Курсова робота

р – елементи ІV групи

План

Вступ.

Головна підгрупа ІV групи:

1. Карбон :

- карбон в природі

- алотропія карбону

- хімічні властивості карбону. Карбіди.

- діоксид карбону

- оксид карбону

- сполуки карбону з сульфуром і нітрогеном

- паливо і його види

2. Силіцій :

- силіцій в природі. Добування і властивості силіцію

- сполуки силіцію з гідрогеном і галогенами

- діоксид силіцію

- силікатні кислоти та їх солі

3. Германій.

4. Станум:

- властивості стануму

- сполуки стануму (II)

- сполуки стануму (ІV)

5. Плюмбум:

- властивості плюмбуму

- сполуки плюмбуму (II)

- сполуки плюмбуму (ІV)

Вступ

Головну підгрупу четвертої групи періодичної системи утворюють п'ять елементів — карбон, силіцій, германій, станум і плюмбум.

При переході від карбону до плюмбуму розміри атомів зростають. Тому слід чекати, що здатність до приєднання електронів, а отже, і неметалічні властивості при цьому будуть слабішати, легкість же від­давання електронів зростатиме. Справді, уже в германію виявля­ються металічні властивості, а в стануму і плюмбуму вони переважають над неметалічними. Отже, тільки перші два члени описуваної групи є неметалами, германій зараховують і до металів, і до неметалів, станум і плюмбум — метали.

Для елементів розглядуваної групи характерні ступені окислення +2 і +4. Сполуки вуглецю і кремнію, в яких ступінь окислення цих елементів дорівнює +2, нечисленні і порівняно малостійкі.

Деякі властивості елементів головної підгрупи четвертої групи і утворених ними простих речовин охарактеризовані в табл.

Деякі властивості карбону та його аналогів

КАРБОН (CARBONEUM)

Карбон у природі. Карбон у природі перебуває у вільному стані і у вигляді численних сполук. Вільний карбон трапляється у вигляді алмазу і графіту. Алмази утворюють окремі кристали або не­великого розміру зростки. Маса кристалів звичайно лежить у межах від тисячних до десятих часток грама. Найбільший із знайдених алма­зів важив 621,2 г. Кристали нерідко мають забарвлення, спричинене до­мішками. Великі родовища алмазів є в Африці (Заір, ПАР), Бразилії,Індії.

Найбільші родовища графіту утворилися внаслідок дії високих температур і тиску на кам'яне вугілля.

Вугілля, яке також складається з карбону, утворюється штучно. Проте в природі є речовини, що наближаються за своїм складом до ву­гілля. Такими є різні види викопного вугілля, що утворюють у багатьох місцях земної кулі потужні відклади. Деякі з видів викопного вугілля містять до 99% карбону.

Сполуки карбону дуже поширені. Крім викопного вугілля, у над­рах Землі є великі скупчення нафти, що є складною сумішшю різних сполук, які містять карбон, переважно вуглеводнів. У земній корі трапляються у величезній кількості солі карбонової кислоти, особ­ливо карбонат кальцію. У повітрі завжди є діоксид карбону. Нарешті, рослинні і тваринні організми складаються з речовин, з утворенні яких головну участь бере карбон. Отже, цей елемент один з найпоши­реніших на Землі, хоча загальний вміст його у земній корі становить лише близько 0,1% (мас).

Щодо численності і різноманітності своїх сполук карбон займає серед інших елементів особливе положення. Число вивчених сполук карбону оцінюють тепер приблизно в два мільйони, тоді як сполуки всіх інших елементів, разом взяті, обчислюються лиш сотнями тисяч.

Різноманітність сполук карбону пояснюється здатністю його ато­мів зв'язуватися між собою з утворенням довгих ланцюгів або кілець.

Алотропія карбону. У вільному стані карбон відомий у вигля­ді алмазу, що кристалізується в кубічній системі, і графіту, що нале­жить до гексагональної системи. Такі форми його, як деревне вугілля, кокс, сажа, мають невпорядковану структуру. Синтетично добуто карбін і полікумулен — різновидності карбону, що складаються з лінійних ланцюгових полімерів типу ... —С=С—С==С ... або ...=С= =С=С= ... . Карбін має напівпровідникові властивості. При силь­ному нагріванні без доступу повітря він перетворюється у графіт.

Алмаз — безбарвна, прозора речовина, яка сильно заломлює світ­лові промені. Він кристалізується в кубічній гранецентрованій ре­шітці. При цьому одна половина атомів розміщується у вершинах і центрах граней одного куба, а друга — у вершинах і центрах граней другого куба, зміщеного відносно першого у напрямі його просторової діагоналі. Атоми карбону в алмазі перебувають у стані sр3- гібридиза­ції і утворюють тривимірну тетраедричну сітку, у якій вони зв'язаніодин з одним ковалентними зв'язками 1. Відстань між атомами в тетра­едрах дорівнює 0,154 нм. Структуру алмазу показано на мал. 1.

З усіх простих речовин алмаз має максимальне число атомів, що припадають на одиницю об'єму,— атоми карбону «упаковані» в алмазі дуже щільно. З цим, а також з великою міцністю зв'язку у карбонових тетраедрах, пов'язано те, що за твердістю алмаз переважає всі відомі речовини. Тому його широко застосовують у промисловості: майже 80% добутих алмазів використовують для технічних цілей. Його викорис­товують для обробки різних твердих матеріалів, буріння гірських порід. Будучи дуже твердим, алмаз разом з тим крихкий. Порошок, який дістають при подрібненні алмазу, за­стосовують для шліфування дорогоцінного каміння і самих алмазів. Відшліфовані про­зорі алмази називаються діамантами.

У зв'язку з великою цінністю алмазів було зроблено багато спроб добути їх штуч­но з графіту. Однак довго ці спроби за­кінчувалися невдачею. Лише в 1955 р., за­стосувавши дуже високий тиск (порядку 10¹⁰ Па) і тривале нагрівання при темпера­турі близько 3000° С, американським, а од­ночасно і шведським вченим удалося добути синтетичні алмази. Якщо алмаз прожарювати в кисні, він згоряє, утворюючи діоксид карбону. Якщо алмаз сильно нагріти без доступу повітря, то він перетворюється на графіт.

Графіт являє собою темно-сірі кристали з слабким металічним піском. Він має шарувату решітку. Всі атоми карбону перебувають тут у стані sp² -гібридизації: кожний з них утворює три ковалентні зв'язки з сусідніми атомами, причому кути між напрямами зв'язків дорівнюють 120°. В результаті виникає плоска сітка, складена з пра­вильних шестикутників, у вершинах яких розміщені ядра атомів карбону відстань між сусідніми ядрами становить 0,1415 нм.

В утворенні зв'язків беруть участь три електрони кожного атомакарбону. Четвертий електрон зовнішнього шару займає 2р-орбіталь,яка не бере участі в гібридизації. Такі негібридні електронні хмариатомів карбону орієнтовані перпендикулярно до площини шару і,перекриваючись одна з одною, утворюють делокалізовані p-зв'язки.структуру графіту показано на рис. 118.

Сусідні шари атомів карбону в кристалі графіту перебувають на досить

великій відстані один від одного (0,335 нм); це свідчить про малу міцність зв'язку між атомами карбону, розміщеними в різних шарах. Сусідні шари зв'язані

між собою в основному силами Ван дер Ваальса, але частково зв'язок має металічний характер, тобто зумовле­ний «усуспільненням» електронів усіма атомами кристала 1. Цим пояс­нюється порівняно висока електропровідність і теплопровідність гра­фіту не тільки в напрямі шарів, а й в перпендикулярному до них на­прямі .

Розглянута структура графіту зумовлює сильну анізотропію його властивостей. Так, теплопровід­ність графіту у напрямі площини шарів дорівнює 4,0 Дж/(см • с • К), а в перпендикулярному напрямі становить 0,79 Дж/(см • с • К). Електричний опір графіту в напря­мі шарів у 10⁴ раз менший, ніж у перпендикулярному напрямі.

Окремі шари атомів у кристалі графіту, зв'язані між собою порів­няно слабко, легко відокремлюють­ся один від одного. Цим поясню­ється мала механічна міцність гра­фіту. Якщо провести шматком гра­фіту по папері, то дрібнесенькі кристалики графіту, що мають ви­гляд лусочок, прилипають до папе­ру, лишаючи на ньому сіру риску. На цьому грунтується застосуван­ня графіту для виготовлення олівців.

На повітрі графіт не загоряєть­ся навіть при сильному розжарюванні, але легко згоряє у чистому кисні, перетворюючись у діоксид карбону.

Завдяки своїй електропровідності графіт застосовується для ви­готовлення електродів. З суміші графіту з глиною роблять вогне­тривкі тиглі для плавлення металів. Змішаний з мастилом графіт є чудовим мастильним засобом, оскільки його лусочки, заповнюючи нерівності матеріалу, створюють гладку поверхню, що полегшує ков­зання. Графіт застосовують також як уповільнювач нейтронів у ядер­них реакторах.

