post

IV А група ( Четвърта главна подгрупа ) на Периодичната система

Към IV А група (четвърта главна подгрупа) принадлежат следните химични елементи C (въглерод), Si (силиций), Ge (германий), Sn (калай) и Pb (олово). Всички те са р-елементи, при които се изгражда р-подслоя на външния електронен слой. В зависимост от това, дали атомите им се намират в основно или във възбудено състояние, елементите от IV А група проявяват съотвено втора или четвърта валентност.

Въглеродът носи наименованието си от въглените, а силицият от латинското название за кремъка (silex). Германият е назован на държавата Германия от своя откривател (естествено германец). Калаят и оловото носят латински наименования още от древността, съответно stannum и plumbum. Думи като станиол и пломба в българския са производни от техните латински названия, макар днес те да се използват в доста по-широк смисъл.

Съединенията на въглерода ( С ) представляват по-особен интерес от химична гледна точка и затова ще се разгледат в други теми свързани с Органичната химия.

Силиций ( Si ) – IV А група

Силиций - IV А група

Силиций – IV А група

Силицият е вторият по разпространение химичен елемент на нашата планета (27,6 масови процента), но почти не се среща под свободна форма (три изотопа: 28, 29 и 30). Противно на въглерода той не образува кратни връзки. Силикатите са най-често срещаните силициеви съединения в литосферата. Силициевият диоксид (пясък, кварц) заедно с всички силициеви минерали съставляват 90% от масата на земната кора.

Силициевите вериги са относително къси и достигат най-много до осем атома. Елементният силиций има преходен химичен характер между метали и неметали, затова се определя като металоид, а в съединенията си проявява най-често четвърта и пета степен на окисление. Неговите свойства и тези на съединенията му го правят изключително важна част от съвременната индустрия и технологии. При стайна температура силицият е полупроводник.

Силикати

Химичният състав на силикатите е твърде разнообразен, променлив и сложен. Освен силиций и кислород, те съдържат множество други метални и неметални химични елементи и според съвременните схващания се разглеждат като неорганични природни полимери (високомолекулни съединения). По свойството си да образува вериги, силицият много прилича на въглерода.

Основната структурна единица на силикатните полимери е силициево-кислороден мономер с тетраедрична форма. В центъра на тетраедъра се намира силиция, а по върховете му кислородните атоми [SiO4]4-. Тези мономери най-често са свързани по върховете си и образуват плоски или обемни полимери като включват в химичния си състав множество други химични елементи.

В кристалите на множество силикати, някои от силициевите атоми могат да бъдат заместени от алуминиеви атоми, защото те имат близки йонни радиуси. При частичното заместване на Si4+ с Al3+ в кристалния силициев диоксид се получават алумосиликати (минерали от групата на фелдшпатите). При заместването на Si4+ с Al3+ в слоестите силикати се получават сложни алумохидросиликати.

Едни от най-разпространените силикати са глините, кварца, азбеста, талкът, слюдата и пр. Множество алумосиликати участват в почвообразуващите процеси чрез изветряване и образуване на алумохидросиликати, които пък от своя страна оказват влияние храненето на растенията. В индустриално отношение силикатите и алумохидросиликатите са ценни суровини в производството на стъкло, цимент и керамика. Някои кристални силикати намират добро приложение в бижутерията – изумруд и аквамарин.

Химични свойства

Чист силиций (99,9999999%) се извлича изключително трудно, но пък неговите качества на полупроводник го правят незаменим за съвременната електронно-изчислителна техника. Процесорите, които се използват в компютрите от всякакъв тип зависят изцяло от полупроводниковите му свойства. По този повод долината Санта Клара в Калифорния (САЩ), която стана истински рай за компютърните технологии през последните няколко десетилетия, придоби ново и по-популярно название в света – Силициевата долина.

В кислородна среда и при нормални условия силицият се пасивира, което ще рече, че атомите по повърхността му реагират с кислорода, получава се тънка коричка от силициев диоксид и реакцията спира до там. За да бъде продължена се изисква повишаване на температурата до около 1000°С.

