В состав группы входят 5 элементов: два неметалла – углерод и кремний, находящиеся в во втором и третьем периодах системы Менделеева и 3 металла –германий (промежуточный между неметаллами и металлами, олово и свинец, находящиеся в конце больших периодов-IV, V, VI. Для всех этих элементов характерно то, сто они имеют на внешнем энергетическом уровне 4 электрона. И поэтому могут проявлять степень окисления от +4 до -4. эти элементы образуют газообразные соединения с водородом: СН 4 , Si Н 4 , Sn Н 4 , PbН 4 . при нагревании на воздухе соединяются с элементами подгруппы кислорода, серы и с галогенами.
Степень окисления +4 получается при переходе 1s –электрона на свободную р- орбиталь. С увеличением радиуса атома уменьшается прочность связи наружных электронов с ядром. Неметаллические свойства уменьшаются, а металлические нарастают. (снижаются температура плавления и кипения и т.д)
Олово не принадлежит к числу широко распространенных металлов (содержание в земной коре 0,04%) но оно легко выплавляется из руд и поэтому стало изветсно человеку в виде его сплавов с медью (бронза) со времен глубокой древности. Встречается в виде кислородного соединения SnО 2 (оловянного камня, из которого получается посредством восстановления углем). В свободном состоянии олово – серебристо-белый мягкий металл. При сгибании палочки олова слышится характерный треск, обусловленный трением отдельных кристаллов друг о друга.
Олово обладает мягкостью и тягучестью и легко может быть прокатано в тонкие листы, называемые оловянной фольгой или станиолем.
Кроме обычного белого олова , кристаллизующегося в тетрагональной системе, существует другое видоизменение олова –серое олово кристаллизующееся в кубической системе и имеющее меньшую плотность. Белое олово устойчиво при температурах выше 14 о С, а серое – при температурах ниже 14 о С, поэтому при охлаждении белое олово превращается в серое. В связи со значительным изменением плотности металл при этом рассыпается в серый порошок. Это явление получило название оловянной чумы. Быстрее всего превращение белого олова происходит при температурах около 30 о С; оно ускоряется в присутствии зародышей кристаллов серого олова.
Сплавы олова с сурьмой и медью применяются для изготовления подшипников. Эти сплавы (оловянные баббиты) обладают высокими антифрикционными свойствами. сплавы олова со свинцом – припой – широко применяются для пайки. В качестве легирующего компонента олово входит в некоторые сплавы меди. На воздухе олово при комнатной температуре не окисляется, но нагретое выше температуры плавления постепенно превращается в диоксид олова SnО 2 вода не действует на олово. Разбавленная соляная и серная кислота действуют очень медленно. Концентрированные эти кислоты, при нагревании растворяют олово.
Sn + 2 НСl = SnСl 2 + Н 2 #
Sn + 4Н 2 SО 4 = Sn(SО 4) 2 + 2 SО 2 # + 4Н 2 О
Чем концентрированнее азотная кислота, тем интенсивнее идет реакция
4Sn + 10 НNО 3 = 4Sn(NО 3) 2 + NН 4 NО 3 + 3Н 2 О
Sn + 4 НNО 3 = Н 2 SnО 3 $ + 4NО 2 # +Н 2 О в концентрированной
Концентрированные щелочи реагируют Sn + 2NаОН = Nа 2 SnО 2 +Н 2 #
Nа 2 SnО 2 станиит натрия. В растворах соли гидратированы (окружены молекулами воды). На воздухе олово покрывается защитной пленкой. Олово образует комплексные соединения Nа 2
40% олова идет на производство консервных банок. Железо покрывают оловом. Олово образует устойчивые соединения со степенью окисления +2,+4.
SnО (II) –желтый порошок, получается при разложении Sn(ОН) 2 –амфотерный гидроксид Sn(ОН) 2 + 2NаОН = Nа
Диоксид олова встречается в природе. Образуется при сжигании Sn на воздухе.
Оловянная кислота Н 2 SnО 3 нерастворима (белый порошок) взаимодействует со щелочами Н 2 SnО 3 + 2 NаОН +Н 2 О = Nа 2
Хлорид олова растворим SnСl 2 , гидрид олова SnН 4 –бесцветный, очень ядовитый газ.
Свинец. Руда. Из которой получают свинец называется свинцовый блеск.
PbS + 3О 2 = 2PbО + 2SО 2 –обжиг.
