Файл: Сравнение структуры и свойств водородных соединений s и рэлементов i и iv групп.docx

Н₂ → 2Н

Н₂ + О₂ = 2ОН

Н+ О₂ = ОН+О

О+ Н₂ = ОН+ Н

ОН+ Н₂ = Н₂О + Н

Взрывного процесса удается избежать, если работать с чистым водородом.

Поскольку для водорода характерна - положительная (+1) и отрицательная (-1) степень окисления, водород может проявлять и восстановительные, и окислительные свойства.

Более сильным восстановителем является атомарный водород. Он образуется из молекулярного в электронном разряде в условиях низкого давления.

Высокой восстановительной активностью обладает водород в момент выделения при взаимодействии металла с кислотой. Такой водород восстанавливает CrCl₃ в CrCl₂:

2CrCl₃ + 2HСl + 2Zn = 2CrCl₂+ 2ZnCl₂ +H₂↑

Важное значение имеет взаимодействие водорода с оксидом азота (II):

2NO + 2H₂ = N₂ + H₂O

Используемое в очистительных системах при производстве азотной кислоты.

При взаимодействии с неметаллами водород проявляет восстановительные свойства:

Н₂ (г) + Cl₂ (г) = 2НCl (г), ΔH⁰₂₉₈= - 184 кДж;

2Н₂ (г) + О₂ (г) = 2Н₂О (г), ΔH⁰₂₉₈= - 484 кДж.

Связи Н-Сl, Н-О прочные (имеют высокую энергию), поэтому реакции взаимодействия водорода с хлором и кислородо протекают с выделением большого количества тепла.

Поэтому водород проявляет восстановительные свойства по отношению ко многим оксидам, галогенидам, например:

,

На этом основано применение водорода в качестве восстановителя для получения простых веществ из оксидов галогенидов.

В качестве окислителя водород взаимодействует с активными металлами:

;

В данном случае водород ведет себя как галоген, образуя аналогичные галогенидам гидриды.

Гидриды s-элементов I группы имеют ионную структуру типа NaCl. В химическом отношении ионные гидриды ведут себя как основные соединения.

К ковалентным относятся гидриды менее электроотрицательных, чем сам водород неметаллических элементов, например, гидриды состава SiH₄, ВН₃, СН₄. По химической природе гидриды неметаллов являются кислотными соединениями.

---

Характерной особенностью гидролиза гидридов является выделение водорода, реакция протекает по окислительно-восстановительному механизму.

Основной гидрид:

Кислотный гидрид:

За счет выделения водорода гидролиз протекает полностью и необратимо (∆Н<0, ∆S>0). При этом основные гидриды образуют щелочь, а кислотные кислоту.

Стандартный потенциал системы В. Следовательно, ион Н - сильный восстановитель.

В лаборатории водород получают взаимодействием цинка с 20% -й серной кислотой в аппарате Киппа.

Технический цинк часто содержит небольшие примеси мышьяка и сурьмы, которые восстанавливаются водородом в момент выделения до ядовитых газов: арсина SbH₃ и стабина SbH. Таким водородом можно отравиться. С химически чистым цинком реакция протекает медленно из-за перенапряжения и хорошего тока водорода получить не удается. Скорость этой реакции увеличивается путем добавления кристалликов медного купороса, реакция ускоряется за счет образования гальванической пары Cu-Zn.[9]

---

3. Структура и свойства s- и p-элементов IV группы периодической таблицы

3.1. Общие характеристики элементов группы IVA

Четвертая большая группа периодической таблицы элементов, кроме элементов германия, олова, свинца (подгруппа германия), включает два общих элемента — углерод и кремний. Углерод — основа органической химии, главный органогенный элемент, неотъемлемая часть тела всего живого. Второй распространенный элемент — кремний — основной элемент неорганической химии и всей неживой природы. Основными полупроводниковыми материалами являются кремний и германий. Интегральные схемы из кремния и германия составляют основу компьютеров, микропроцессоров и т. д.

Все элементы этой подгруппы содержат четыре валентных электрона - электроны ns²np². Такое количество валентных электронов оптимально для образования тетраэдрических связей по обменному механизму.[10]

Внутри IVA-группы существует зависимость свойств от положения элемента. Таким образом, у германия ЭЭО выше, чем у кремния, хотя первый потенциал ионизации у германия меньше. Это объясняется тем, что атом германия, в отличие от кремния, имеет заполненный внутренний уровень 3d10, который служит диафрагмой для β-электронов. В ряду C — Si — Ge — Sn — Pb энергия ионизации уменьшается, а радиус атома увеличивается, т. е. улучшаются свойства металла. Первые два элемента — типичные неметаллы, кремний и германий — полуметаллы. Свинец является типичным металлом. Все элементы проявляют степень окисления: +4, +2 и сверху вниз стабильность высокой степени окисления уменьшается, а низкой увеличивается. В соединениях со степенью окисления (+4) в порядке от углерода к свинцу окислительные свойства усиливаются, а в соединениях со степенью окисления (+2) - ослабляются. Например, германий и олово в окислительном состоянии (+2) являются сильными восстановителями, у соединений Ge (+2) восстановительные свойства настолько сильны, что в отсутствие окислителя они непропорциональны. Для свинца наиболее устойчива степень окисления (+2), а соединения свинца (+4) являются сильными окислителями.

