Химический элемент 4 группы периодической системы. Общая характеристика элементов IV группы, главной подгруппы периодической системы Д
На рис. 15.4 показано расположение в периодической таблице пяти элементов IV группы. Подобно элементам III группы, они принадлежат, к числу p-элементов. Атомы всех элементов IV группы имеют однотипную электронную конфигурацию внешней оболочки: . В табл. 15.4 указаны конкретная электронная конфигурация атомов и некоторые свойства элементов IV группы. Эти и другие физические и химические свойства элементов IV группы связаны с их строением, а именно: углерод (в форме алмаза), кремний и германий имеют каркасную кристаллическую алмазоподобную структуру (см. разд. 3.2); олово и свинец имеют металлическую структуру (гранецентрированную кубическую, см. также разд. 3.2).
Рис. 15.4. Положение элементов IV группы в периодической системе.
При перемещении вниз по группе происходит возрастание атомного радиуса элементов и ослабление связи между атомами. Из-за последовательно усиливающейся делокализации электронов внешних атомных оболочек в этом же направлении пррисходит и возрастание электропроводности элементов IV группы. Их свойства
Таблица 15.4. Электронные конфигурации и физические свойства элементов IV группы
постепенно изменяются от неметаллических к металлическим: углерод - неметаллический элемент и в форме алмаза является изолятором (диэлектриком); кремний и германий - полупроводники; олово и свинец - металлы и хорошие проводники.
Из-за возрастания размера атомов при переходе от элементов верхней части группы к элементам ее нижней части происходит последовательное ослабление связи между атомами и, соответственно этому, уменьшение температуры плавления и температуры кипения, а также твердости элементов.
Аллотропия
Кремний, германий и свинец существуют каждый лишь в одной структурной форме. Однако углерод и олово существуют в нескольких структурных формах. Различные структурные формы одного элемента называются аллотропами (см. разд. 3.2).
Углерод имеет два аллотропа: алмаз и графит. Их структура описана в разд. 3.2. Аллотропия углерода - пример монотропии, для которой характерны следующие особенности: 1) аллотропы могут существовать в определенном интервале температур и давлений (например, как алмаз, так и графит существуют при комнатной температуре и атмосферном давлении); 2) не существует температуры перехода, при которой один аллотроп превращается в другой; 3) один аллотроп более устойчив, чем другой. Например, графит обладает большей устойчивостью, чем алмаз. Менее устойчивые формы называются метастабилъными. Следовательно, алмаз представляет собой метастабильный аллотроп (или монотроп) углерода.
Углерод может еще существовать в других формах, к которым относятся древесный уголь, кокс и газовая сажа. Все они являются неочищенными формами углерода. Иногда их называют аморфными формами, а раньше считали, что они представляют собой третью аллотропную форму углерода. Термин аморфный означает бесформенный. В настоящее время установлено, что «аморфный» углерод-это не что иное, как микрокристаллический графит.
Олово существует в трех аллотропных формах. Они называются: серое олово (а-олово), белое олово (Р-олово) и ромбическое олово (у-олово). Аллотропия такого типа, как у олова, называется энантиотропией. Она характеризуется следующими особенностями: 1) превращение одного аллотропа в другой происходит при определенной температуре, называемой температурой перехода; например
Структура влмаза Металлическая (полупроводник) структура 2) каждый аллотроп устойчив только в определенном интервале температур.
Реакционная способность элементов IV группы
Реакционная способность элементов IV группы в целом возрастает при перемещении к нижней части группы, от углерода к свинцу. В электрохимическом ряду напряжений только олово и свинец расположены выше водорода (см. разд. 10.3). Свинец очень медленно реагирует с разбавленными кислотами, высвобождая водород. Реакция между оловом и разбавленными кислотами протекает с умеренной скоростью.
Углерод окисляется орячими концентрированными кислотами, например концентрированной азотной кислотой и концентрированной серной кислотой.
