Файл: Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся.pdf

г л a n а III. СТРОЕНИЕ АТОМОВ

ЭЛЕМЕНТОВ IV

ГРУППЫ И ИХ ОСНОВНЫЕ

ХИМ ИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

1. СТРОЕНИЕ АТОМОВ УГЛЕРОДА, КРЕМНИЯ И ИХ АНАЛОГОВ

троение атомов определяет химические и физиче­ С ские свойства элементов и их соединений. Особенно большое влияние на свойства элементов оказывает строе­ ние наружного электронного слоя и его расстояние от яд­ ра атома. Расстояние электронов от ядра определяется главным квантовым числом, которое характеризует энер­

гию электронов.

Самые ближние к ядру атома электроны имеют глав­ ное квантовое число равное единице. Эти электроны наи­ более прочно связаны с ядром, и их не может быть боль­ ше двух. Далее расположены электроны, имеющие глав­ ное квантовое число равное двум. На этом электронном слое может находиться не более восьми электронов. На третьем слое может быть уже восемнадцать электронов, а на четвертом — тридцать два. Электронное строение атомов рассматриваемых элементов приведено в табли­ це 2.

27

Электроны, находящиеся в определенном слое, т. е. имеющие одинаковое квантовое число, неравноценны. Они отличаются формой орбиты, прочностью связи с яд­ ром, магнитными свойствами п разным запасом энергии. На этом основании их распределяют по подуровням. Имеются s-, р-, d- и /-электроны. Распределение элек­ тронов по уровням и подуровням приведено в таблице 3.

Таблица 3

Распределение электронов в атомах подгруппы углерода ; по уровням и подуровням

Элемент Электронное строение атома

Приведенные цифры и латинские буквы являются как бы зашифрованной электронной структурой атома. Циф­ ры перед буквами показывают номер главного квантово­ го числа. Индексы у букв — количество соответствующих электронов. Например, у свинца на первом электронном слое имеется 2 электрона (Is2), на четвертом —32 элек­ трона (4s24p64c/‘°4/14) . У всех атомов подгруппы углерода на внешнем электронном слое имеется по четыре элек­ трона, которые могут принимать участие в образовании химических связей. Поэтому все эти элементы с кислоро­ дом лают высшие соединения общей формулой Е 02, а с водородом — ЕН4.

С увеличением атомной массы, так же как и в других группах периодической системы, прочность соединений этих элементов с водородом и кислородом падает. На­ пример, соединение РЬН4 вообще не выделено. Оксид свинца, в отличие от других оксидов рассматриваемых элементов, также нестойкий. При нагревании оксид свин­ ца (IV) отщепляет кислород и переходит в оксид свин­ ца РЬ30 4:

ЗРЬ02 = РЬ30 4 + 0 2

Рассматриваемые элементы могут давать соединения, в которых они проявляют валентность равную двум. При1

28

чем особенно это характерно для свин­ ца. Объясняется это тем, что четыре валентных электрона у свинца не рав­ ноценны. Два электрона связаны с ато­ мом свинца более прочными связями, и поэтому они редко участвуют в обра­ зовании связи е другими элементами.

Когда в образовании химической связи участвуют все валентные элект­ роны, связь приобретает направленность. Например, в атоме углерода все четыре связи одинаковы (в метане

СН4, в тетрахлориде углерода ССЦ и т. д.) и направле­ ны в углы тетраэдра (рис. 8). Чем же можно объяснить, что два электрона в атоме углерода отличаются от двух других электронов?

Электрон имеет двойственную природу: он и матери­ альная отрицательно заряженная частица и одновре­ менно имеет волновую природу. Его точное положение в атоме указать трудно, так как при своем движении он образует электронное облако. У двух электронов в атоме углерода электронные облака имеют шарообразную форму. Эти электроны называют s-электронами (рис. 9, /). Другие два электрона движутся по орбитам, имею­ щим форму восьмерки, или гантели. Это — /7-электроны

(рис. 9, 2).

Однако шарообразная форма s-электронов сохраня­ ется только в отсутствие /7-электронов. Когда же в атоме имеются s- и -/7-электроны и атом вступает в химическую реакцию, например, с водородом, то между электронны­ ми облаками наблюдается взаимодействие. При этом ме­ няется форма электронных облаков и устанавливается определенное их расположение в пространстве. Возникают смешанные электронные облака, или, как их называют, гибридные. Их направление в пространстве изображено

29

случае, если электронные облака, имеющие вытянутую форму, направлены в углы тетраэдра.

Свойства простых веществ, образованных элементами IV группы периодической системы, также изменяются за­ кономерно. Алмаз л графит благодаря большой прочно­ сти связи между атомами при умеренных температурах весьма инертные вещества, они соединяются только с фтором. При высоких температурах они очень активны И вступают в реакцию с большинством элементов.