Крім природного у промисловості застосовують штучний графіт. Його добувають в основному з кращих сортів кам'яного вугілля. Пере­творення відбувається при температурах близько 3000°Cв електрич­них печах без доступу повітря.

Графіт термодинамічно стійкий у широкому інтервалі температур і тисків, зокрема за звичайних умов. У зв'язку з цим при розрахун­ках термодинамічних величин як стандартний стан карбону беруть графіт. Алмаз термодинамічно стійкий лише при високих тисках (вище за 10⁹ Па). Але швидкість перетворення алмазу в графіт стає помітною лише при температурах вище 1000° С; при 1750°Cперетворення алмазу в графіт відбувається швидко.

«Аморфний» карбон (вугілля). При нагріванні спо­лук, що містять карбон, без доступу повітря з них виділяється чорна маса, яка називається «аморфним» карбоном або просто вугіллям. Такий карбон скла­дається з дрібнесеньких кристаликів з розупорядкованою структурою графіту. Вугілля розчиняється у багатьох розплавлених металах, наприклад у залізі, нікелі, платині. Густина вугілля коливається від 1,8 до 2,1 г/см³ .

Вугілля істотно розрізняється своїми властиво­стями залежно від способу добування і від того, з якої речовини його добуто. Крім того, воно завжди містить домішки, які дуже впливають на його власти­вості. Найважливіші технічні сорти вугілля такі: кокс, деревне вугілля, кісткове вугілля та сажа.

Кокс утворюється при сухій перегонці кам'яного вугілля, його застосовують, головним чином, в ме­талургії у процесі виплавляння металів з руд.

Деревне вугілля утворюється при нагріванні дерева без доступу повітря. При цьому вловлюють цінні продукти сухої перегонки — метиловий спирт, оцтову кислоту та ін. (Деревне вугілля застосовують у металургійній промисловості, в ковальській справі).Завдяки пористій будові, деревне вугілля має високу адсорбційну здатність.

Особливо добре вбирає гази активоване вугілля. Його застосовують для вбирання пари летких рідин з по­вітря і газових сумішей, як каталізатор у деяких хімічних виробницт­вах і в протигазах.

Вугілля має здатність адсорбувати не тільки гази, а й розчинені речовини. Цю його властивість відкрив наприкінці XVIII ст. росій­ський академік

Т. Є. Ловіц.

Кісткове вугілля утворюється за допомогою обвуглювання знежи­рених кісток. Воно містить від 7 до 11 % карбону, близько 80% фосфату кальцію та інші солі. Кісткове вугілля має дуже велику вбирну здат­ність, особливо щодо органічних барвників, і застосовується для ви­далення з розчинів різних барвників.

Сажа являє собою найчистіший «аморфний» карбон. У промисло­вості її добувають термічним розкладанням метану, а також спалю­ванням при недостатньому доступі повітря смоли, скипидару та ін­ших речовин, багатих на карбон. Сажу застосовують як чорну фарбу (туш, друкарська фарба), а також у виробництві гуми як складову частину гуми.

Хімічні властивості карбону. Карбіди. При низьких темпера­турах вугілля, графіт і особливо алмаз інертні. Якщо їх нагрівати, то активність збільшується: вугілля легко сполучається з киснем і є добрим відновником. Найважливіший процес металургії — виплавляння металів з руд здійснюється за допомогою відновлення окси­дів металів вугіллям (або оксидом карбону).

З киснем карбон утворює діоксид (або двоокис) карбону СО₂ , який часто також називають вуглекислим газом, і оксид карбону (II), або окис карбону, CO.

При дуже високих температурах карбон сполучається з гідрогеном, сульфуром, силіцієм, бором і багатьма металами; карбон вступає в реакції легше, ніж графіт, і тим більше, алмаз.

Сполуки карбону з металами та іншими елементами, які є електро­позитивними щодо карбону, називаються карбідами. Вони утво­рюються при прожарюванні з вугіллям металів або їхніх оксидів.

Карбіди — кристалічні тіла. Природа хімічного зв'язку у них може бути різна. Так, багато карбідів металів головних підгруп І, II і III груп періодичної системи — це солеподібні сполуки з пере­важанням іонного зв'язку. До них належать карбіди алюмінію А1₄ С₃ і кальцію СаС₂ . Перший з них можна розглядати як продукт заміщен­ня гідрогену на метал у метані СН₄ , а другий в ацетилені С₂ Н₂ .

Справді, при взаємодії карбіду алюмінію з водою утворюється ме­тан:

А1₄ С₃ + 12Н₂ О = 4А1 (ОН)₃ + ЗСН₄ |,

а при взаємодії з водою карбіду кальцію — ацетилен:

СаС₂ + 2Н₂ О = Са (ОН)₂ + С₂ Н₂ |.

У карбідах силіцію SiC і бору В₄ С зв'язок між ато­мами ковалентний. Ці речовини характеризуються високою твердістю, тугоплавкістю, хімічною інертністю.

Більшість металів побічних підгруп IV—VIII груп періодичної системи утворюють карбіди, зв'язок у яких близький до металічного внаслідок чого ці карбіди де в чому схожі на метали, на­приклад, мають значну електропровідність. Вони також мають високу твердість і тугоплавкість; (карбіди цієї групи застосовують у ряді га­лузей промисловості)

Більшість цінних властивостей чавунів і сталей зумовлені наяв­ністю в них карбіду феруму Fе₃ С.

Діоксид карбону. Карбонатна кислота. Діоксид карбону СО₂ весь час утворюється в природі при окисленні органічних речовин (гниття рослинних і тваринних залишків, дихання, згоряння палива). У великій кількості СО₂ виділяється з вулканічних тріщин і з води мінеральних джерел.

У лабораторіях діоксид карбону звичайно добувають, діючи на мармур СаСО₃ хлоридною кислотою в апараті Кіппа:

СаСО₃ + 2НС1 = СаС1₂ + Н₂ О + C0₂

У промисловості велику кількість діоксиду карбону добувають при випалюванні вапна:

СаСО₃ = СаО + СО₂ Т.

Діоксид карбону за звичайних умов — безбарвний газ, приблиз­но в 1,5 раза важчий за повітря, завдяки чому його можна переливати як рідину, з однієї посудини в іншу. Маса 1 л СО₂ за нормальних умов становить 1,98 г. Розчинність діоксиду карбону у воді невелика: 1 об'єм води при 20° С розчиняє 0,88 об'єму СО₂ , а при 0° С — 1,7 об'єму. Застосовується діоксид карбону у виробництві соди за аміач­нохлоридним способом , для синтезу карбаміду, добування солей карбонатної кислоти, а також газування фруктових і мінеральних вод та інших напоїв.

Під тиском близько 0,6 МПа діоксид карбону при кімнатній тем­пературі перетворюється в рідину. Рідкий діоксид карбону зберіга­ють у стальних балонах. При швидкому виливанні його з балона, вна­слідок випаровування вбирається так багато теплоти, що СО₂ пере­творюється на тверду білу снігоподібну масу, яка, не розтоплюючись, сублімується при —78,5° С. Твердий діоксид карбону під назвою «сухий лід» застосовують для охолодження продуктів, що швидко псуються, для виробництва і зберігання морозива, а також у багатьох інших випадках, коли потрібна низька температура.

Розчин СО₂ у воді має кислуватий смак і виявляє слабкокислу ре­акцію, зумовлену наявністю в розчині невеликої кількості карбонатної кислоти Н₂ СО₃ , що утворюється за такою оборотною реакцією:

СО₂ + Н₂ О =Н₂ СО₃ .

Отже, діоксид карбону є ангідридом карбонатної кислоти.

Рівновага цієї реакції дуже зміщена вліво, тому лише незначна кількість розчиненого СО₂ перетворюється на карбонатну кислоту.

Карбонатна кислота Н₂ СО₃ може існувати лише у водному розчині. При нагріванні розчину діоксид карбону звітрюється, рівновага реак­ції утворення Н₂ СО₃ зміщується вліво і врешті-решт лишається чиста вода.

Карбонатна кислота дуже слабка. У розчині вона дисоціює, голов­ним чином, на іони Н⁺ і НСО3 і лише в мізерній кількості утворює іони СОз

Н₂ СО₃ = Н⁺ + HCO₃ ^- = 2 Н⁺ + CO₃ ^2-

Константа дисоціації карбонатної кислоти у першому ступені, що враховує рівновагу іонів з усією кількістю діоксиду карбону в розчині (у формі СО₂ і у вигляді карбонатної кислоти), виражається співвідношенням:

Константа дисоціації у другому ступені:

Як двохосновна кислота, карбонатна кислота утворює два ряди со­лей — середні і кислі; середні солі називаються карбонатами, кислі -гідрокарбонатами.