Si + O2 → SiO2 (силициев диоксид)

Силициевият диоксид  е относително химически инертен и не реагира с киселини в това число и царска вода. Затова киселините се съхраняват в стъклени бутилки (стъклото е предимно силициев диоксид). Изключение прави флуороводородната (Breaking Bad) и поради това тя се съхранява в полиетиленови бутилки.

SiO2 + 4 HF → SiF4(газ) + 2 H2O

От друга страна силициевият диоксид реагира с основи и основни хидроксиди при нагряване и високи температури. Затова основите се съхраняват в пластмасови бутилки.

SiO2 + 2NaOH (горещ конц. р-р) → Na2SiO3 +  H2O

SiO2 + PbO →PbSiO3

Кварцовите кристали се отличават с пиезоелектрични свойства, което ги прави полезни при изработката на кристални осцилатори. Това са устройства, които използват механичния резонанс на вибриращ кристал, за да се създаде електрически сигнал с изключително точна честота. Например за направата на кварцови часовници.

Пак при нормални условия силицият може да реагира лесно с флуора и флуороводородната киселина.

Si + 2F2 → SiF4 (силициев тетрафлуорид)

Други силициеви халогениди също могат да се получат, но при нагряване между температури между 500 и 1500 градуса по Целзий.

Някои силициеви съединения

Силициевият карбид (SiC) е едно от често използваните негови съединения в съвременните производства (автомобилни спирачни дискове, бронежилетки и пр.), но той се получава в специални пещи при температури до 2500ºС. В естествено състояние веществото може да бъде открито в звездния прах, но засега е необходимо то да се произвежда.

Силицият не реагира с неорганични киселини, а тези със силно окислително действие го пасивират. Въпреки че е металоид, той лесно се разтваря в горещи разтвори на алкални хидроксиди:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + 2H2

Силицидите са съединения на силиция с повечето метали. Те се получават при нагряване и директно взаимодействие на елементите или на силиций и метален оксид в инертна атмосфера:

2Mg + Si → Mg2Si

Силаните са съединения на силиция и водорода (силициеви хидриди). При тях се срещат съединения с прави или разклонени вериги (до 8 SI атома). Те обикновено са летливи течност  или безцветни газове, които лесно се възпламеняват и взривяват на въздуха. Силаните също лесно се хидролизират:

SiH4 + 2H2O → SiO + 4H2

Германий (Ge) – IV А група

Германий IV А група

Германий – IV А група

Германият е сивобял на цвят с метален блясък. Той е твърд, но крехък с диамантоподобна структура. Също като силиция е полупроводник, но за разлика от него се разтваря в царска вода:

3Ge + 12HCl + 4HNO3 → 3GeCl4 + 4NO + 8H2O

С неорганични киселини, които не са окислители не реагира, защото не може да измести водорода освен с гореща флуороводородна. Със киселините силни окислители реагира съответно със сярна при нагряване, а с азотна при обикновени условия:

Ge + 4HNO3 → GeО2 (германиев диоксид) + 4NO2 + 2H2O

Германиев диоксид се образува и при директно взаимодействие с кислород при температури над 700°С. Той е добър катализатор, използван при полимеризацията на полиетилен терефталат, който се употребява за производството на пластмасови бутилки.

Въпреки че е добър полупроводник, употребата на германия като такъв намалява и се пренасочва използването му при изработката на лещи, призми и най-вече на оптични кабели. Добиването му става по косвен начин, като страничен продукт при добивите на други материали.

 С водорода германият образува хидриди – германи, които имат до десет германиеви атома в молекулата си и са в газообразно или течно състояние:

GeО2 + NaBH4 → GeH4 + NaBO2

С халогенните елементи се получават германиеви халогениди:

GeО2 + 4HCl (конц.) → GeCl4 + 2H2O

Калай (Sn) – IV А група

Калай - IV А група

Калай – IV А група; лиценз на изображението: CC BY 3.0;

Калаят е мек сребристобял метал, който е познат на човека още дълбока древност. В зората на цивилизацията нашите далечни прадеди открили, че при смесването на калай и мед се получава сплав, която има доста различни свойства от тези на съставящите я метали. Новополучената сплав се нарича бронз, а нейното значение за човека е било толкова голямо в миналото, че има цяла изторическа епоха наименована на нея – Бронзовата епоха.