Кремний также мало активен, несмотря на то что хи­ мическая связь между его атомами менее прочная по сравнению со связями у алмаза и графита. Объясняется это тем, что поверхность кремния покрыта тонкой, но прочной инертной пленкой оксида кремния БЮг. Поэтому далее такие активные элементы, как хлор, не действуют на кремний при умеренной температуре. Однако если кремний размалывать при комнатной температуре в ат­ мосфере хлора, он соединяется с хлором:

Si + 2С1а = SiCI^

Следовательно, когда поверхность кремния не имеет оксидной пленки, он легко соединяется с хлором. Защит­ ная пленка из оксида кремния (IV) может быть удалена плавиковой кислотой:

SlOa + 4H F=S iF4 + 2HaO

На кремний плавиковая кислота не действует, и поэ­ тому практически кремний даже в порошке в ней не ра­ створяется. Однако если в раствор плавиковой кислоты добавить какой-нибудь сильный окислитель, например азотную кислоту, то весь кремний довольно быстро пе­ рейдет в тетрафторид кремния. Объясняется это тем, что азотная кислота окисляет кремний с поверхности до ок­ сида кремния Si02, а плавиковая кислота растворяет этот оксид. Два процесса идут параллельно и непрерывно.

Примерно такими же свойствами обладает аналог кремния — германий.

Олово и свинец сильно отличаются по своим свойст­ вам от углерода, кремния и германия. Это малоактивные металлы, особенно олово. Олово может длительное время находиться на воздухе и в водных растворах без всяких изменений. Благодаря своей химической инертности оно применяется для защиты железа, а иногда и других металлов от коррозии. л

30

Однако уже при небольшом нагревании активность олова сильно возрастает, и оно при этих условиях может вступать в реакции со многими элементами, особенно с галогенами. В присутствии тетрахлорида олова этот ме­ талл вступает в реакцию с хлором и без нагревания. На­ пример, если кусочек олова поместить в его тетрахлорид SnCU (жидкость) и пропускать через него хлор, то по­ степенно все олово перейдет в тетрахлорид.

' С кислотами олово взаимодействует весьма медленно. При этом в присутствии окислителей или в кислотах, об­ ладающих окислительными свойствами, получаются сое­ динения четырехвалентного олова. Например, при дейст­ вии концентрированной азотной кислоты образуется почти нерастворимая метаоловянная кислота НгЭпО] :

Sn + 4Н Ш 3 = H2Sn03 + 4N02 + Н20

При образовании метаоловянной кислоты участвуют четыре электрона атома олова (5s25p2).

В кислотах, не обладающих окислительными свойст­ вами, олово взаимодействует с образованием соединений двухвалентного олова, например:

Sn 4- 2НС1 =SnCi2 + H2

В этом случае в образ,овании хлорида олова участву­ ют только два электрона (5р2).

Свинец вступает в различные реакции еще активнее олова. Например, свежий и блестящий срез свинца уже через несколько дней покрывается пленкой, состав кото­ рой во многом определяется примесями, имеющимися в воздухе. В эту пленку входят РЬО, РЬ(ОН)г,

РЬС03-РЬ(0Н)2.

В приморском климате в атмосфере находятся в виде мельчайших кристалликов различные соли, в частности хлориды натрия, кальция, магния. В этом случае в состав пленки наряду с оксидами входят также хлориды свинца. В атмосфере промышленных -районов часто находится некоторое количество оксида серы S 02. Тогда в состав пленки входят также сульфит свинца и сульфат свинца —

PbS03 и PbS04.

1 В неорганической химии в названиях кислот, их солей и про­ изводных применяются приставки мета- н орто-. Приставка мета- отвечает наименьшему содержанию гидроксильных групп при цен­ тральном атоме, приставка орто— максимальному содержанию ОН- . Метаформы кислот —это дегидратированные ортокислоты.

31

С большинством кислот свинец вступает в реакции. Однако если при этом образуются малорастворимые сое­ динения, то реакции идут очень медленно. Например, свинец дает с серной кислотой почти нерастворимый суль­ фат свинца PbS04. Поэтому в разбавленной и умеренно концентрированной кислоте свинец практически не раст­ воряется, так как на его поверхности образуется защит­ ная пленка сульфата свинца. С концентрированной сер­ ной кислотой, особенно при нагревании, взаимодействие идет довольно быстро, так как в этом случае образуется растворимая кислая соль Pb(HS04)2.

2. СТРОЕНИЕ АТОМОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДГРУППЫ ТИТАНА

На наружном электронном слое элементы подгруппы титана имеют по два электрона, а на следующем за мим— десять (табл. 4).

Т а б л и ц а 4

Электронное строение атомов элементов подгруппы титана

Количество электронов на слое

Электронные структуры атомов элементов подгруппы титана приведены в таблице 5.

Т а б л и ц а 5

Распределение электронов в атомах элементов подгруппы титана по уровням и подуровням

32