Солі карбонатної кислоти можна добути або дією діоксид карбону на луги, або за допомогою обмінних реакцій між розчинними солями карбонатної кислоти та солями інших кислот. Наприклад:

NaOH + СО₂ = NaHCO₃ ;

NaHCO₃ + NaOH = Na₂ CO₃ + H₂ O;

ВаС1₂ + Na₂ CO₃ = BaCO₃ | + 2NaCl.

З слабкими основами карбонатна кислота здебільшого дає основні со­лі, прикладом яких може бути гідроксокарбонат купруму (СuОН)₂ СО₃ . Мінерал такого складу існує в природі і називається малахітом.

При дії кислот, навіть таких слабких, як оцтова, всі карбонати розкладаються з виділенням діоксиду карбону. Цією реакцією часто користуються для відкриття карбонатів, оскільки виділення СО₂ лег­ко виявити за характерним шипінням.

При нагріванні всі карбонати, крім солей лужних металів, розкла­даються з виділенням СО₂ . Продуктами розкладання здебільшого є оксиди відповідних металів, наприклад:

MgCO₃ = MgO + CO₂ |;

СаСО₃ = Са0 + СО₂ |.

Гідрокарбонати лужних металів при нагріванні переходять у кар­бонати:

2NaHCO₃ = Na₂ CO₃ + СО₂ | + Н₂ О.

Більшістьгідрокарбонатів, а також карбонати калію, натрію, ру­бідію, цезію і амонію розчиняються у воді; карбонати інших металів у воді не розчиняються.

Розчини карбонатів лужних металів внаслідок гідролізу мають сильнолужну реакцію:

Na₂ CO₃ + Н₂ О = NaHCO₃ + NaOH

абоCO₃ ^2- + H₂ O =CO₃ ^- + OH ^-

З солей карбонатної кислоти у природі дуже поширений карбонат кальцію СаСО₃ . Він зустрічається у вигляді вапняку, крейди, мармуру.

Карбонат кальцію у воді не розчиняється. Тому вапняна вода (розчин гідроксиду кальцію) при пропусканні через неї діоксиду карбону стає каламутною:

Са (ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ | + Н₂ О.

Проте якщо пропускати СО₂ через вапняну воду довго, то кала­мутна спочатку рідина поступово світлішає і, нарешті, стає зовсім прозорою. Розчинення відбувається внаслідок утворення кислої солі — гідрокарбонату кальцію:

СаСО₃ + Н₂ О + СО₂ = Са (НСО₃ )₂ .

Гідрокарбонат кальцію — речовина нестійка. При кип'ятінні роз­чину або тривалому його стоянні на повітрі гідрокарбонат розклада­ється з виділенням СО₂ й утворенням середньої солі.

Розчинністю гідрокарбонатів у воді пояснюється постійне пересу­вання карбонатів у природі. Грунтові води, що містять СО₂ , проходячи крізь грунт і особливо крізь шари вапняку, розчиняють карбонат кальцію і виносять його з собою у вигляді гідрокарбонату в струмки, ріки і моря. Звідти він потрапляє в організми морських тварин і йде на побудову їхніх скелетів або, виділяючи діоксид карбону, знову перетворюється на карбонат кальцію і відкладається у вигляді шарів.

Крім карбонату кальцію у природі у великій кількості зустрічаєть­ся карбонат магнію MgCO₃ , відомий під назвою магнезиту. Карбонат магнію, як і карбонат кальцію, легко розчиняється у воді, що містить СО_2.

Деякі карбонати є цінними рудами. їх використовують для добу­вання металів, наприклад, шпатовий залізняк FeCO₃ , галмей ZnCO₃ .

Карбонат натрію, або сода, Na₂ CO₃ . У вигляді кристалогідрату сода відповідає формулі Na₂ CO₃ * 10Н₂ О. Але цей кристалогідрат легко вивітрюється — втрачає частину кристалізаційної води.

Сода один з найважливіших продуктів основної хімічної промис­ловості, її у великій кількості використовують скляна, миловарна, це­люлозно-паперова, текстильна, нафтова та інші галузі промисловості; її також застосовують для добування різних солей натрію. Застосо­вується сода і в побуті, головним чином як миючий засіб.

Тепер соду добувають у промисловості аміачнохлоридним способом, що грунтується на утворенні гідрокарбонату натрію при реакції між хлоридом натрію і гідрокарбонатом амонію у водному розчині.

Концентрований розчин хлориду натрію насичують аміаком, а по­тім пропускають у нього під тиском діоксид карбону, який добувають при випалюванні вапняку. Під час взаємодії аміаку, діоксиду карбону води утворюється гідрокарбонат амонію:

NH₃ + СО₂ + Н₂ О = NH₄ HCO₃ ,

який, вступаючи в обмінну реакцію з хлоридом натрію, утворює хло­рид амонію і гідрокарбонат натрію:

NH₄ HCO₃ + NaCl = NaHCO₈ | + NH₄ C1.

Гідрокарбонат натрію порівняно мало розчиняється в холодній воді і виділяється у вигляді осаду, який відфільтровують.

При прожарюванні гідрокарбонат натрію розкладається на карбо­нат, воду і діоксид карбону, який знову надходить у виробництво:

2NaHCO₃ = Na₂ CO₃ + CO₂ | + H₂ O.

Нагріваючи розчин, що містить хлорид амонію, з гашеним вапном, виділяють аміак:

2NH₄ CI+ Са (ОН)₂ =2NH₃ |+ СаС1₂ + 2Н₂ О,

який також повертається у виробництво.

Отже, єдиним відходом виробництва є хлорид кальцію, що лиша­ється у розчині після виділення аміаку і має обмежене застосування.

Добутий за аміачнохлоридним способом карбонат натрію не міс­тить кристалізаційної води і називається кальцинованою содою.

Карбонат калію, або поташ, К₂ СО₃ — це білий порошок, що роз­пливається у вологому повітрі і добре розчиняється у воді. Його засто­совують для виготовлення мила, тугоплавкого скла, у фотографії. Поташ добувають дією діоксиду карбону на розчин гідроксиду калію, що утворюється під час електролізу розчину хлориду калію:

2КОН + СО₂ = К₂ СО₃ + Н₂ О.

Важлива для практичних потреб сполука — карбамід, або сечо­вина, CO(NH₂ )₂ утворюється при взаємодії діоксиду карбону з аміа­ком під тиском:

СО₂ + 2NH₃ = CO (NH₂ )₂ + Н₂ О.

Оксид карбону (II). Оксид карбону (II), або окис карбону, CO— безбарвний, отруйний газ, що конденсується в рідину лише при —192° С і твердне при —205° С. У воді оксид карбону розчиняється дуже мало і не вступає з нею в хімічну взаємодію. Шість валентних електронів атомів карбону і кисню розміщуються на трьох зв’язуючих молекулярних орбіталях, утворюючи потрійний зв'язок; цей зв'язок має високу міцність (1076 кДж/моль).

Утворення потрійного зв'язку в молекулі COможна пояснити методом ВЗ. За рахунок двох неспарених електронів, які є у кожному з взаємодіючих атомів

виникають два ковалентні зв'язки:

Як показує ця схема, одна з орбіталей зовнішнього електронного шару атома карбону лишається незайнятою електронами. Отже цей атом може бути акцептором електронної пари. Атом же кисню зберігає на одній з р-орбіталей неподілену елект­ронну пару і, отже, має електроноподібні властивості. В результаті утворюється ще один ковалентний зв'язок — донорноакцепторний:

У молекулі, що утворилася таким способом, кожний з атомів має у зовнішньому шарі вісім електронів. Структуру молекули COможна подати схемою: С=О.

Тут стрілкою показано зв'язок, що утворився за донорноакцепторним

способом.

Розглянута реакція між карбоном та СО₂ , що приводить до утворення оксиду карбону, відбувається у дуже великих масштабах у доменному процесі , а також у газогенераторах.

У лабораторіях оксид карбону (II) звичайно добувають, добавляючи відбирає від оцтової кислоти воду, виділяючи оксид карбону (ІІ):

НСООН = CO| + Н₂ О.

Ця реакція показує, що оксид карбону (II) можна розглядати як ан­гідрид оцтової кислоти. Хоча оцтову кислоту не можна добути безпосередньо з оксиду карбону (II) і води, її солі утворюються при взаємодії їдких лугів з оксидом карбону при 150—200° С:

NaOH + CO = HCOONa.

На повітрі оксид карбону горить голубуватим полум'ям з виділенням великої кількості теплоти, перетворюючись в СО₂ :

2СО + О₂ = 2СО₂ + 566 кДж.

На сонячному світлі або при наявності активованого вугілля (ката­лізатор) оксид карбону безпосередньо сполучається з хлором, утворю­ючи дуже отруйний газ — фосген:

CO+ С1₂ = СОС1₂ .

Фосген — важливий промисловий продукт. Його застосовують для виробництва ряду органічних і неорганічних речовин, наприклад

барвників.