---

Углерод (символ С — от латинского Carboneum) — элемент главной подгруппы группы 4, порядковый номер 6, электронное строение атома — 1s₂2s₂2p₂. степени окисления в соединениях -4, +2, +4. Углерод известен с древних времен. Древесный уголь использовали для извлечения металлов из руд, алмазоподобных драгоценных камней. Гораздо позже графит стали использовать для изготовления баночек и карандашей.

В 1778 г. К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что так же, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был определен в результате опытов А. Лавуазье (1772 г.) по горению алмаза на воздухе и исследований С. Теннанта (1797 г.), доказавшего, что одинаковое количество алмаза и угля дает одинаковое количество углекислого газа при окислении. Углерод был признан химическим элементом в 1789 году Лавуазье. Латинское название carboneum carbon произошло от carbo — уголь.

Соединения кремния, широко распространенные на Земле, известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для работы и охоты продолжалось тысячи лет. Использование соединений кремния в связи с их обработкой – производством стекла – началось около 3000 г. до н.э. э. (в Древнем Египте). Самым старым известным соединением кремния является SiO2 (кремнезем). В 18 веке кремнезем считался простым твердым телом и назывался «землей» (что также отражено в его названии).

Сложность состава кремнезема определил И. Я. Берцелиус. Он первым получил элементарный кремний из фторида кремния SiF4 в 1825 г., восстановив его металлическим калием. Новый элемент получил название «кремний» (от латинского silex). Русское название было введено Г.И. Гесс в 1834 году.

Сплавы олова с медью и бронзой были известны еще в 4 тысячелетии до нашей эры, а чистые металл во 2-м тысячелетии до н.э. е. В античном мире из олова изготавливали украшения, посуду и утварь. Происхождение названий «станнум» и «олово» не уточняется.

Олово — характерный элемент верхней части земной коры, его содержание в литосфере составляет 2,5·10^-4 % по массе, в кислых изверженных породах 3·10^-4 % и в более глубоких щелочных 1,5·10^-4 % тем более олова в мантии. Концентрация олова связана как с магматическими процессами (известными как «оловянные граниты», обогащенные оловом пегматиты), так и с гидротермальными процессами. Из 24 известных минералов олова 23 образовались при высоких температурах и давлениях. Основное промышленное значение имеет касситерит SnO

---

₂, меньше - станин Cu2FeSnS4. В биосфере олово мигрирует слабо, в морской воде его всего 3·10-7%; известные водные растения с высоким содержанием олова. Однако общей тенденцией геохимии олова в биосфере является дисперсия.

Свинец был известен 6-7 тысяч лет до нашей эры. е. народов Месопотамии, Египта и других стран древнего мира. Из него изготавливали скульптуры, предметы домашнего обихода, письменные доски. Римляне использовали свинцовые трубы для водопровода. Алхимики назвали Свинец Сатурном и назвали его знаком этой планеты. Соединения Свинец – «зола свинца» РbО, свинцовые белила 2РbСО₃ • Рb(ОН)₂ применялись в Древней Греции и Риме в качестве компонентов лекарств и красок. Когда было изобретено огнестрельное оружие, свинец стал использоваться в качестве материала для пуль. Токсичность свинца была зафиксирована еще в I веке нашей эры. е. Греческий врач Диоскорид и Плиний Старший.

Содержание свинца в земной коре (кларк) 1,6 • 10-3% мас. С образованием гидротермальных месторождений в основном связано образование в земной коре около 80 свинецсодержащих минералов (основной из которых — галенит PbS). В зонах окисления полиметаллических руд образуется ряд (около 90) вторичных минералов: сульфаты (англезит PbSO₄), карбонаты (церусцит PbCO₃), фосфаты [пироморфит Pb₅(PO₄)₃Cl].

Свинец рассеян в биосфере, имеет низкое содержание живого вещества (5·10-5%), морской воды (3·10-9%). Свинец из природных вод частично сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в водорослях, загрязненных сероводородом, и в образованных из них черных глинах и сланцах.[11]

Таблица 2 – Свойства элементов подгруппы углерода

Свойства	С	Si	Ge	Sn	Pb
Атомный радиус, нм	0,077	0,118	0,139	0,158	0,175
Ионный радиус Э-4, нм	0,260	0,271	0,272	0,294	0,313
Ионный радиус Э+4, нм	0,015	0,041	0,053	0,071	0,084
Потенциал ионизации I, В Э→Э0 + е	11,26	8,15	7,899	7,344	7,417
ОЭО	2,6	1,9	2,0	1,8	1,7
Ширина запрещенной зоны, ЭВ	5,2 (алмаз)	1,21	0,78	0,08 (-Sn)	_
Температура плавления, 0С	3247	1414	937	231,9	327,4
Температура кипения, 0С	3927	3249	2847	2337	1751
Плотность, г/см3	3,51 (алмаз)	2	5,72	6,7	9,8
Е (Э3+р-р/Э), В	-	-	-0,2	-0,136	-0,126
Степень окисления	-4,+2,+4	4,+2,+4	-4,+2,+4	-4,+2,+4	+2,+4

---