Группа периодической системы химических элементов последовательность атомов по возрастанию заряда ядра, обладающих однотипным электронным строением. Номер группы определяется количеством электронов на внешней оболочке атома (валентных электронов) … Википедия
К четвёртому периоду периодической системы относятся элементы четвёртой строки (или четвёртого периода) периодической системы химических элементов. Строение периодической таблицы основано на строках для иллюстрации повторяющихся (периодических)… … Википедия
К первому периоду периодической системы относятся элементы первой строки (или первого периода) периодической системы химических элементов. Строение периодической таблицы основано на строках для иллюстрации повторяющихся (периодических) трендов в… … Википедия
Ко второму периоду периодической системы относятся элементы второй строки (или второго периода) периодической системы химических элементов. Строение периодической таблицы основано на строках для иллюстрации повторяющихся (периодических) трендов в … Википедия
К пятому периоду периодической системы относятся элементы пятой строки (или пятого периода) периодической системы химических элементов. Строение периодической таблицы основано на строках для иллюстрации повторяющихся (периодических) трендов в… … Википедия
К третьему периоду периодической системы относятся элементы третьей строки (или третьего периода) периодической системы химических элементов. Строение периодической таблицы основано на строках для иллюстрации повторяющихся (периодических) трендов … Википедия
К седьмому периоду периодической системы относятся элементы седьмой строки (или седьмого периода) периодической системы химических элементов. Строение периодической таблицы основано на строках для иллюстрации повторяющихся (периодических) трендов … Википедия
К шестому периоду периодической системы относятся элементы шестой строки (или шестого периода) периодической системы химических элементов. Строение периодической таблицы основано на строках для иллюстрации повторяющихся (периодических) трендов в… … Википедия
Короткая форма таблицы Менделеева основана на параллелизме степеней окисления элементов главных и побочных подгрупп: например, максимальная степень окисления ванадия равна +5, как у фосфора и мышьяка, максимальная степень окисления хрома равна +6 … Википедия
Сюда перенаправляется запрос «Группировка». На эту тему нужна отдельная статья … Википедия
Металлические свойства усиливаются, неметаллические - уменьшаются. На внешнем слое - 4 электрона.
Химические свойства (на основе углерода)
Взаимодействуют с металлами:
4Al + 3C = Al 4 C 3 (реакция идсет при высокой температуре)
Взаимодействуют с неметаллами:
2Н 2 + C = CН 4
Взаимодействуют с водой:
C + H 2 O = CO + H 2
2Fe 2 O 3 + 3C = 3CO 2 + 4Fe
Взаимодействуют с кислотами:
3C + 4HNO 3 = 3CO 2 + 4NO + 2H 2 O
Углерод. Характеристика углерода, исходя из его положения в периодической системе, аллотропия углерода, адсорбция, распространение в природе, получение, свойства. Важнейшие соединения углерода
Углерод (химический символ — C, лат. Carboneum) — химический элемент четырнадцатой группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы), 2-го периода периодической системы химических элементов. порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107.
Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12С (98,93 %) и 13С (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14С (β-излучатель, Т½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры.
Основные и хорошо изученные аллотропные модификации углерода — алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении.
При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15-20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость.
Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке.
Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.
Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение — в фотоэлементах.
При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2.
С большинством металлов углерод образует карбиды, например:
Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром:
При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.
Графит используется в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости. Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы,полимеры и другие соединения. Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)
Углерод входит в состав атмосферных аэрозолей, в результате чего может изменяться региональный климат, уменьшаться количество солнечных дней. Углерод поступает в окружающую среду в виде сажи в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100-400 мкг/м³, крупными городами 2,4-15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5-0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6-15) · 109 Бк/сут 14СО2.
Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.
Важнейшие соединения. Оксид углерода (II) (угарный газ) CO. В обычных условиях - бесцветный без запаха и вкуса очень ядовитый газ. Ядовитость объясняется тем, что она легко соединяется с гемоглобином крови.
Оксид углерода (IV) CO2. При обычных условиях - бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом, в полтора раза тяжелее воздуха, не горит и не поддерживает горения.
Угольная кислота H2CO3. Слабая кислота. Молекулы угольной кислоты существуют только в растворе.
Фосген COCl2. Бесцветный газ с характерным запахом, tкип = 8оС, tпл = -118оС. Очень ядовит. Мало растворим в воде. Реакционноспособен. Используется в органических синтезах.
Главную подгруппу IV группы периодической системы элементов составляют углерод, кремний, германий, олово и свинец. Элемент Номер Атомная масса Электронная конфигурация Углерод б 12,011 l.v!2r2/>; Кремний 14 28,085 1 л-22.уг2/>л3л-33/ї- Германий 32 72,59 Іл^г/^ЗpV4.r4p2 Олово 50 118,69 Ь^-2/>ЧгЗ/)лЗ,4л-4/>Мг Свинец 82 207.2
Электронная конфигурация./^-элементы.