Оксид карбону (II) сполучається з багатьма металами, утворюючи карбоніли металів, наприклад карбоніл феруму Fe(CO)₆ , карбоніл нікелю Ni(CO)₄ . Останні дві речовини — це леткі, дуже от­руйні рідини. Більшість карбонілів металів — кристалічні речовини. Найбільше практичне значення мають карбоніли нікелю, кобальту і феруму. їх застосовують для добування металів високої чистоти ,нанесення металічних покриттів; крім того, вони є каталіза­торами багатьох важливих хімічних реакцій.

Хімічні зв'язки в молекулах карбонілів металів утворені за донорно-акцепторним способом і за рахунок неспарених електронних пар молекули CO та вільних орбіталей збудженого атома металу. Наприклад, у збудженого атома феруму є п'ять незайнятих орбіталей:

Тому молекула карбонілу феруму має склад, що відповідає формулі

Fe (CO)₅ .

При підвищеній температурі оксид карбону (II) — добрий віднов­ник, що відіграє важливу роль у металургії при відновленні металів з їхніх оксидів. Його використовують також як газоподібне паливо. Крім того, COє однією з вихідних ре­човин у виробництві ряду органічних сполук.

Оксид карбону дуже отруйний і особливо небезпечний тим, що не має запаху; тому отруєння ним може статися непомітно. Отруйна дія оксиду карбону, відома під назвою чаду, пояснюється тим, що CO легко сполучається з гемоглобіном крові і робить його нездатним переносити кисень від легень до тканин. Якщо вдихати свіже повітря, то утворена сполука (карбоксигемоглобін) поступово руйнується, і ге­моглобін відновлює здатність вбирати кисень.

Сполуки карбону з сульфуром і нітрогеном. З сполук карбону з сульфуром і нітрогеном велике практичне значення мають сульфід карбону CS₂ та ціаністоводнева (синильна) кислота HCN.

Сульфід карбону CS₂ добувають пропусканням пари сульфуру крізь шар розжареного карбону. Це безбарвна летка рідина, що сильно заломлює світло, кипить при 46° С. При тривалому зберіганні сульфід карбону стає жовтим і набуває неприємного запаху.

Сульфід карбону отруйний і легко загоряється. У ньому добре роз­чиняються сульфур, фосфор, йод, різні жири і смолисті речовини.

Ціаністоводнева кислота HCN. При високій температурі, напри­клад в електричній дузі, карбон може безпосередньо сполучатися з нітрогеном, утворюючи безбарвний отруйний газ диціан, молекулярна маса якого відповідає формулі C₂ N₂ . За своїми хімічними властивостя­ми диціан трохи схожий на галогени. Подібно до них, він утворює сполуку з гідрогеном HCN, що має кислотні властивості і дістала назву ціаністоводневої, або синильної, кислоти.

Ціаністоводнева кислота—безбарвна, дуже летка рідина, кипить при 26,7° С і має характерний запах гіркого мигдалю.

У водному розчині ціаністоводнева кислота лише незначною міроюдисоціює на іони

(К = 8 • 10^-10 ).

Ціаністоводнева кислота — сильна отрута, що діє смертельно навіть у мізерних дозах (менше 0,05 г).

Солі ціаністоводневої кислоти називаються ціанідами.З них найбільше застосовується ціанід калію.

Ціанід калію KCN — безбарвні кристали, що добре розчиняються у воді. Ціанід калію так само отруйний, як і синильна кислота. На повітрі під дією СО₂ він досить швидко розкладається, виділяючи синильну кислоту і перетворюючись на карбонат:

2KCN+ Н₂ О + СО₂ = К₂ СО₃ + 2HCN.

Як сіль дуже слабкої кислоти, ціанід калію у воді гідролізується:

CN^- + Н₂ О = HCN + ОН

Тому розчин ціаніду калію має лужну реакцію і дуже пахне синиль­ною кислотою. Аналогічні властивості має і ціанід натрію.

Ціаніди калію і натрію здатні розчиняти при наявності кисню по­вітря золото і срібло. На цьому грунтується їх застосування для добу­вання цих металів з руд. Крім того, їх використовують в органічному синтезі, для

гальванічного золотіння і сріблення.

Паливо і його види . Нафта, природний газ, кам'яне вугілля, а також багато сполук карбону відіграють важливу роль у сучасному житті як джерела добування енергії. При згорянні карбону і сполук, що містять карбон, виділяється теплота, яку використовують для виробничих процесів, опалення, готування їжі. Більша ж частина теп­лоти перетворюється в інші види енергії і витрачається на виконання механічної роботи.

До основних видів палива належать викопне вугілля, торф, дрова, нафта і природний газ.

Викопне вугілля використовують безпосередньо для спа­лювання і для переробки у цінніші види палива — кокс, рідке пальне, газоподібне паливо.

Викопне вугілля являє собою залишки стародавнього рослинного світу. Чим старіше вугілля, тим багатше воно на карбон.Розрізняють три головних види викопного вугілля.

Антрацит — найдавніше з викопного вугілля. Відзначається ве­ликою щільністю і блиском. Містить у середньому 95% карбону.

Кам'яне вугілля містить 75—90% карбону. З усіх видів викопного вугілля застосовується найбільше.

Буре вугілля містить 65—70% карбону. Має бурий колір. Наймо­лодше з усіх видів викопного вугілля; часто зберігає сліди структури дерева, з якого воно утворилося. Буре вугілля має велику гігроскопіч­ність і високу зольність (від 7 до 38%), тому його використовують тільки як місцеве паливо і як сировину для хімічної переробки. Зокрема, за допомогою гідрогенізації добувають цінні види рідкого палива — бензин і гас.

Торф — продукт першої стадії утворення викопного вугілля. Він відкладається на дні боліт з відмерлих частин болотного моху. Вміст карбону в торфі становить 55—60%. Основний недолік торфу як палива — висока зольність. Його використовують як місцеве па­ливо.

При сухій перегонці торфу добувають деякі цінні хімічні продук­ти, а також торф'яний кокс, що містить дуже мало сульфуру; це дає змогу застосовувати торф'яний кокс для виплавляння високоякісного чавуну.

Дрова займають другорядне місце в загальному балансі палива. Застосування їх у промисловості весь час зменшується.

Нафту як паливо широко застосовують з кінця XIXст., коли було винайдено двигун внутрішнього згоряння, що працює на продуктах

переробки нафти.

Однак нафта — не лише зручне і висококалорійне паливо, а й над­звичайно важливий вид сировини для виробництва найрізноманітні­ших хімічних продуктів (синтетичного спирту, миючих засобів, каучукоподібних матеріалів, розчинників тощо). Широко використовують як сировину для хімічної промисловості також попутні гази нафтови­добутку і гази нафтопереробки.

Природний газ, що складається з метану та інших насичених вуглеводнів,— дуже дешеве і зручне паливо.

Природний газ — чудове паливо і є також надзвичайно цінною, економічно вигідною сировиною для промисловості органічного син­тезу. На базі природного газу у нашій країні побудовано ряд нових хімічних заводів; на цей вид сировини переводять також діючі хімічні підприємства.

Однакові кількості палива при спалюванні дають різні кількості теплоти. Тому для оцінки якості палива визначають його тепло­творну здатність, тобто кількість тепла, що виділяється при повному згорянні 1 кг палива.

Подаємо приблизні значення теплотворної здатності (в кДж/кг)

різних видів палива:

Силіцій у природі. Добування і властивості силіцію . Силіцій — один з найпоширеніших у земній корі елементів. Він становить 27% (мас.) доступної нашому дослідженню частини земної кори, зай­маючи щодо поширеності друге місце після кисню. У природі силіцій трапляється лише в сполуках: у вигляді діоксиду силіцію SiO₂ , що та­кож називається ангідридом силіцію, або кремнеземом, і у вигляді солей силікатних кислот (силікатів). У природі найбільше поширені алюмосилікати, тобто силікати, до складу яких входить алюміній. До них належать польові шпати, слюди, каолін та ін.

Так само як карбон, входячи до складу всіх органічних речовин, є дуже важливим елементом рослинного і тваринного світу, силіцій — основний елемент у світі мінералів і гірських порід. У більшості організмів вміст силіцію дуже невеликий. Проте деякі морські організми нагромаджують великі кількості силіцію. До багатих на нього морських рослин належать діатомові водорості, з тварин багато силіцію містять радіолярії, силіцієві губки.

Вільний силіцій можна добути, прожарюючи з магнієм дрібний білий пісок, що є діоксидом силіцію:

SiO₂ + 2Mg= 2MgO+ Si.

При цьому утворюється бурий порошок аморфного силіцію.

Силіцій розчиняється у розплавлених металах. При повільному охолодженні розчину силіцію в цинку або в алюмінії силіцій виді­ляється у вигляді добре утворених кристалів октаедричної форми. Кристалічний силіцій має стальний блиск.