Калаят съществува в две алотропни форми, като бялата е с метални свойства, а сивата е с полупроводникови характеристики. При обикновени условия калаят не реагира с водата и кислорода от въздуха, заради което в миналото медните съдове за готвене се калайдисвали. Въпреки това при нагряване се наблюдава реакция и с двете вещества, като в резултат се получава калаен диоксид. Калайдисването се прилага също и при консервните кутии, за да не ръждясват.

Калаят взаимодейства с разредени неорганични киселини, но много бавно, докато реакцията с концентрираните протича по-лесно:

Sn + HClконц. → SnCl2 + H2

Концентрираната сярна киселина окислява при нагряване калая от 0-ва до 4+ степен на окисление:

Sn + H2SO4конц. → Sn(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O

Амфотерните свойства на калая му позволяват да реагира с алкални хидроксиди и да образува комплексни съединения:

Sn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Sn(OH)4] + H2

Интересен факт е, че от латинско название на калая произлиза и думата станиол, но в действителност това метално фолио се прави от алуминий. Самият калай пък се добива от минерала каситерит при редукция с кокс:

SnО2 + 2C → Sn + 2CO

Антикорозионните свойства на калая днес продължават да се използват в редица промишлености, а припойващите му качества, го правят подходящ  за спояване на множество метали, което му осигурява приложение в електрониката.

Олово (Pb) – IV А група

Оловото е тежък синкавобял метал със силен метален блясък. Дори в твърдо състояние то е меко и пластично и с лекота се реже с нож. Притежава относително ниски температури на топене и кипене и се отличава с голяма токсичност. Оловото има добра електро- и топлопроводимост. В повечето си съединения то е от втора валентност, но понякога образува и нетрайни съединения, в които е от четвърта валентност, която пък отговаря на възбуденото му състояние.

Олово - IV А група

Олово – IV А група

В кислородна среда оловото се покрива с тъмна коричка от оловен оксид (PbO), а в присъствие на водни пари и кислород се образува оловен дихидроксид (Pb(OH)2):

2Pb + O2  → 2PbO

2Pb + O2  + 2H2O → 2Pb(OH)2

При малко по-високи температури оловото може да реагира и с други неметали:

Pb + S → PbS (галенит)

Pb + Cl2 → PbCl2

Оловото лесно реагира с азотната киселина като образува оловен нитрат. Взаимодействието му с разредени неорганични киселини като солната и сярната обаче, се възпрепятства от това, че металът се пасивира с коричка от съответно малкоразтворимите оловен дихлорид (PbCl2) и оловен сулфат (PbSO4).

2Pb  + 4HNO3 →  Pb(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Приложение

В природата елементно олово не се среща, а само под формата на съединения. Най-разпространеното от тях е галенитът. Добиването на олово е трудоемък и замърсяващ процес, но въпреки това то се използва още от дълбока древност. Имайки предвид токсичността му и тази на съединенията му, не винаги този полезен метал е бил използван по правилния начин. Например в древен Рим водопроводите са били покрити или изцяло направени от олово, а един от любимите подсладители на императорите бил оловният ацетат. През средновековието олово се използвало за укрепването на важни сгради и постройки. В недалечното минало много популярни са били играчките изработени от него и дори съдове за хранене. А в още по-близки времена са се произвеждали масово оловни бои за бита.

Днес употребата на оловото не е спаднала, но се правят опити да се ограничи вредното му въздействие върху околната среда и човека. Обикновено то се използва в оловните плочи, които служат като защитни екрани от радиация, там където има такава (атомните реактори). Все още се произвеждат оловни акумулатори и дори куршумите на огнестрелните оръжия продължават да разчитат на оловото, както е било столетия назад. Освен това хобита и професии като риболова са също зависими от оловните тежести.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!