Внешний электронный алой содержит по четыре электрона, электронная формула внешнего слоя пЛір1. Углерод и кремний являются неметаллами, германий, олово и свинец - переходными элементами.
Свойства. Элементы этой подгруппы образуют оксиды с общей формулой RO и RO, н водородные соединения с формулой RH4. От углерода к свинцу свойства оксидов изменяются от кислотных (СО, SiO,) до амфотерных (SnO, PbO,). PbO и SnO являются основными оксидами. От углерода к свинцу уменьшается прочность водородных соединений. Изменяется и характер гидратов: так, Н,СО,. H,SiO}-слабые кислоты: Pb(OH), Sn(OH), Ge(OH),-амфотерные основания. В подгруппе с ростом порядкового номера уменьшается энергия ионизации и увеличивается атомный радиус, т. е. неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.
Нахождение в природе. В свободном виде кремний не встречается, бывает только в виде соединений. Наиболее стойким соединением кремния является оксид кремния (IV), или кремнезем. Кристаллический кремнезем находится в природе главным образом в виде минерала кварца. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, который называют трепелом, кизельгуром или инфузорной землей. Кремний входит в состав полевого шпата, слюды, глины, асбеста
Физические свойства. Кремний - темно-серое вещество с металлическим блеском. Он хрупок и, как и углерод, тугоплавок. Обладает полупроводниковыми свойствами.
Химические свойства. Восстановитель. Непосредственно реагирует только со фтором: Si + 2F, = SiF4 (фторид кремния).
Кремний не взаимодействует с кислотами (кроме смеси плавиковой и азотной кислот), в то время как со щелочами реагирует очень энергично: Si + 2NaOH + Н,0 = Na,SiO, + +2Н,Т.
При нагревании кремний соединяется с кислородом: Si + О, = SiO,.
Кремний образует также соединение с водородом - силан: SiH4: Si + 2Н, = SiH4.
С углеродом кремний образует карборунд (карбид кремния) - кристаллическое, построенное по типу алмаза вещество: Si02 + 2С = SiC + С02.
Соединения кремния с металлами называются силицидами: Si + 2Mg = Mg,Si (силицид магния).
Применение. Кремний применяют главным образом для изготовления полупроводниковых приборов, получения сплавов, восстановления металлов из оксидов.
Получение. Получают кремний путем его восстановления из кремнезема: SiO, + 2Mg = 2MgO + Si.
В промышленности кремнезем восстанавливают углем в электрических печах: SiO, + 2С = Si + 2СО.
Соединения кремния
Оксид кремния (IV), и їй кремнезем.
Твердое, очень тугоплавкое кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и не вступающее с ней во взаимодействие. По химическим свойствам оксид кремния (IV) относится к кислотным оксидам. С оксидом кремния (IV) непосредственно реагирует только плавиковая кислота: SiO, + 4HF = SiF4 + 2Н.О.
При сплавлении оксида кремния (IV) с щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремниевой кислоты - силикаты:
SiO, + 2NaOH = Na,SiO, + Н,0; SiO, + CaO = CaSiO,;
Si02 + K2CO, = K,Si03 + CO,T.
Кремниевая кислота. Относится к слабым кислотам; малорастворима в воде. Молекулы кремниевой кислоты в водных растворах практически не диссоциируют. Формула H,Si03 является условной. В действительности кремниевая кислота существует в виде соединения (H,SiOJn или поликремниевых кислот. При длительном хранении от кремниевой кислоты отщепляются молекулы воды и она превращается в SiO,. При нагревании кремниевая кислота также распадается на оксид кремния (IV) и воду: H2Si03 = Н20 + SiO,.
Силикатная промышленность
Силикатная промышленность объединяет в основном керамическое, стекольное и цементное производства.
Производство керамики. Керамика - материалы и изделия, изготовляемые из огнеупорных веществ - глины, карбидов и оксидов некоторых металлов. К керамическим изделиям относят кирпич, черепицу, облицовочные плитки, глиняную посуду, изделия из фарфора и фаянса.