PbО плавят вместе с коксом и получают свинец, который потом очищают.
Свинец – голубовато- белый тяжелый металл. Он мягок и режется ножом.
Свинец широко используется в технике. Наибольшее его количество расходуется на изготовление оболочек кабелей и пластин аккумуляторов. Свинец идет на изготовление боеприпасов и изготовление дроби. Он входит в состав многих сплавов (подшипники, типографский шрифт, припой). Свинец хорошо поглощает g - излучения и используется для защиты от них при работе с радиоактивными веществами.
На воздухе быстро окисляется и покрывается защитной оксидной пленкой, защищающей от дальнейшего окисления. Вода не взаимодействует со свинцом, но в присутствии воздуха разрушает его. 2Pb + О 2 + 2Н 2 О = 2Pb (ОН) 2
При соприкосновении с жесткой водой покрывается защитной пленкой нерастворимых солей и не разрушается дальше.
Разбавленная соляная и серная кислоты почти не реагируют со свинцом. С концентрированной серной кислотой, при нагревании получается Pb(НSО 4) 2 .
С разбавленной азотной кислотой реагирует быстрее, чем с концентрированной. взаимодействует со щелочами Pb + 4КОН +Н 2 О = К 4 + Н 2 # гидроксоплюмбит калия.Все растворимые соединении свинца ядовиты
Степени окисления характерны +2, +4
PbО =- желтый порошок после прокаливания (500 о С) приобретает красновато-желтый цвет и называется глетом.
Гидроксид свинца Pb(ОН) 2 амфотерен.
Pb(ОН) 2 + 4 NаОН = 2 Nа
При сплавлении Pb(ОН) 2 с сухими щелочами получаются соли плюмбиты:
Pb(ОН) 2 + 2 NаОН = Nа 2 PbО 2 + 2Н 2 О
Ацетат свинца применяют при крашении Pb(СН 3 СОО) 2
PbS – черного цвета. Бумажка, смоченная раствором соли свинца быстро темнеет, если в воздухе есть сероводород. Это качественная реакция на соли сероводорода. Соединения свинца (IV) –соли плюмбаты СаО + PbО = Са PbО 3 большинство нерастворимы.
Аккумуляторы состоят из решетчатых свинцовых пластин, одни заполнены диоксидом свинца, а другие – металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в раствор 35-40% Н 2 SО 4 . при работе идет разряд: Pb + SО 4 2- ® PbSО 4 $ + 2е
Металлический свинец окисляется, а диоксид свинца восстанавливается.
PbО 2 + SО 4 2 - + 4Н + ® Pb SО 4 $+ Н 2 О
Электроны, отдаваемые атомами свинца передаются по внешней цепи. Pb – анод, а PbО 2 -катод. В растворе Н 2 SО 4 происходит перенос ионов. Ионы SО 4 2- - движутся к аноду, Н + - к катоду.
VI группа периодической системы элементов состоит из 2-х подгрупп: главной — кислород, сера, селен, теллур и полоний — и побочной — хром, молибден и вольфрам. В главной подгруппе выделяют подгруппу селена (селен, теллур и полоний), побочную подгруппу называют подгруппой хрома. Все элементы главной подгруппы, кроме кислорода, могут присоединять по 2 электрона, образуя электроотрицательные ионы.
Элементы главной подгруппы имеют на внешнем электронном уровне по 6 электронов (s 2 р 4). Атомы кислорода имеют 2 неспаренных электрона и не имеют d-уровня. Поэтому кислород проявляет в основном степень окисления -2 и только в соединениях с фтором +2.
Сера, селен, теллур и полоний тоже имеют на внешнем уровне 6 электронов (s 2 p 4), но у всех у них есть незаполненный d-уровень, поэтому они могут иметь до 6 неспаренных электронов и в соединениях проявлять степень окисления — 2, +4 и +6.
Закономерность изменения активности этих элементов такая же, как и в подгруппе галогенов: легче всего окисляются теллуриды, затем селениды и сульфиды. Из кислородных соединений серы наиболее устойчивы соединения серы (VI), а для теллура — соединения теллура (IV). Соединения селена занимают промежуточное положение.
Селен и теллур, а также их соединения с некоторыми металлами (индием, таллием и др.) обладают полупроводниковыми свойствами и широко используются в радиоэлектронике. Соединения селена и теллура очень токсичны. Они применяются в стекольной промышленности для получения цветных (красных и коричневых) стекол.
