IV группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (углерод, кремний)

К элементам главной подгруппы IV группы относятся

Углерод С

Кремний Si

Германий Ge

Олово Sn

Свинец Pb

Общая характеристика элементов 4 группы главной подгруппы

От С к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение:

  • атомного радиуса,
  • металлических, основных, восстановительных свойств,

Уменьшается

  • электроотрицательность,
  • энергия ионизация,
  • сродство к электрону.
Периодическая таблица_4 группа

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, все они содержат 4 электрона на внешнем слое ns2np2:

С2s22p2

Si – 3s23p2

Ge – 4s24p2

Sn5s25p2

Pb6s26p2

Углерод и кремний

Углеррод, кремний_электронная конфигурация

Нахождение в природе углерода и кремния

Углерод в природе распространен и в виде простых веществ (алмаз, графит), и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Углерод_нахождение в природе

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Чаще всего в природе кремний встречается в виде соединений на основе SiO2 (речной и кварцевый песок, кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты), силикатов и алюмосиликатов.

Кремний_нахождение в природе

Углерод

Химические свойства углерода

Качественные реакции

  • Обнаружить карбонат-ионы CO32- — можно при помощи взаимодействия солей-карбонатов с сильными кислотами. При этом выделяется углекислый газ — газ без цвета и запаха, не поддерживающий горение:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

  • Качественная реакция на углекислый газ CO2– помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок CaCO3 растворяется:

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2

  • Углекислый газ СО2 не поддерживает горение.
  • Угарный газ CO горит голубым пламенем.
горение угарного газа

Взаимодействие углерода с простыми веществами

С кислородом

Горит в недостатке кислорода с образованием угарного газа:

2C + O2 = 2CO

в избытке кислорода – с образованием углекислого газа:

C + O2 = CO2

С галогенами (F, Cl, Br, I)

Углерод реагирует со фтором при нагревании до 900ºС с образованием фторида углерода (IV):

C + 2F2 → CF4

Раскаленный углерод реагирует с другими галогенами:

C + 2Cl2→ CCl4

С водородом

При нагревании в присутствии катализатора (Ni) углерод взаимодействует с водородом с образованием метана:

С + 2Н2 → СН4

С серой

При сильном нагревании углерод взаимодействует с серой с образованием сероуглерода:

C + 2S → CS2

С азотом

С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С  + N2  →  N≡C–C≡N

С углеродом

При нагревании около 2000оС кремний вступает в реакцию с углеродом с образованием карбида кремния (карборунда):

C + Si → SiC

С фосфором

Не взаимодействует

С металлами

В реакциях с активными металлами углерод выступает в качестве окислителя, образуя карбиды:

4C + 3Al → Al4C3

2C + Ca → CaC2

Взаимодействие со сложными веществами

С водой

При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:

C + H2O = CO + H2

С кислотами

Углерод как восстановитель взаимодействует с кислотами-окислителями:

С концентрированной азотной кислотой

3C + 4HNO3 = 3CO2+ 4NO + 2H2O

C концентрированной серной кислотой:

С+2H2SO4=CO2 +2SO2 +2Н2О

С солями

В расплавах KNO3 и NaNO3 измельченный уголь интенсивно сгорает:

5С + 4KNO3 = 2К2СO3 + ЗСO2↑+ 2N2

С оксидами

Углерод взаимодействует с многими основными и амфотерными оксидами, с образованием металла и угарного газа:

C + 2ZnO → 2Zn + CO

4С + Fe3O4 → 3Fe + 4CO

Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.

При взаимодействии углерода с оксидами активных металлов образуются карбиды:

3С + СаО → СаС2 + СО

9С + 2Al2O3 → Al4C3 + 6CO

Кремний

Способы получения кремния

В промышленности основным сырьем для получения кремния служит кремнезем (диоксид кремния):

  • Восстановление SiO2 углеродом в электропечах при температуре 1800ºС:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Таким способом получают технический кремний.

  • Особо чистый кремний из технического продукта получают следующим образом:

Si + Cl2 = SiCl4

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl

или:

Si + 2Mg = Mg2Si

Mg2Si + 4HCl = SiH4 + 2MgCl2

SiH4 → Si + 2H2

В лаборатории кремний можно получить:

  • при прокаливании смеси металлического магния с мелко измельченным кремнеземом:

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

  • восстановление кремния из его оксида алюминием:

3SiO2 + 4Al → 3Si + 2Al2O3

Химические свойства кремния

Качественные реакции

Качественная реакция на силикат-ионы SiO32- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами.

При этом выделяется белый гелеобразный осадок:

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl

кремниевая кислота

Взаимодействие кремния с простыми веществами

С кислородом

Взаимодействует с кислородом при температуре более 400°С с образованием диоксида кремния:

Si + O2 → SiO2

С галогенами (F, Cl, Br, I)

При обычных условиях кремний реагирует только со фтором с образованием фторида кремния (IV):

Si + 2F2 → SiF4

С остальными галогенами реакция идет при нагревании до 300-500ºС:

Si + 2Cl2 → SiCl4

Si + 2Br2 → SiBr4

С водородом

Не взаимодействует

С серой

При температуре выше 600°С кремний взаимодействует с серой с образованием сульфида кремния:

Si + 2S → SiS2

С азотом

С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:

3Si + 2N2→ Si3N4

С углеродом

При нагревании около 2000оС кремний вступает в реакцию с углеродом с образованием карбида кремния (карборунда):

C + Si → SiC

С фосфором

Не взаимодействует

С металлами

В реакциях с активными металлами кремний выступает в качестве окислителя, образуя силициды:

2Ca + Si → Ca2Si

Si + 2Mg → Mg2Si

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой

Непосредственно с водой не взаимодействует, однако аморфный кремний реагирует с перегретым водяным паром при температуре 400-500°С:

Si + 2H2O = SiO2 + 2H2

С кислотами

  • Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот.
  • Аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:

Si + 6HF → H2[SiF6] + 2H2

  • При обработке кремния безводным HF комплекс не образуется:

Si(тв.) + 4HF(г.) = SiF4 + 2H2

  • Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот (травление кремния кислотами):

3Si + 4HNO3+ 12HF → 3SiF4 + 4NO + 8H2O

С водными растворами щелочей

В водных растворах щелочей при нагревании выше 60ºС кремний растворяется с образованием солей силикатов (травление щелочами):

Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2

С оксидами

При восстановлении SiO2 кремнием при температурах свыше 1200 ºC образуется оксид кремния (II) — SiO.

Si+SiO2 = 2SiO

Si + SiO2 = SiO