Процесс изготовления керамических изделий состоит из приготовления керамической массы, формования, сушки и обжига. При обжиге происходит спекание, обусловленное химическими реакциями в твердой фазе. Обжиг обычно проводят при температуре 900 °С. Спекание проводится по строго определенному режиму и приводит к получению материала, обладающего заданными свойствами. Производство стекла. Стекло оконное состоит главным образом из силикатов натрия и калия, сплавленных с оксидом кремния (IV). состав приблизительно выражается формулой Na20 CaO 6Si02. Сырьем для его получения служат белый песок, сода, известняк или мел. При сплавлении этих веществ происходят следующие реакции:
СаСО, + SiO, = CaSiO, + СО,Т; Na,COi + SiO, = Na,SiO, + CO,1\
Силикаты натрия и кальция вместе с кремнеземом сплавляются в массу, которая постепенно охлаждается:
Na,SiO, + CaSiO, + 4SiO, = Nap CaO CSiOr
Производство цемента. Цемент - один из важнейших материалов, изготавливаемых силикатной промышленностью. Он в огромных количествах используется при строительных работах. Обычный цемент (силикатцемент или портландцемент) получают путем обжига смеси глины с известняком. При обжиге цементной смеси карбонат кальция разлагается на оксид углерода (IV) и оксид кальция: последний вступает во взаимодействие с глиной. При этом образуются силикаты и алюминаты кальция.
ВОУД 2о13, помогите хотябы пару штук очень нужно1. Инертные элементы характеризуются свойством: а) при взаимодействии с водой образуют щелочи; в) пассивные, неактивные; б) при взаимодействии с металлами образуют соли; г) типичные металлы; 2. Металл, который можно использовать для получения водорода (путем взаимодействия его с кислотой): а) Zn; б) Pt; в) Au; г) Hg; д) Cu; 3. Основные оксиды и гидроксиды взаимодействуют с: а) кислотами; б) основаниями; в) и кислотами, и щелочами; 4. Сверху вниз в главных подгруппах неметаллические свойства: а) усиливаются б) ослабляются в) остаются неизменными 5. Элемент главной подгруппы IV группы: а) сера б) титан в) кремний г) хром 6. Число электронов на последнем энергетическом уровне определяется: а) по порядковому номеру б) по номеру периода в) по номеру группы 7. Одинаковое в строении атомов элементов с порядковыми номерами 19 и 32: а) общее количество электронов; в) количество электронных уровней; г) число электронов на последнем энергетическом уровне; б) количество нейтронов; 8. Элемент с электронной формулой 1s22s22p6: а) неон; б) бром; в) кальций; г) бериллий; 9. Атом натрия имеет электронную формулу: а) 1s22s22р1 б) 1s22s22p63s1 в) 1s22s22p63s2 10. Атом какого элемента имеет следующее строение последнего энергетического уровня…3s23p2: а) углерод; б) бром; в) кремний; г) фосфор; 11. Число неспаренных электронов содержит электронная оболочка элемента № 16 (сера): а) 1; б) 2; в) 3; г) 4; 12. Порядковый номер элемента, атомы которого способны образовывать высший оксид типа RO: а) № 11 (натрий); б) № 12 (магний); в) № 14 (кремний); 13. Элемент с электронной формулой 1s22s22p3 образует летучее водородное соединение типа: а) RH4; б) RH3; в) RH2; г) RH; 14. Объем 4 моль водорода при нормальных условиях: б) 44,8 л; в) 67,2 л; г) 89,6 л; д) 112 л; 15. Элемент расположен во II периоде. Валентность в высшем оксиде и гидроксиде равна I. Соединение проявляет основные свойства. Этот элемент … а) бериллий б) магний в) литий г) фтор 16. Максимальная валентность хлора (№ 17): а) IV б) V в) VII г) VIII 17. Минимальная валентность мышьяка (№ 33): а) IV б) III в) V г) VII 18. Молекулярная масса соли, полученной взаимодействием двух высших оксидов элементов с конфигурацией атома в них соответственно 1s22s22p3 и 