)6]  

  
 
 
1. С кислородом Ge, Sn, Pb дают два ряда оксидов и гидроксидов. GeO, SnO – черные тугоплавкие порошки, PbO – желтый порошок (свинцовый глет).Оксиды не растворимы в воде, взаимодействуют с кислотами и щелочами: 
 
SnO + 2HCl = SnCl2 + H2O 
 
SnO + 2NaOH = Na2SnO2 + H2O 
аналогично идут реакции с германием и свинцом и соли анионного типа носят названия: “германит”, “станнит”, “плюмбит", т.е. это соли германистой, оловянистой и свинцовистой кислот. 
 
2. Гидроксиды получают взаимодействием соли со щелочью: 
 
SnCl2 + 2NaOH = Sn(OH)2 + 2NaCl. 
 
При избытке щелочи гидроксиды, выпавшие в осадок растворяются: 
Sn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Sn(OH)4] 
По ряду от Ge(OH)2 до Pb(OH)2 основные свойства возрастают.  
 

 

Соединения германия,олова и свинца

3. Гидролиз солей анионного типа идет до конца: 
 
Na2PbO2 + 2H2O = 6Pb(OH)2 + 2NaOH 
 
Соли катионного типа гидролизуются только по I ступени, т.к. получающиеся основные соли выпадают в осадок: 
 
SnCl2 + H2O = SnOHCl + HCl  
 
В высшей степени окисления оксиды GeO2, SnO2 – тугоплавкие белые вещества, PbO2 – коричневого цвета. Оксиды германия и олова получают окислением металла в кислороде при нагревании. Оксид свинца по реакции: 
 
Pb(CH3COO)2 + CaOCl2 + H2O = PbO2 + CaCl2 + 2CH3COOH 
 
Все три оксида проявляют амфотерные свойства. Существует смешанный оксид свинца Pb3O4 – свинцовый сурик, нерастворимый в воде порошок красивого ярко-оранжевого цвета. При взаимодействии этого оксида с разбавленной азотной кислотой образуются двухвалентный нитрат свинца и диоксид свинца: 
 
Pb3O4 + 4HNO3 = PbO2 + 2Pb(NO3)2 + 2H2O