Кристали силіцію високої чистоти, що. мають мінімальне число дефектів структури, характеризуються дуже низькою електропровід­ністю; домішки і порушення правильності будови різко збільшують її.

Силіцій застосовують в основному в металургії і напівпровідни­ковій техніці. У металургії його використовують для видалення кис­ню з розплавлених металів; він є також складовою частиною багатьох сплавів, найважливіші з яких — сплави на основі феруму, купруму та алюмінію. В напівпровідниковій техніці силіцій використовують для виготовлення фотоелементів, підсилювачів, випрямлячів. Напів­провідникові прилади на основі силіцію витримують нагрівання до 250° С, що розширює галузь їх застосування.

У промисловості силіцій добувають відновленням діоксиду силіцію коксом в електричних печах:

SiO₂ + 2С = Si + 2C0|.

Добутий цим способом силіцій містить 2—5% домішок. Силіцій високої чистоти, потрібний для виготовлення напівпровідникових при­ладів, добувають складнішим способом. Природний кремнезем пере­водять у таку сполуку силіцію, яка піддається глибокому очищенню. Потім силіцій виділяють з добутої чистої речовини термічним розкла­данням або дією відновника. Один з таких способів полягає в перетво­ренні кремнезем у хлорид силіцію SiCl₄ , очищенні цього продукту і відновленні з нього силіцію високочистим цинком. Дуже чистий силіцій можна добути також термічним розкладанням йодиду силіцію Sil₄ або силану SiH₄ . Добутий цим способом силіцій містить дуже мало домішок і придатний для виготовлення деяких напівпровідникових приладів. Щоб добути ще чистіший продукт, його додатково очищають, наприклад зонною плавкою

У хімічному відношенні силіцій, особливо кристалічний, малоак­тивний; при кімнатній температурі він безпосередньо сполучається лише з фтором. Якщо аморфний силіцій нагрівати, то він легше спо­лучається з оксигеном, галогенами і сульфуром.

Кислоти, крім суміші фтористоводневої і нітратної, не діють на силіцій, але луги енергійно з ним реагують, виділяючи гідроген і утво­рюючи солі силікатної кислоти H₂ Si0₃ :

Si+ 2КОН + Н₂ О = K₂ Si0₃ + 2H₂ |

При наявності слідів лугу, що відіграє роль каталізатора, силіцій витісняє гідроген також з води.

Якщо в електричній печі розжарювати суміш піску і коксу, взя­тих у певному співвідношенні, то утворюється сполука силіцію з карбоном — карбід силіцію SiC, що називається карборундом:

SiO₂ + ЗС = SiC + 2C0|

Чистий карборунд — безбарвні дуже тверді кристали (густина 3,2 г/см³ ). Технічний продукт звичайно забарвлений домішками в тем­но-сірий колір.

За внутрішньою будовою карборунд є ніби алмазом, у якому половина атомів карбону рівномірно замінена атомами силіцію. Кожний атом карбону міститься в центрі тетраедра, у вершинах якого розміщено атоми силіцію; в свою чергу, кожний атом силіцію оточений подібним чином чотирма атомами карбону. Ковалентні зв'я­зки, що сполучають усі атоми в цій структурі, як і в алмазі, дуже міцні, чим поясню­ється велика твердість карборунду.

Карборунд добувають у великій кількості; завдяки високій твер­дості і вогнетривкості він набув широкого застосування. З порошку карборунду виготовляють шліфувальні круги, бруски, шліфуваль­ний папір. На його основі виробляють плити для підлог, платформ, переходів у метро і на вокзалах. З нього виробляють муфелі і футеровку для різних печей. Суміш порошків карборунду і силіцію — мате­ріал для виготовлення силітових стержнів для електричних печей.

При високій температурі силіцій вступає в сполуку з багатьма металами, утворюючи силіциди. Наприклад, при нагріванні діоксиду силіцію з надлишком металічного магнію силіцій, що при цьому відновлюється, сполучається з магнієм, утворюючи силіцид магнію Mg₂ Si: 4Mg + SiO₂ = Mg₂ Si + 2MgO.

Сполуки силіцію з гідрогеном і галогенами. Якщо хлоридною кисло­тою подіяти на силіцид магнію Mg₂ Si, то утвориться силіцієводень (силан) SiH₄ , подібний до метану:

Mg₂ Si + 4НС1 = 2MgCl₂ + SiH₄ |

Силан SiH₄ — безбарвний газ, який самозаймається на повітрі і згоряє з утворенням діоксиду силіцію та води:

SiH₄ + 2О₂ = SiO₂ + 2Н₂ О.

Крім SiH₄ , відомо кілька інших силіцієводнів, які мають загальну назву силанів, наприклад дисилан Si₂ H₆ , трисилан Si₃ H₈ . Силани аналогічні вуглеводням, але відрізняються від них малою стійкістю. Очевидно, зв'язок між атомами силіцію значно менш міцний, ніж зв'язок між атомами карбону, внаслідок чого ланцюги —Si—Si—Si— легко руйнуються. Неміцний також зв'язок силіцію з гідрогеном, що свід­чить про значне ослаблення неметалічних властивостей силіцію.

Хлорид силіцію SiCl₄ добувають нагріванням суміші діоксиду силіцію з карбоном в струмені хлору:

SiO₂ + 2С + 2С1₂ = SiCl₄ + 2C0|

або хлоруванням технічного силіцію. Хлорид силіцію — це рідина, що кипить при 57° С.

При дії води хлорид силіцію повністю гідролізується з утворен­ням силікатної і хлоридної кислот:

SiCl₄ + ЗН₂ О = H₂ Si0₃ + 4HC1.

Внаслідок цієї реакції при випаровуванні SiCl₄ у вологому повітрі утворюється густий дим. Хлорид силіцію застосовують для синтезу силіційорганічних сполук.

Фторид силіцію SiF₄ утворюється при взаємодії фтороводню з діоксидом силіцію:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ | + 2H₂ O

Це — безбарвний газ з різким запахом.

Як і SiCl₄ у водних розчинах SiF₄ гідролізується:

SiF₄ + ЗН₂ О = H₂ Si0₃ + 4HF.

Фтороводень, що при цьому утворюється, взаємодіє з SiF₄ . При цьому утворюється гексафторосилікатна (або силіцієфтористоводнева) кислота H₂ SiF₆

SiF₄ + 2HF = H₂ SiF₆ .

Сумарний процес виражається рівнянням:

3SiF₄ + ЗН₂ О = 2H₂ SiF₆ + H₂ Si0₃ .

За силою гексафторосилікатна кислота наближається до сульфатної. Солі її — силіцієфториди, або фторосилікати, зде­більшого розчиняються у воді; малорозчин­ними є солі натрію, калію, рубідію, цезію, практично нерозчинна сіль барію. Сама кислота і всі фторосилікати отруйні.

Фторосилікат натрію Na₂ SiF₆ застосо­вують як інсектицид; він також входить до складу сумішей для виробництва цементів та емалей. Розчинні фторосилікати магнію, цинку, алюмінію застосовують у будівницт­ві. Ці речовини роблять поверхню будівель­ного каменя — вапняку, мармуру — водо­непроникною. Така їх дія пояснюється ут­воренням малорозчинних фторидів і крем­незему.

Діоксид силіцію. Найстійкішою сполукою силіцію є діоксид силіцію, або

кремнезем, SiO₂ . Він трапляється у природі в кристалічному і аморф­ному стані.

Кристалічний діоксид силіцію трапляється головним чином у вигляді мінералу кварцу. Прозорі, безбарвні кристали кварцу, що мають форму шестигранних призм з шестигранними пірамідами на кінцях, називаються гірським кришталем Гірський криш­таль, забарвлений домішками в ліловий колір, називається аметис­том, а в буруватий — димчастим топазом. Але частіше кварц трап­ляється у вигляді суцільних напівпрозорих мас, безбарвних або за­барвлених у різні кольори. Однією з різновидностей кварцу є кремінь.

До дрібнокристалічних різновидностей кварцу належать агат і яшма. Кварц входить також до складу багатьох складних гірських порід, наприклад граніту і гнейсу.

З дрібних зерен кварцу складається звичайний пісок. Чистий пі­сок має білий колір, але частіше він буває забарвлений сполуками заліза в жовтий або червонуватий колір.

Кристалічний діоксид силіцію дуже твердий, не розчиняється у воді, плавиться близько 1610° С, перетворюючись у безбарвну рідину. Після охолодження цієї рідини утворюється прозора скловидна маса аморфного діоксиду силіцію, на вигляд схожа на скло.

Аморфний діоксид силіцію поширений у природі значно менше, ніж кристалічний. На дні морів є відклади тонкого пористого аморф­ного кремнезему, що називається трепелом, або кізельгуром. Ці від­клади утворилися з SiO₂ , що входив до складу організмів діатомових водоростей і деяких інфузорій.