В элементах подгруппы хрома идет заполнение d-уровня, поэтому на s-уровне их атомов — по 1 (у хрома и молибдена) или 2 (у вольфрама) электрона. Все они проявляют максимальную степень окисления +6, но для молибдена, и особенно для хрома, характерны соединения, в которых они имеют более низкую степень окисления (+4 для молибдена и +3 или +2 для хрома). Соединения хрома (III) очень устойчивы и похожи на соединения алюминия.
Все металлы подгруппы хрома находят широкое применение.
Молибден был впервые получен К. В. Шееле в 1778 г. Он используется в производстве сталей высокой прочности и вязкости, применяющихся для изготовления оружейных стволов, брони, валов и др.
Из-за способности испаряться при высокой температуре он мало пригоден для изготовления нитей накала, но обладает хорошей способностью сплавляться со стеклом, поэтому используется для изготовления держателей вольфрамовых нитей в лампах накаливания.
Вольфрам был открыт также К. В. Шееле в 1781 г. Он применяется для получения специальных сталей. Добавка вольфрама к стали увеличивает ее твердость, эластичность и прочность. Вместе с хромом вольфрам придает стали свойство сохранять твердость при очень высоких температурах, поэтому такие стали применяются для изготовления резцов к быстрорежущим токарным станкам.
Чистый вольфрам обладает наивысшей среди металлов температурой плавления (3370 град. С), поэтому применяется для изготовления нитей в лампах накаливания. Карбид вольфрама отличается очень большой твердостью и термостойкостью и является основной составной частью тугоплавких сплавов.
Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих элементов имеют 4 электрона: ns 2 np 2. В подгруппе с ростом порядкового номера элемента увеличивается атомный радиус, неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются: углерод и кремний – неметаллы; германий, олово, свинец амфотерные металлы. Элементы этой подгруппы проявляют как положительную, так и отрицательную степени окисления: -4, 0, +2, +4.
Высшие оксиды углерода и кремния (С0 2, Si0 2) обладают кислотными свойствами, оксиды остальных элементов подгруппы - амфотерны (Ge0 2, Sn0 2, Pb0 2). Угольная и кремниевая кислоты (Н 2 СО 3, H 2 SiO 3) слабые кислоты. Гидроксиды германия, олова и свинца амфотерны, проявляют слабые кислотные и основные свойства: H 2 GeO 3 = Ge(OH) 4, H 2 SnO 3 = Sn(ОН) 4, Н 2 РЬО 3 = Pb(OH) 4. Водородные соединения: СН 4 ; SiH 4, GeH 4. SnH 4, PbH 4. Метан CH 4 прочное соединение, силан SiH 4 - менее прочное соединение, остальные же неустойчивые
Углерод Нахождение в природе Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.
Алмаз. Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан». Рис. Модель решетки алмаза.
Аморфный углерод Сорта: 1. Сажа – используется для изготовления типографской краски, картриджей, резины, косметической туши и т. д. 2. Кокс – в доменных печах при выплавке чугуна. 3. Древесный уголь – в качестве топлива, при выплавке цветных металлов, очистки от примесей.
Угольная кислота Угольная кислота́ слабая двухосновная кислота. В чистом виде не выделена. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде, в том числе и углекислого газа из воздуха. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды и др.
При нагревании до 400 – С кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида кремния: Si + O 2 Si + O 2
Оксид кремния (IV) Кристаллы белого цвета, t пл °C, обладают высокой твёрдостью и прочностью твёрдостьюпрочностьютвёрдостьюпрочностью
Соли кремниевой кислоты Силикаты Силикаты Растворимыми являются только соли щелочных металлов, остальные образуют нерастворимые или вообще не образуют солей(Al +3, Cr +3, Ag +). Растворимыми являются только соли щелочных металлов, остальные образуют нерастворимые или вообще не образуют солей(Al +3, Cr +3, Ag +).
Тема: Общая характеристика элементов IV- А группы.
Свойства.
Цель : Рассмотреть общую характеристику элементов IV- А группы на примере углерода и кремния; физические и химические свойства этих элементов, дать понятия «абсорбция».
