4А группе относятся элементы углерод, кремний, германий, олово и свинец. Углерод
известен с древних времен. Он может быть получен при нагревании древесины без
доступа воздуха, при обугливании животных остатков, неполном сгорании
органических веществ (сажа). Графит и алмаз встречаются в природе, но в
последнее время их в основном получают искусственным путем. Карбин получается
синтетически при каталитическом окислении ацетилена и является наиболее
стабильной формой углерода. В 1990 г. из сажи, образованной при испарении
графита в электрической дуге в атмосфере гелия, была выделена новая форма С –
фуллерен С60. Кремний получают восстановлением SiO2
магнием или углеродом в электрической печи. Высокой чистоты Si получают
восстановлением SiCl4 цинком или водородом. Остальные элементы –
термическое восстановление их оксидных соединений с помощью Н2, С,
СО.
По химическим и физическим свойствам углерод и образуемые им соединения резко
отличаются от др. элементов группы. Будучи типичным неметаллом, С в форме
|
|
простого вещества, а также в соединениях с кислородом, азотом и серой способен
образовывать кратные связи в группировках типа >C=C<, –C=C–, >C=O,
O=C=O, –C=N, >C=S. Для Si и Ge соединений с подобными группировками не
установлено, Sn и Pb образуют соединения, характерные для металлов. При обычных
условиях все аллотропные модификации углерода весьма инертны, др. элементы
группы достаточно активны и взаимодействуют со многими веществами. При
увеличении температуры химическая активность всех веществ, образованных
элементами группы, резко возрастает. В соединениях С и Si проявляют СО –4, +2,
+4, Ge, Sn и Pb – +2, +4. Устойчивость соединений в высших СО от Si к Pb
уменьшается.
Э + Н2 =
Э + Г2 = C (CF4); Si, Ge, Sn (ЭГ4); Pb (F4, Cl4, Br2, I2)
Э + О2 = ЭO2; Pb (PbO)
Э + S = C, Si, Ge, Sn (ЭS2); Ge, Sn, Pb (ЭS)
Si + N2 = Si3N4
Э + Р = Si, Ge, Sn (ЭР), ЭР2, ЭР3
Э + С =
Э + Ме = карбиды, силициды, сплавы.
Э + H2O =
Э + H2SO4(k) = C, Si; Ge, Sn (Э(SO4)2); Pb(HSO4)2
Э + H2SO4(p) = C, Si, Ge; ЭSO4 (Pb пассивируется)
Э + NaOH = C, Ge; Na2SiO3; Sn, Pb (Na2[Э(OH)4])
Э + HNO3(k) = Si; C (CO2); Ge, Sn (xЭO2·yH2O)
Э + HNO3(p) = C, Si, Ge; Sn, Pb (Э(NO3)2)
Э + HCl = C, Si, Ge; Sn, Pb (ЭCl2), (Pb пассивируется).
Наиболее важными соединениями углерода является СН4 и СО2.
СН4 является химически инертным газом. Огромные его количества
находятся в природе в виде природного газа. Он широко используется в различных
органических синтезах, а также в быту. СО2 представляет собой газ.
Он проявляет кислотные свойства, являясь ангидридом угольной кислоты. Он
используется в качестве восстановителя, в пищевой промышленности для
газирования различных напитков, «сухой лед». Также большое практическое
значение имеют соли не выделенной в свободном состоянии угольной кислоты Н
|
|
2СО3. Из соединений кремния очень важен оксид SiO2.
Это кислотный оксид. Он используется как восстановитель, а также в стекольной и
цементной промышленности.
В свободном виде кремний в природе не встречается, а только в соединениях,
важнейшим из которых является кремнезем SiO2. Кремний также
входит в состав полевого шпата и каолина. Кремнезем является
главным сырьем для производства стекла, цемента и керамики. Стекло получают из
смеси песка SiO2, соды Na2CO3 и известняка
CaCO3, которую нагревают до 1500°С. При этом протекают реакции:
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2;
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 +CO2.
Затем силикаты натрия и калия сплавляют с песком и получают стекло Na2
O · CaO · 6SiO2.
Если же вместо соды брать поташ К2CO3, то образуется
тугоплавкое стекло К2O · CaO · 6SiO2.
Чтобы придать стеклу нужную окраску, в него добавляют соответствующие оксиды
металлов: оксиды железа придают стеклу зеленый цвет, кобальта – синий, меди –
голубой, серебра – желтый и т.д. Если в состав стекла входит оксид свинца, то
получают хрусталь – ценное стекло, обладающее большой лучепреломляющей
способностью. Хрусталь хорошо шлифуется, после чего приобретает сильный блеск.
Цемент получают из известняка и глины. При этом используют и мергель.
Эту смесь обжигают в специальных печах и полученную спекшуюся массу размалывают.
Он широко используется в строительстве как вяжущий материал, который при
смешивании с водой затвердевает. Условно различают два типа цемента по принципу
их «свертывания» - обычный цемент и портландский цемент.
Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката кальция,
происходит вследствие образования карбоната кальция за счет углекислого газа
воздуха:
CaO·SiO2 + CO2 + H2O = CaCO3 + H2SiO3.
При «схватывании» портландского цемента углекислота не участвует в процессе,
а происходит гидролиз силикатов с последующим образованием нерастворимых
кристаллогидратов:
Ca3SiO5 + H2O = Ca2SiO4 + Ca(OH)2;
Ca2SiO4 + 4H2O = Ca2SiO4·4H2O.