Кислоти, за винятком плавикової, не. діють на діоксид силіцію. Плавикова кислота легко вступає з ним у реакцію, утворюючи фторид силіцію і воду. Кремнезем у вигляді піску широко застосовують і в будівництві, для виготовлення скла, кераміки, цементу, абразивів. Особлива галузь застосування кварцу пов'я­зана з тим, що він здатний деформуватися під дією електричного поля.

Цю властивість кристалів кварцу використовують у звукозаписуючій і звуковідтворюючій апаратурі і для генерації ультразвукових коливань.

Силікатні кислоти та їхні солі. Діоксид силіцію — кислот­ний оксид. Йому відповідають слабкі малорозчинні у воді силікатних кислоти. їх можна подати загальною формулою nSiO₂ • mH₂ 0. У віль­ному стані виділено ортосилікатну H₄ Si0₄ , метасилікатна (або силікатну) H₂ SiO₃ і кілька інших кислот. Метасилікатна кислота досить легко утворює перенасичені розчини, у яких вона поступово полімеризується і переходить у колоїдний стан. За допомогою стабілізато­рів можна добути стійкі золі силікатної кислоти високої концентрації. Ці розчини застосовують у деяких виробництвах, наприклад для виготовлення паперу, обробки води. Якщо немає стабілізаторів, то золь силікатної кислоти переходить у гель. Коли висушити його, то утворюється пористий продукт (силікагель), що застосовуєтеся як осушувач та адсорбент.

Солі силікатних кислот — силікати — здебільшого у воді не розчиняються; розчиняються лише силікати натрію і калію. Вони утворюються у процесі сплавляння діоксиду силіцію з їдкими лугами або карбонатами калію і натрію, наприклад:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂ Si0₃ + H₂ O;

SiO₂ + K₂ CO₃ = K₂ Si0₈ + CO₂ |.

Завдяки зовнішній подібності до скла і розчинності у воді силі­кати натрію і калію дістали назву розчинного скла.

Розчинне скло у вигляді водних розчинів, що називаються рідким склом, застосовують для виготовлення кислототривкого цементу і бетону, газонепроникних штукатурок по бетону, для про­сочування тканин, виготовлення вогнезахисних фарб по дереву, для хімічного зміцнення слабких грунтів.

У розчинах Na₂ Si0₈ Ta K₂ Si0₃ сильно гідролізовані: ці розчини мають лужну реакцію.

Наприклад, СаСО₃ можна розглядати як сполуку СаО і CO_2, A1₂ (SO₄ )₃ —як сполуку А1₂ О₃ і 3SO₃ і т. д. На цій підставі при зобра­женні складу силікатів звичайно пишуть окремо формули діоксиду силіцію і всіх оксидів, що утворюють силікат, сполучаючи їх крап­ками.

Як уже зазначалося, силікати, що містять алюміній, називаються алюмосилікатами. Найважливішими з них є польові шпати.

До складу польових шпатів, крім оксидів силіцію й алюмінію, входять оксиди калію, натрію або кальцію. Звичайний польовий шпат, або ортоклаз, містить оксид калію; його склад виражається фор­мулою К₂ О • А1₂ О₃ • 6SiO₂ . Колір польових шпатів здебільшого бу­ває білий або червоний. Польові шпати трапляються в природі у ви­гляді суцільних покладів і в складі гірських порід.

До алюмосилікатів належать також слюди, які можна розко­лювати на тонкі, гнучкі листочки. Слюди мають складну будову і по­ряд з силіцієм та алюмінієм містять гідроген, калій або натрій; до складу деяких слюд входять також кальцій, магній і ферум. Звичайна біла слюда, великі прозорі пластинки якої внаслідок їхньої тугоплавкості часто застосовують для закривання отворів у різних печах, є силі­катом калію та алюмінію. Слюди, що містять велику кількість феруму і магнію, мають чорний колір. Окремо слюди зустрічаються не часто, але вони входять до складу багатьох гірських порід. З кристалів квар­цу, польового шпату і слюди складаються найпоширеніші складні гірські породи — граніти і гнейси.

На поверхні Землі мінерали і гірські породи, що стикаються з атмосферою, зазнаючи механічних і хімічних дій води і повітря, по­ступово змінюються і руйнуються. Це руйнування, зумовлене одно­разовою діяльністю води і повітря, називається вивітрюван­ням. Наприклад, вода, що містить діоксид карбону, діє на орто­клаз так, що К₂ О відщеплюється і, сполучаючись з СО₂ , дає поташ К₂ СО₃ ; відщеплюється також частина SiO₂ , а залишок сполучається з водою і утворює новий силікат — каолін, який є основою різних

глин.

Розкладання ортоклазу можна виразити рівнянням:

К₂ О • А1₂ О₃ . 6SiO₂ + СО₂ + пН₂ О = К₂ СО₃ + 4SiO₂ • (п — 2) Н₂ О + А1₂ О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂ О.

Каолін

Чистий каолін трапляється досить рідко. Він має білий колір і містить лише незначну домішку кварцового піску. Такий каолін вико­ристовують для виготовлення фарфору. Звичайна глина — це суміш каоліну з іншими речовинами, що забарвлюють її в жовтуватобурий або синюватий колір.

Германій (Germanium). Цей елемент, існування якого у 1871 р. передбачив Д. І. Менделєєв на основі періодичного закону, відкрив у 1886 р. німецький хімік Вінклер . Загальний вміст германію в земній корі становить близько 0,0007% (мас). Мінерали, що містять германій в значній кількості, трапляються дуже рідко. Джерелом добування германію звичайно є побічні продукти, які ут­ворюються під час переробки руд кольорових металів, а також зола від спалювання деяких видів вугілля.

У компактному стані германій має сріблястий колір і зовнішнім виглядом схожий на метал. При кімнатній температурі він стійкий проти дії повітря, кисню, води, хлоридної і розбавленої сульфатної кислот. Нітратна і концентрована сульфатна кислота окислюють його до діоксиду GeO₂ , особливо при нагріванні:

Ge + 2H₂ SO₄ = GeO₂ | + 2SO₂ 1 + 2H₂ O.

Германій взаємодіє також з лугами при наявності пероксиду вод­ню. При цьому утворюються солі германієвої кислоти - германати, наприклад:

Ge+ 2NaOH + 2Н₂ О₂ = Na₂ GeO₃ + 3H₂ O.

Сполуки германію (II) малостійкі. Значно характернішими для германію є сполуки, у яких ступінь його окислення дорівнює +4.

Діоксид германію GeO₂ — білі кристали (густина 4,703 г/см³ ), які помітно розчиняються у воді, причому розчин проводить електричний струм. Діоксид германію добувають різними способами; зокрема, його можна добути нагріванням германію в кисні або окисленням його концентрованою нітратною кислотою.

Діоксид германію — амфотерна сполука з сильно переважаючими кислотними властивостями, внаслідок чого він легко розчиняється в лугах, утворюючи германати.

Германоводні. Діючи на хлорид германію GeCl₄ амальгамою натрію у струмені водню або розкладаючи кислотами сплав германію з магнієм, можна до­бути тетрагідрид германію GeH₄ . Це безбарвний газ, який аналогічно миш'яководню при нагріванні розкладається, утворюючи на стінках реакційної посудини мета­лічне дзеркало.

Германій мав напівпровідникові властивості і з цим пов'язано його основне застосування. Германій, який використовують для ви­готовлення напівпровідникових виробів, дуже старанно очищають різними способами. Один з найважливіших способів добування високочистого германію — це зонна плавка. Для надання очищеному германію необхідних електричних властивостей у нього вводять дуже невеликі кількості певних домішок. Такими домішками є елементи п'ятої і третьої груп періодичної системи, наприклад миш'як, сурма, алюміній, галій. Напівпровідникові прилади з гер­манію (випрямлячі, підсилювачі) широко застосовуються в радіо і телевізійній техніці, радіолокації, електронно-обчислювальних ма­шинах. З германію виготовляють також термометри опору.

З сполук германію застосовують, наприклад GeO₂ , який входить до складу скла, що має високий коефіцієнт заломлення, а також про­зорість в інфрачервоній частині спектра.

Станум ( Stannum ). Станум не належить до числа поширених металів (вміст його в земній корі становить 0,04%), але воно легко виплавляється з руд і тому стало відомим людині у вигляді його сплавів з купрумом (бронзи) ще в глибоку давнину. Станум звичайно трапляється у вигляді кисневої сполуки SnO₂ - ка­меню стануму , з якого і добувають його за допомогою відновлення ву­гіллям.

У вільному стані станум — сріблястобілий м'який метал. При зги­нанні палички стануму чути характерний тріск, зумовлений тертям окремих кристалів між собою. Станум м'який, тягучий, його можна легко прокатати в тонкі листи, що називаються олов'яною фольгою абостаніолем.