Образовательные : научить учащихся самостоятельно добывать знания путём рационального использования различных источников информации (учебники, научно-популярная литература) и применять полученные знания; устанавливать причинно - следственные связи между строением, свойствами и использованием веществ на основе изученных теорий, обобщить и систематизировать знания учащихся об углероде и кремнии их соединениях, значении этих веществ в природе и в жизни человека;
Развивающие : развивать познавательный интерес школьников, умение выделять главное, сравнивать, обобщать, логически излагать мысли;
воспитывать здоровьесберегающее поведение на уроках.
Оборудование : компьютер, презентация, учебник, таблица « Периодическая система химических элементов»
Ход урока:
1.Организационный момент.
2.Проверка домашнего задания.
3.Актуализация опорных знаний
(фронтальная беседа).
Назовите элементы, входящие в IV группу.
Назовите элементы побочной подгруппы IV группы.
4.Изучение нового материала.
Положение в Периодической системе химических элементов, строение атома C, Si
Учитель . Ребята, давайте посмотрим на Периодическую систему химических элементов и определим, какие элементы входят I V-А подгруппу?
Ответ учащегося.
В главную подгруппу I V-А гр. Входят элементы: C , Si , Ge , Sn , Pb -
C ,Si ,Ge – неметаллы- Sn ,Pb – металлы
Учитель . Что общего в строении атомов этих элементов?
( работа учащихся у доски )
1. Углерод
6 C)2)4
…2 s 22 p 2
2. Кремний
14 Si)2)8)4
…3 s 23 p 2
Ответ учащегося . Имеют одинаковое строение атома (на последнем уровне 4е). ns 2 np 2 и проявляют валентность II , IV
Учитель. Как изменяются свойства элементов с увеличением Аг?
Ответ учащегося . С увеличением Аг возрастают металлические свойства, а неметаллические уменьшаются.
Учитель . Какие высшие оксиды образуют элементы 1V-А группы?
Ответ учащегося . Образуют высшие оксиды типа – RO 2 ( работа учащегося у доски ) CO 2, SiO 2 Ge O 2 SnO 2 Pb O 2
Учитель. Какие летучие водородные соединения образуют эти элементы?
Ответ учащегося. Летучие водородные соединения типа- RH 4 ( CH 4 , SiH 4 )
Учитель. Углерод образует 2 аллотропных видоизменений: графит, алмаз
Таблица «Строение кристаллических решеток алмаза и графита»
Аллотропия углерода
Графит
алмаз
темно-серое, проводит электрический ток и тепло
Прозрачное кристаллическое твердое вещество с характерным блеском.
t =1420плавления; не проводит электрический ток и тепло
Работа в группах с учебником. Обмен информацией. Запись в тетради.
Группа №1 Группа №2
С
Si
нахождение в природе
мел CaCO 3 мрамор алмаз
Графит
Малахит CuCO 3
Нефть
27% земной коры - песок SiO 2
химические свойства
C +2H 2 → CH 4
C + O 2 →CO 2
3 C + 4 AL →AL 4 C 3
Ca +2C → CaC 2
2 AL 2 O 3 +3C →4AL + 3CO 2
Si +O 2 → Si O 2
Si +2CL 2 →SiCL 4
Si +2Br 2 → SiBr 4
2Mg + Si → Mg 2 Si
Применение
наконечники буров, стеклорезы, шлифовочный порошок, драгоценные камни, медицинаочистка спирта от сивушных масел
очистка сахара на рафинадных заводах от веществ, придающих ему желтый цвет
на основе адсорбционных свойств древесного угля русский химик Николай Дмитриевич Зелинский разработал фильтрующий противогаз
(демонстрация строения фильтрующей коробки противогаза).
Полупроводник (солнечные батареи)
Сталь
Строительный песок
Адсорбция- – способность поглощать газы и растворенные вещества поверхностью твёрдого тела жидкости (из-за пористого строения тела).
Проблемный вопрос: Адсорбция – это физический или химический процесс?
Демонстрационный опыт «Адсорбция». ОПЫТ: К раствору синего лакмуса добавить размельчённый активированный уголь. Отфильтровать полученную смесь. Фильтрат совершенно прозрачный.
ОТВЕТ : физический, т.к. при этом не изменяется состав вещества
5Систематизация и обобщение знаний
Осуществите превращения. Напишите соответствующие уравнения реакции.
CH 4 ← C → CO → CO 2 → H 2 CO 3
CaC 2
Рефлексия
Как вы считаете, достиг ли наш урок поставленной цели?
Что бы вы хотели выполнить еще раз, а что сделали по-другому?
