РОЗДІЛ 2 НЕМЕТАЛІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ СПОЛУКИ

 

ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ IVA ГРУПИ

 

До ІVА групи періодичної системи належать Карбон С, Силіцій Si, Германій Ge, Станум Sn і Плюмбум Pb.

Карбон у вигляді сажі, кам’яного і деревного вугілля відомий з глибокої давнини. Назва Карбону походить від лат. carbo — вугілля.

 

Й. Берцеліус (1779 — 1848)

Д. І. Менделєєв і К. Вінклер (1894 р., Німеччина)

 

Силіцій (від лат. silex — кремінь, тобто камінь, що під час удару викресає іскру) відкрив шведський хімік Й. Берцеліус (1825).

Германій, передбачений Д. Менделєєвим (1871), відкрив німецький учений К. Вінклер і назвав на честь Німеччини (1886).

Олово і свинець — прості речовини елементів Стануму і Плюмбуму — разом із золотом, сріблом, міддю, залізом і ртуттю входять до числа семи металів, відомих людині з давніх-давен.

 

§ 43. Загальна характеристика

 

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

характеризувати і порівнювати хімічні елементи IVA групи за місцем у періодичній системі та електронною будовою атомів, їх поширеність у природі;

пояснювати біологічну роль Карбону та Силіцію.

Електронна будова і властивості атомів. Хімічні елементи IVA групи є р-елементами. Вони мають на р-підрівні зовнішнього рівня два неспарених електрони та вільну р-орбіталь, на яку під час збудження атома може переходити розпарований електрон s-підрівня. Тому їх валентність становить IV, а ступені окиснення —4, 0, +2, +4.

Зі зростанням атомного номера елементів цієї групи відбувається закономірне збільшення розмірів їх атомів, зменшення електронегативності і, як наслідок, послаблення неметалічних і посилення металічних властивостей (табл. 13). Ось чому лише Карбон є типовим неметалічним елементом, у Силіцію і Германію з’являються металічні ознаки, а Станум і Плюмбум — метали. У даному розділі докладніше ознайомимося лише з Карбоном і Силіцієм та їх сполуками.

Т а б л и ц я 13

Загальна характеристика хімічних елементів IVA групи

Хімічний елемент	Період	Атомний номер	Відносна атомна маса	Радіус атома, нм	Електро-негативність	Валентні електрони	Валентність	Ступені окиснення	Неметалічні властивості
Карбон С	2	6	12	0,077	2,50	2s22p2	II, III, IV	+4, +2, 0, -4	послаблюються
Силіцій Si	3	14	28	0,135	1,74	3s23p2	II, IV	+4, +2, 0, -4
Германій Ge	4	32	73	0,139	2,02	4s24p2	II, IV	+4, +2
Станум Sn	5	50	119	0,158	1,72	5s25p2	II, IV	+4, +2
Плюмбум Pb	6	82	207	0,175	1,55	6s26p2	II, IV	+4, +2		J

Як елементи ІVА групи Карбон і Силіцій мають на зовнішньому енергетичному рівні незбудженого атома чотири валентних електрони та одну вільну орбіталь і належать до p-елементів. Конфігурація їх валентних електронів в основному стані ns2np2:

Завдяки двом неспареним електронам їх атоми можуть утворювати два ковалентні зв’язки і виявляти валентність ІІ (CS, SiO). Але Карбон, на відміну від Силіцію, в деяких сполуках здатний утворювати третій ковалентний зв’язок за донорно-акцепторним механізмом, надавши парі електронів атома Оксигену у молекулі CO вільну орбіталь атома Карбону:

Отже, за кількістю утворених зв’язків Карбон у СО тривалентний, а Силіцій у SiO — двовалентний. Ступінь окиснення обох елементів у цих оксидах однакова й дорівнює +2.

При переході атомів у збуджений стан число неспарених електронів збільшується до чотирьох:

Це зумовлює здатність Карбону і Силіцію утворювати чотири ковалентні зв’язки і виявляти вищу валентність IV і ступені окиснення +4 з електронегативнішими елементами (СО2, SiO2) та -4 з елементами, менш електронегативними (СН4, SiH4).

Збуджений стан атомів і валентність IV для Карбону та Силіцію є найхарактернішими. В органічних сполуках ступінь окиснення Карбону може змінюватися від -4 до +4, наприклад:

-4      -3    -2      -1      0          +2       +3           +4

СН4,   С2Н6,         С2Н4,  С2Н2,    СН2Сl2,              СНСl3,        ССl3-СН3,       ССl4.

Унікальною особливістю Карбону є здатність його атомів сполучатися один з одним й утворювати карбонові ланцюги різних типів: лінійні, розгалужені, циклічні. Саме цією властивістю пояснюється виняткова роль Карбону в існуванні життя на Землі.