Крім звичайного білого стануму, що кристалізується в тетрагональній системі, існує друга видозміна стануму —сірий станум —, що кристалізу­ється в кубічній системі і має меншу густину. Біле станум стійке при температурах вище за 14° С, а сіре — при температурах нижче за 14° С. Тому при охолодженні білий станум перетворюється в сірий. У зв'яз­ку із значною зміною густини метал при цьому розсипається на сірий порошок. Це явище дістало назву олов' яної чуми. Найшвид­ше білий станум перетворюється в сірий при температурі близько —30° С; цей процес прискорюється при наявності зародків кристалів сірогостануму.

Сплави стануму з сурмою і купрумом застосовують для виготовлення під­шипників. Ці сплави ( бабіти стануму) мають високі антифрикційні властивості. Сплави стануму з плюмбумом — припої — широко застосову­ються для паяння. Як легуючий компонент станум входить у деякісплави купруму.

На повітрі станум при кімнатній температурі не окислюється, але нагріте вище від температури плавлення поступово перетворюється вдіоксид стануму SnO₂ .

Вода не діє на станум. Розбавлені хлоридна і сульфатна кислоти діють на нього дуже повільно, що пояснюється великим перенапруженням виділення гідрогену на цьому металі. Концентровані розчини цих кис­лот, особливо при нагріванні, розчиняють станум. При цьому в хлоридній

кислоті утворюється хлорид стануму (ІІ), а в сірчаній — сульфат стануму (IV):

Sn + 2НС1 = SnCl₂ + H₂ |

Sn + 4H₂ SO₄ = Sn (SO₄ )₂ + 2SO₂ | + 4H₂ O.

З нітратною кислотою станум взаємодіє тим інтенсивніше, чим вищі концентрація кислоти і температура. В розбавленій кислоті утворю­ється розчинний нітрат стануму (ІІ):

4Sn + 10HNO₃ = 4Sn (NO₃ )₂ + NH₄ NO₃ + 3H₂ O,

а в концентрованій — сполуки стануму (IV), головним чином, нерозчин­на b -станатна кислота, склад якої приблизно відповідає формулі H₂ Sn0₃ :

Sn + 4HNO₃ = H₂ Sn0₃ 1 + 4NO₂ 1 + H₂ O.

Концентровані луги також розчиняють станум. При цьому утво­рюються станіти — солі станистої кислоти H₂ Sn0₂ :

Sn + 2NaOH= Na₂ Sn0₂ + H₂ 1.

У розчинах станіти існують в гідратованих формах, утворюючи гідроксостаніти, наприклад:

Na₂ Sn0₂ + 2Н₂ О = Na₂ [Sn (OH)₄ ]

На повітрі стануму вкривається тонкою оксидною плівкою, що має захисну дію. Тому в умовах несильного корозійного впливу воно є хімічно стійким металом. Близько 40% всього стануму, яке виплавляють, витрачається на покриття ним виробів із заліза, які контактують з продуктами харчування, насамперед консервних банок. Це пояснюєть­ся зазначеною хімічною стійкістю стануму, а також тим, що його легко наносити на залізо і що продукти його корозії нешкідливі.

Станум утворює стійкі сполуки, у яких має ступінь окислення +2 і +4.

Сполуки стануму (II). Оксид стануму (II), або окис стануму, SnO— темнобурий порошок, що утворюється при розкладанні гідроксиду стануму (II)Sn(OH)₂ в атмосфері діоксиду карбону.

Гідроксид стануму (II) Sn (OH)₂ утворюється у вигляді білого осаду при дії лугів на солі стануму (II):

Sn²⁺ + 2ОН- = Sn (OH) ₂ |

Гідроксид стануму (II) — амфотерна сполука. Він легко розчиняється у кислотах і лугах, в останньому випадку з утворенням гідроксостанітів:

Sn(ОН)₂ + 2NaOH = Na₂ [Sn(ОН)₄ ].

Хлорид стануму (II) SnCl₂ • 2Н₂ О утворює безбарвні кристали. При нагріванні або значному розбавлянні розчину хлориду стануму (II) во­дою він частково гідролізується з утворенням осаду основної солі:

SnCl₂ + Н₂ О = SnOHCl |+ НС1.

Хлорид стануму (II) — відновник. Так, хлорид феруму (III) FeCl₃ відновлюється ним у хлорид феруму (II) FeCl₂ :

2FeCl₃ + SnCl₂ == 2FeCl₂ + SnCl₄ .

Якщо хлоридом стануму (II) подіяти на розчин хлориду гідраргіруму (II) (сулеми) HgCl₂ , то утворюється білий осад хлориду гідраргіруму (І) (каломелі) Hg₂ Cl₂ :

2HgCl₂ + SnCl₂ = Hg₂ Cl₂ |+ SnCI₄ .

В разі надлишку хлориду стануму відновлення відбувається ще далі і утворюється металічний гідраргірум:

Hg₂ Cl₂ + SnCI₂ =2Hg+ SnCl₄ .

Сполуки стануму (IV). Діоксид (або двоокис) остануму SnO₂ зустрічається в природі і його можна добути штучно спалюванням ме­талу на повітрі або окисленням його нітратною кислотою з дальшим про­жарюванням добутого продукту. Діоксид стануму застосовують для ви­готовлення білих полив та емалей.

Гідроксиди стануму (IV) називаються станатними кислотами, вони ві­домі у двох модифікаціях: а-станатної і р-станатної кислот.

а-Станатну кислоту H₂ Sn0₃ можна добути дією водного розчину аміаку на розчин хлориду стануму (IV):

SnCl₄ + 4NH₄ OH = H₂ Sn0₃ |+4NH₄ C1 + H₂ O.

Білий осад, що при цьому випадає, в процесі висушування посту­пово втрачає воду, перетворюючись у діоксид стануму. Таким способом не вдається добути кислоти певного складу. Тому наведена вище фор­мула а-станатної кислоти є лише найпростішою з можливих. Пра­вильніше виразити склад цієї кислоти формулою mSnO₂ • пН₂ О. a-станатну кислота легко розчиняється в лугах, утворюючи солі, щомістять комплексний аніон [Sn(OH)_e ]^2- і називаються гідроксостанатами:

`H₂ Sn0₃ + 2NaOH + H₂ O = Na₂ [Sn (OH)₆ ].

Гідроксостанат натрію виділяється з розчинів у вигляді криста­лів, склад яких можна виразити формулою Na₂ Sn0₃ • 3Н₂ О. Цю сіль застосовують як протраву у фарбувальній справі і для обважню­вання шовку. Шовкові тканини, оброблені перед фарбуванням розчи­нами сполук стануму, іноді містять станум в кількості до 50% (мас).

Кислоти також розчиняють а-станатну кислоту з утворенням солей стануму (IV). Наприклад:

H₂ Sn0₃ + 4НС1 = SnCl₄ + ЗН₂ О.

В разі надлишку соляної кислоти хлорид стануму (IV) приєднує дві молекули її, утворюючи комплексну кислоту гексахлоростанатну (або станатнохлористоводневу) H₂ [SnCl₆ ]. Амонійна сіль цієї кислоти (NH₄ )₂ [SnCl₆ ] має таке саме застосування, як і гідроксостанат натрію.

b -Станатну кислоту добувають у вигляді білого порошку дією кон­центрованої азотної кислоти на станум. Склад її такий же невизначений, як і склад а-станатної кислоти. На відміну від a-станатної кислоти, вона не розчиняється ні в кислотах, ні в розчинах лугів. Проте, сплавляючи з лугами, її можна перевести в розчин у вигляді станату. а-Станатна кислота під час зберігання ЇЇ в контакті з розчи­ном, з якого вона виділилася, поступово також перетворюється в b-станатну кислоту.

Хлорид стануму (IV) SnCl₄ — рідина, що кипить при 112°С і дуже димить на повітрі. Хлорид стануму (IV) утворюється при дії хлору на металічне стануму або на хлорид стануму (II). У техніці його добувають, головним чином, обробкою відходів білої жерсті (старих консервних банок) хлором.

Хлорид стануму (IV) розчиняється у воді І його можна виділити з розчину у вигляді різних кристалогідратів, наприклад SnCl₄ -5Н₂ О.

У водних розчинах, особливо в розбавлених, хлорид стануму (IV) гідролізується; кінцевим продуктом гідролізу є а-станатна кислота:

SnCI₄ +3H₂ O = H₂ Sn0₃ +4HCI.

Гідрид стануму SnH₄ — безбарвний, дуже отруйний газ. Він зріджу­ється при —52° С, а при кімнатній температурі поступово розклада­ється на стануму і гідрогену.

Сульфіди стануму. Якщо сірководнем подіяти на розчин хлориду стануму (II), то утвориться бурий осад сульфіду стануму (II) SnS. З розчину хлориду стануму (IV) за тих же умов випадає жовтий осад дисульфіду стануму SnS₂ . Останню сполуку можна добути також на­гріванням станатних ошурків з сульфуром і хлоридом амонію. Добутий цим способом дисульфід має вигляд золотисто-жовтих лусочок і під назвою «сусального золота» використовується для позолоти дерева.