Получили ли вы положительные эмоции от сегодняшнего урока?
6. Д/з
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей №43» г.Саранска
У
читель химии: Сысманова Н.Ю.
Медиа - урок по теме
«Общая характеристика элементов IV А группы. Углерод».
Цели урока
: дать общую характеристику элементам IV А группы, показать аллотропные видоизменения углерода, строение его атома и химические свойства, дать понятие «адсорбции».
Оборудование и реактивы:
учебно-электронное пособие «Общая и неорганическая химия» (лаборатория систем мультимедиа МарГТУ), раздел «Углерод», раствор синего лакмуса, активированный уголь, химический стакан, стеклянная палочка, воронка, фильтровальная бумага.
Тип урока
: объяснение нового материала.
Вопросы урока: (записаны на доске):
2.Углерод. Аллотропия углерода.
3. Строение атома и химические свойства углерода.
4. Адсорбция.
5. Применение углерода.
6. Круговорот углерода в природе.
Ход урока.
Учитель:
Сегодня мы начинаем изучать элементы 4 группы главной подгруппы периодической системы. Поможет нам в этом компьютер. Вы должны внимательно слушать, смотреть и записать увиденное, после чего мы обсудим с вами все вопросы урока.
I. Просмотр диска (с краткой записью свойств и строения атома углерода).
1.Общая характеристика элементов IVА группы.
1) Элементы IVА группы, их классификация на металлы и неметаллы.
2) Нахождение их в природе.
3) Электронное строение атомов, сходство и различие.
4) Возможные степени окисления элементов.
5-6) Изменения свойств по группе от углерода к свинцу.
7) Оксиды элементов, их устойчивость.
8) Водородные соединения элементов, их строение и нахождение в природе.
Вопросы для закрепления:
Что общего у элементов группы в строении атомов и в чём различие?
Как изменяются свойства элементов от углерода к свинцу?
Какую степень окисления проявляют они в оксидах и водородных соединениях?
2. Углерод. Аллотропия углерода.
1-2) Нахождение углерода в природе и явление аллотропии.
3) Алмаз, его строение, свойства, получение и применение
4) Графит, его строение, свойства, получение и применение.
5) Карбин, его строение, свойства, получение.
6) Поликомулен, его строение, свойства.
7) Фуллерен, его строение.
Вопросы для закрепления:
Какие аллотропные видоизменения углерода вы узнали?
Можно ли перейти от одного аллотропного видоизменения к другому?
Являются ли древесный и каменный уголь аллотропными изменениями углерода?
Как вы думаете, почему столько много аллотропных модификаций углерода? (Чтобы ответить на данный вопрос, познакомимся со строением атома углерода).
3. Строение атома и химические свойства углерода.
8) Электронная и графическая формула атома углерода.
9) Возможные степени окисления углерода
10-13) Химические свойства углерода (взаимодействие с металлами, неметаллами, оксидами).
14) Взаимодействие с сильными окислителями (написать уравнения окислительно-восстановительных реакций и расставить коэффициенты методом электронного баланса).
15) Взаимодействие углерода с водой. Применение данной реакции.
Вопросы для закрепления:
Что же необычного в строении атома углерода?
Какие свойства проявляет углерод при взаимодействии с металлами и неметаллами?
Какая степень окисления у него в карбидах?
Почему углерод может восстанавливать металлы и некоторые неметаллы из их оксидов?
Какую роль в промышленности играет реакция углерода с водой?
Почему активированный уголь применяют в медицине и противогазах?
II. Лабораторная работа.
4. Адсорбция-это процесс поглощения поверхностью твёрдого тела жидкости
(из-за пористого строения тела). Продемонстрировать это явление опытом.
ОПЫТ: К раствору синего лакмуса добавить размельчённый активированный уголь. Отфильтровать полученную смесь. Фильтрат совершенно прозрачный.
III
. Работа по таблицам учебника.
(О.С.Габриелян. Химия 9 класс с.131, с.133)
5. Применение углерода.
(Рассмотреть таблицу учебника и выяснить области применения углерода: угля, графита, сажи).
6. Круговорот углерода в природе.
(Рассмотреть таблицу учебника и выяснить, какие процессы идут в природе с участием углерода: гниение, брожение, дыхание, гниение, фотосинтез).
IV. Закрепление изученного.
Расставьте коэффициенты методом электронного баланса к уравнениям в упражнении №8 с.134.