1s22s22p63s1: а) 85; б) 111; в) 63; г) 101; д) 164; 19. Определите формулу вещества «Х», которое образуется в результате превращений: N2 → N2O5 A; Ba → BaO B; А + В → Х + Д; а) HNO3 б) Ba(OH)2 в) Ba (NO3)2 г) BaSO4 д) BaOHNO3 20. Сумма коэффициентов в уравнении реакции, схема которой KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2 а) 2; б) 3; в) 4; г) 5; д) 6; 21. Молярная масса оксида калия (в г/моль): а) 55; б) 56; в) 74; г) 94; д) 112; 22. Количество молей оксида алюминия, составляющих 204 г данного соединения: а) 1; б) 2; в) 3; г) 4; д) 5; 23. Количество теплоты, выделяющейся при сгорании 2 г угля (термохимическое уравнение реакции С + О2 = СО2 + 402,24 кДж): а) 67,04 кДж; б) 134,08 кДж; в) 200 кДж; г) 201,12 кДж; д) 301,68 кДж; 24. При нормальных условиях 44,8 л кислорода имеют массу: а) 8 г; б) 16 г; в) 32 г; г) 64 г; д) 128 г; 25. Массовая доля водорода в соединении РН3 составляет: а) 5,4%; б) 7,42%; в) 8,82%; г) 78,5%; д) 82,2%; 26. Массовая доля кислорода в соединении ЭО3 равна 60%. Название элемента Э в соединении: а) азот; б) фосфор; в) сера; г) кремний; д) селен; 27. При взаимодействии натрия с 72 г воды выделился водород объемом (н.у.): а) 11,2 л; б) 22,4 л; в) 44,8 л; г) 67,2 л; д) 112 л; 28. Масса соляной кислоты, необходимая для получения 224 л водорода (н.у.): (Ва + 2HCl = ВаCl2 + H2): а) 219 г; б) 109,5 г; в) 730 г; г) 64 г; д) 365 г; 29. Масса гидроксида натрия, которая содержится в 200 г 30%-ного раствора: а) 146 г; б) 196 г; в) 60 г; г) 6 г; д) 200 г; 30. Масса соли, которая образуется при взаимодействии гидроксида натрия с 400 г 75%-ного раствора серной кислоты: а) 146 г; б) 196 г; в) 360 г; г) 435 г; д) 200 г;
) Положение элемента лития в Периодической системе Д.И.Менделеева1) Положение элемента алюминия в Периодической системе Д.И.Менделеева и строение его атомов 2)Характер простого вещества (металл, неметалл) 3)Сравнение свойств простого вещества со свойствами простых веществ, образованных соседними по подгруппе элементами 4) Сравнение свойст простого вещества со свойствами простых веществ, образованных соседними по периоду элементами 5) Состав высшего оксида, его характер(основный, кислотный, амфотерный) 6)Состав высшего гидроксида его характе (кислородсодержавщая кислота, основание, амфотерный гидроксид) 7)состав летучего водородного соединения (для неметаллов)
1.Металлические свойства элементов II группы с увеличением порядкового номера 1) убывают 2) возрастают 3)не изменяются 4) меняются периодически 2.Фосфор является окислителем в реакции: 1) 3Mg+2H3PO4=Mg3(PO4)2+3H2 2) P2O3+O2=P2O5 3) 3Mg+2P=Mg3P2 4) 2P+3Cl2=2PCl3 3. При комнатной температуре не взаимодействуют с водой оба металла: 1) цинк и железо 2) медь и золото 3) натрий и ртуть 4) калий и кальций 4. Образуются ионы Na+ и выделяется газообразный водород в результате реакции 1) оксида натрия и воды 2) оксида натрия с соляной кислотой 3) хлорида натрия с водой 4) натрия с соляной кислотой. 5. При взаимодействии с кислородом образуют оксиды все металлы группы 1)литий, натрий 2)кальций, стронций 3)барий, калий 4) калий, магний 6. Коэффициент перед формулой окислителя в уравнении натрия с хлором 1) 1 2) 2 3) 3 4) 4 7. Если продукты реакции сульфат железа (II) и вода, то реагентами являются 1) оксид железа (II) и оксид серы (IV) 2) сульфат меди (II) и хлорид железа (II) 3) железо и серная кислота 4) гидроксид железа (II) и серная кислота 8. Литий не используют для вытеснения натрия из водного раствора ее соли, так как он 1) взаимодействует с водой 2) находится в ряду активности левее меди 3) менее сильный восстановитель, чем натрий 4) легко окисляется на воздухе.