Дисульфід стануму розчиняється у сульфідах лужних металів та амонію, причому утворюються легкорозчинні солі тіостанатної кислоти H₂ SnS₈ :

SnS₂ + (NH₄ )₂ S = (NH₄ )₂ SnS₃ .

Вільна тіостанатна кислота не відома. При дії кислот на її солі (тіостанати) виділяється сірководень і знову утворюється дисульфід стануму:

(NH₄ )₂ SnS₃ + 2HC1 = SnS₂ | + H₂ S + 2NH₄ C1.

Сульфід стануму (II) не розчиняється у сульфідах лужних металів і амонію, але полісульфіди амонію і лужних металів розчиняють його з утворенням тіостанатів

SnS+ (NH₄ )₂ S₂ = (NH₄ )₂ SnS₃

Плюмбум (Plumbum). Вміст плюмбуму в земній корі становить 0,0016% (мас). Найважливіша руда, з якої добувають плюмбум, — плюмбумний блиск PbS.

Перша металургійна операція при добуванні плюмбуму — це випа­лювання, під час якого сульфід плюмбуму перетворюється в оксид:

PbS + ЗО₂ = 2РЬ0 + 2SO₂ .

Добутий оксид плюмбуму (І І) плавлять у суміші з коксом, в результаті чого утворюється чорновий плюмбум, який містить домішки багатьох металів. Його піддають дальшій очистці.

Плюмбум — голубувато-білий важкий метал, дуже м'який — його можна різати ножем.

Плюмбум широко використовують у техніці. Найбільше його ви­трачають на виготовлення оболонок кабелів та пластин акумуляторів. На сірчанокислотних заводах з плюмбуму виготовляють кожухи башт, змійовики холодильників та інші важливі частини апаратури. Плюмбум використовують у виготовленні боєприпасів, з нього виробляють дріб.

Він входить до складу багатьох сплавів, наприклад, сплавів для під­шипників, друкарського сплаву (гарту), припоїв. Плюмбум добре по­глинає

g-проміння і його використовують для захисту від цього про­міння, коли доводиться працювати з радіоактивними речовинами.

Деяка кількість плюмбуму витрачається на виробництво тетраетилплюмбуму.На повітрі Плюмбум швидко вкривається тонким шаром оксиду, що захищає його від дальшого окислення. Вода не взаємодіє з плюмбумом, але при наявності повітря плюмбум поступово руйнується водою з ут­воренням гідроксиду плюмбуму (II):

2РЬ + О₂ + 2Н₂ О = 2РЬ (ОН)₂ .

При контакті з твердою водою Плюмбум вкривається захисною плів­кою нерозчинних солей (головним чином, сульфату і гідроксокарбонату плюмбуму), що перешкоджає дальшій дії води і утворенню гідро­ксиду.

Розбавлені хлоридна і сульфатна кислоти майже не діють на плюмбум. Це пов'язано з значною перенапругою виділення водню на плюмбумі, а також з малою розчинністю хлориду і сульфату плюмбуму, які закривають поверхню металу, що розчиняється. В концентрованій сульфатній кисло­ті, особливо при нагріванні, плюмбум інтенсивно розчиняється з утво­ренням розчинної кислої солі Pb (HSO₄ )₂ .

В нітратній кислоті плюмбум розчиняється легко, причому в кислоті невисокої концентрації швидше, ніж у концентрованій. Це пояснюється тим, що розчинність продукту корозії — нітрату плюмбуму — знижу­ється із збільшенням концентрації кислоти. Плюмбум порівняно легко розчиняється в оцтовій кислоті, що містить розчинений кисень.

У лугах плюмбум також розчиняється, хоч і повільно; Інтенсивніше він розчиняється в гарячих розбавлених розчинах. Внаслідок розчи­нення утворюються гідроксоплюмбіти, наприклад:

РЬ + 4КОН + 2Н₂ О = К₄ [РЬ (ОН)₆ ] + Н₂ |

Гідроксоплюмбіткалію

Всі розчинні сполуки плюмбуму отруйні.

Для плюмбуму характерні ступені окислення +2 і +4. Значно стій­кіші і численніші сполуки з ступенем окислення плюмбуму +2.

Сполуки плюмбуму (II). Оксид плюмбуму (II), або окис плюмбуму, РЬО — жовтий порошок, що утворюється при нагріванні розплавлено­го плюмбуму на повітрі. Після прожарювання приблизно при 500° С він набуває червонувато-жовтого кольору і в такому вигляді називаєть­ся глетом.

Оксид плюмбуму має різноманітне застосування: для заповнення комірок в акумуляторних пластинах, виготовлення деяких сортів скла; з нього добувають також інші сполуки плюмбуму.

Гідроксид плюмбуму (II) РЬ(ОН)₂ утворюється при дії лугів на розчин­ні солі плюмбуму (II). Він має амфотерні властивості і розчиняється в кис­лотах з утворенням солей плюмбуму (II), а в лугах з утворенням гідроксоплюмбітів, наприклад:

РЬ (ОН)₂ + 4NaOH = Na₄ [Pb (OH)₆ ],

Якщо Pb (OH)₂ сплавляти з сухими лугами, то утворюються солі, так звані плюмбіти:

РЬ (ОН)₂ + 2NaOH= Na₂ PbO₂ + 2Н₂ О.

Хлорид плюмбуму (II) РЬС1₂ утворюється у вигляді білого осаду при дії на розчини солей плюмбуму (II) хлоридною кислотою або розчинними хлоридами. Хлорид плюмбуму мало розчиняється у холодній воді, але при підвищенні температури його розчинність у воді дуже зростає.

Йодид плюмбуму (II) РЬІ₂ випадає у вигляді жовтого осаду з роз­чинів солей плюмбуму (II) при введенні у них йодидіонів. У холодній воді він практично не розчиняється, але добре розчиняється в гарячій, утворюючи безбарвний розчин. Під час охолодження цього розчину йодид плюмбуму виділяється у вигляді золотисто-жовтих кристалів.

Ацетат плюмбуму (II) РЬ (СН₃ СОО)₂ — одна з не багатьох добре роз­чинних солей плюмбуму, що широко застосовується в лабораторній прак­тиці. Ацетат плюмбуму солодкий на смак, і тому його ще називають плюмбумним цукром. Його застосовують у процесі фарбування тканин, а також для добування інших сполук плюмбуму.

Сульфат плюмбуму (II) PbSO₄ випадає у вигляді білого осаду, якщо добавляти сульфатну кислоту або розчинні сульфати до розчинів солей плюмбуму (II). У воді і в розбавлених кислотах сульфат плюмбуму майже не розчиняється, але досить легко розчиняється в концентрованих розчинах лугів з утворенням плюмбітів. Концентрована сульфатна кисло­та також розчиняє сульфат плюмбуму, перетворюючи його у кислу сільPb (HSO₄ )₂ .

Сульфід плюмбуму (II) PbSутворюється у вигляді чорного осаду, якщо подіяти сірководнем на розчини солей плюмбуму (II). Тому папі­рець, змочений розчином солі плюмбуму (II), швидко темнішає, якщо у повітрі є навіть незначна кількість сірководню; цим користуються для виявлення H₂ S.

Для солей плюмбуму (II), на відміну від солей стануму (II), відновні властивості не характерні; перевести сполуки плюмбуму (II) у сполуки плюмбуму (IV) можна лише за допомогою дуже сильних окислювачів.

Сполуки плюмбуму (IV). Діоксид (або двоокис) плюмбуму РЬО₂ — темно-бурий порошок, що утворюється при дії сильних окис­лювачів на оксид або солі плюмбуму (II). Діоксид плюмбуму, подібно до діоксиду стануму, являє собою амфотерний оксид з переважанням кислот­них властивостей. Солі, що відповідають плюмбатній кислоті Н₂ РЬО₃ , яка не існує у вільному стані, називаються плюмбатами. На­приклад, якщо діоксид плюмбуму сплавляти з оксидом кальцію, то утво­рюється плюмбат кальцію СаРЬО₃ :

СаО + РЬО₂ = СаРЬО₃ .

Більшість плюмбатів у воді не розчиняється. Розчиняються плюмбати натрію і калію; у розчині вони дуже гідролізовані.

Основні властивості діоксиду плюмбуму виявляються в утворенні дуже нестійких солей плюмбуму (IV). Так, якщо на діоксид плюмбуму подія­ти хлоридною кислотою, то в перший момент утворюється хлорид плюмбуму

(IV) РЬС1₄ , який легко відщеплює хлор, переходячи в хлорид плюмбуму (II) РЬС1₂ :

РЬО₂ + 4НС1 = РЬСІ₄ + 2Н₂ О;

РЬС1₄ = РЬС1₂ + С1₂ |

Всі сполуки плюмбуму (IV) — дуже сильні окислювачі. Практичне застосування як окислювач у хімічній промисловості має РЬО₂ .