Германий, олово, свинец

Кремний

Кремний в природе содержится во многих минералах в виде оксида SiO₂, из которого элементарный кремний можно получить восстановлением магнием или углеродом. В чистом виде кремний тверд, хрупок, имеет алмазоподобную структуру.

Химические свойства

1. При низких температурах кремний очень инертен. При высоких температурах становится очень реакционноспособным, 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. Оксид кремния не единичная молекула, а полимер, где каждый атом кремния связан с кислородом, образуя пространственный каркас в виде тетраэдра. Поэтому SiO₂ образует многочисленные поликремниевые кислоты.

SiO₂ - твердое вещество с температурой плавления 1715^оС. Идет на изготовление химической посуды, кварцевых ламп и т.п. Растворяется в плавиковой кислоте и щелочах:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ ­ + 2H₂O

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

Na₂SiO₃ – силикат натрия (жидкое стекло, конторский клей) в водном растворе сильно гидролизуется. Соответствующую кислоту можно получить взаимодействием соли с любой кислотой (даже угольной):

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = H₂SiO₃ ¯ + Na₂CO₃

Формулу кремневой кислоты лишь формально можно записывать в виде H₂SiO₃, более правильно - в виде xSiO₂ ∙ yH₂O.

При прокаливании кремневой кислоты образуется SiO₂ в виде аморфного соединения, которое носит название “силикагель” и используется в качестве поглотителя влаги.

4. Непосредственно с водородом кремний не взаимодействует, поэтому водородные соединения (силаны) получают из силицидов:

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄ ­ (моносилан)

Силаны могут быть различного состава - Si₂H₆, Si₃H₈, Si₆H₁₄ ,... Это сильные восстановители, химически очень активны, на воздухе самовоспламеняются:

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O

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

В природе олово и свинец обычно встречаются в виде: SnO₂ – кассетерит, PbS – свинцовый блеск. Германий собственных руд не имеет, встречается с рудами цинка, олова, свинца. Олово и свинец получают пирометаллургическим способом: олово - непосредственно восстановлением углеродом из оксида, свинец - обжигом сульфида в кислороде, с последующим восстановлением оксидом углерода (II) до металла. Германий получают более сложным способом: вначале получают четыреххлористый германий GeCl₄ , который растворяют в воде и получают оксид германия, из которого водородом восстанавливают германий:

GeCl₄ + H₂O = GeO₂ + 4HCl

GeO₂ + 2H₂ = Ge + 2H₂O

Германий и олово – белые блестящие металлы на воздухе окисляются слабо. Свинец – серого цвета за счет пленки оксида. Олово полиморфно. При температуре > +13^оС устойчива β-модификация. С понижением температуры β-олово переходит в α- модификацию. Этот переход начинается при +13^оС и очень быстро протекает при -33^оС, в результате олово превращается в порошок. Это явление носит название “оловянная чума”.

Химические свойства

1. Характерные степени окисления в соединениях для Ge +4; для Sn +4,+2; для Pb +2.

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

2Pb + O₂ = 2PbO;

Ge + 2S = GeS₂;

Sn + 2Cl₂ = SnCl₄

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

2Pb + O₂ + 2H₂O = 2Pb(OH)₂

4. В ряду активности Ge стоит между Cu и Ag, т.е. после водорода, а Sn и Pb до водорода. Олово взаимодействуя с разбавленными кислотами вяло вытесняет водород:

Sn + H₂SO_{4 (pазб)} = SnSO₄ + H₂ ­

Sn + 2HCl = SnCl₂ + H₂ ­

Аналогичные реакции со свинцом практически не идут, т.к. PbCl₂ и PbSO₄ плохо растворимы.

Свинец и олово взаимодействуют с разбавленной азотной кислотой (в концентрированной cвинец пассивируется):

3Pb + 8HNO_{3 (разб)} = 3Pb(NO₃)₂ + 2NO ­ + 4H₂O

3Sn + 8HNO_{3 (разб)} = 3Sn(NO₃)₂ + 2NO ­ + 4H₂O

Олово и германий взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой:

Sn + 4HNO₃ = H₂SnO₃ + 4NO₂ ­ + H₂O

Ge + 4HNO₃ = H₂GeO₃ + 4NO₂ ­ + H₂O

5. 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]

6. С кислородом Ge, Sn, Pb дают два ряда оксидов и гидроксидов (валентности II и IV).

GeO, SnO – черные тугоплавкие порошки, PbO – желтый порошок (свинцовый глет). Все три оксида 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.

7. Гидроксиды (II) 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]

В ряду Ge(OH)₂ -- Sn(OH)₂ -- Pb(OH)₂ основные свойства усиливаются.

Гидролиз солей анионного типа идет практически необратимо:

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

8. Оксиды GeO₂, SnO₂ – тугоплавкие белые вещества, PbO₂ – коричневого цвета. Оксиды германия и олова получают окислением металла в кислороде при нагревании. Оксид свинца PbO₂ можно получить по реакции:

Pb(CH₃COO)₂ + CaOCl₂ + H₂O = PbO₂↓ + CaCl₂ + 2CH₃COOH

Все три оксида проявляют амфотерные свойства, но кислотная функция у них выражена сильнее, чем у оксидов в низшей степени окисления. 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

Это взаимодействие подтверждает, что Pb₃O₄ можно рассматривать как смесь 2PbO + PbO₂.

9. Гидроксиды (IV) можно получить при действии на соли четырехвалентных металлов щелочью:

SnCl₄ + 2NaOH = Sn(OH)₄ ↓ + 2NaCl

10. Гидроксиды (IV) амфотерны:

Sn(OH)₄ + H₂SO₄ = Sn(SO₄)₂ + H₂O

Sn(OH)₄ + 2NaOH = Na₂[Sn(OH₆)]

Соли анионного типа носят название “германаты”, “станнаты”, “плюмбаты”.

11. Соединения с серой получают как непосредственным взаимодействием простых веществ, так и при пропускании сероводорода через растворы солей:

GeCl₄ + 2H₂S = GeS₂ ↓ + 4HCl

Pb(NO₃)₂ + H₂S = PbS ↓ + 2HNO₃

Германий и олово дают сульфиды и дисульфиды, свинец дисульфидов не образует. Дисульфиды образуют тиосоединения:

GeS₂ + Na₂S = Na₂GeS₃ (тиогерманат натрия).

SnS + Na₂S₂ = Na₂SnS₃ (тиостаннат натрия)

Применение:

Ge – как полупроводниковый материал,

Sn и Pb в основном в виде сплавов (бронзы, баббиты),

Sn – в качестве защитного покрытия от коррозии,

Pb₃O₄ – как краситель,

Pb(C₂H₅)₄ (тетраэтилсвинец) – добавка в бензин (антидетонатор).

Дата добавления: 2014-12-16