Вищі оксиди Карбону і Силіцію типу ЕО2 є кислотними, відповідні їм гідроксиди Н2ЕО3 — кислоти. Летка сполука Карбону з Гідрогеном — метан СН4 є стійкою органічною сполукою. Силан SiH4 — малостійкий і самозаймається на повітрі. Метан і силан, на відміну від подібних сполук елементів VIIA — VA груп, не виявляють ані кислотних, ані основних властивостей. Це пояснюється низькою полярністю зв’язків С—Н і Si—Н унаслідок близьких за значенням електронегативностей атомів Карбону, Силіцію і Гідрогену.

Отже, Карбон і Силіцій є неметалічними елементами, але порівняно

з неметалічними елементами VIIA — VA груп виявляють ознаки неметалічності меншою мірою.

Поширеність у природі. Карбон є поширеним у природі елементом і трапляється у вигляді простих речовин (графіт, алмаз, вугілля) і неорганічних та органічних сполук. Вуглець — головна складова кам’яного і бурого вугілля, торфу.

В Україні є значні поклади бурого вугілля (Дніпропетровський вугільний басейн), кам’яного вугілля й антрациту (Донецький і Криворізький вугільні басейни).

Основу мінералів становлять карбонати: кальцит СаСО3 (вапняк, мармур, крейда), магнезит MgCO3, доломіт MgCO3 • СаСО3, поташ К2СО3, малахіт (CuOH)2CO3 (мал. 68). З карбонатів Кальцію і Магнію складаються корали, перли й панцири найпростіших. У повітрі в невеликій кількості є вуглекислий газ (0,03 % за об’ємом), у природній воді розчинені кислі солі — гідрогенкарбонати Кальцію та Магнію.

Силіцій за поширенням у земній корі (атомна частка 28 %) посідає друге місце після Оксигену й трапляється лише в літосфері Землі у вигляді силіцій(IV) оксиду SiO2 і силікатів. На їх частку припадає понад 3/4 маси планети. Кристалічний SiO2 (кварц) є основною складовою гранітів, пісковиків, морського піску, а також утворює різноманітні мінерали: гірський кришталь, агат, аметист, онікс, халцедон, яшма, опал тощо (мал. 69, 1 — 7).

Силікати, переважно Калію, Натрію, Кальцію, Магнію, Алюмінію, є основою гірських порід, що складаються з різноманітних мінералів: польового шпату (К2О • Аl2О3 • 6SiO2), глини (Аl2О3 • 2SiO2 • 2Н2О), слюди (силікати Калію, Алюмінію, Магнію), тальку (3МgO • 4SiO2 • Н2О), азбесту («гірський льон», 3МgO • 2SiO2 • 2Н2О) та ін. (мал. 69, 8 — 10).

 

 

Мал. 68. Природні сполуки Карбону:

а — мармур; б — магнезит; в — доломіт; г — поташ; ґ — малахіт

 

 

 

Мал. 69. Мінерали SiО2: 1 — агат;

2   — аметист; 3 — кварц; 4 — гірський кришталь; 5 — опал; 6 — халцедон; 7 — яшма. Мінерали силікатів:

8 — азбест; 9 — слюда; 10 — топаз

 

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД

ОЗНАЙОМЛЕННЯ ЗІ ЗРАЗКАМИ МІНЕРАЛІВ

Розгляньте видані вам зразки природних мінералів Карбону та Силіцію. Зверніть увагу на зовнішній вигляд. Перевірте їх твердість. Спостереження запишіть у таблицю.

Біологічна роль. Карбон — життєво важливий макроелемент організму людини, вміст якого досягає 21 % (15 кг на 70 кг маси тіла) і становить 2/3 маси м’язів і 1/3 маси кісткової тканини, входить до складу білків, нуклеїнових кислот, жирів, вуглеводів, ферментів, вітамінів, гормонів та мінеральних солей. Потрапляє в організм людини разом з питною водою (у вигляді гідрогенкарбонат-іонів НСО3) і харчовими продуктами. Антропогенними джерелами надходження Карбону в довкілля є аерозолі (суміші газів та частинок твердих речовин), що містять крім сажі (дрібні частинки вугілля) чадний і вуглекислий гази. Через органи дихання сажа потрапляє в організм людини і спричиняє хвороби верхніх дихальних шляхів, які можуть спровокувати захворювання на туберкульоз, онкологічні та ін. У разі постійного контакту шкіри людини із сажею можливий розвиток шкірних хвороб. Найчастіше вони виникають у шахтарів, робітників коксохімічних виробництв та цукрових заводів.

Силіцій належить до мікроелементів організму людини (2,1 г на 70 кг маси тіла людини) і міститься в крові, лімфатичних вузлах, кришталику ока, м’язах шлунка, підшлунковій залозі, кістковій тканині, зубах. Добове надходження Силіцію з їжею становить 3,5 мг, а з повітрям — близько 15 мг. Водночас деякі його сполуки згубно діють на організм людини. Найнебезпечнішим є азбест, який спричиняє захворювання шкіри, легень (азбестоз). Нагромадження в організмі людини пилу кремнезему SiO2 викликає захворювання на силікоз (ураження дихальних органів), а також утворення каменів у нирках, підшлунковій залозі.

 Коротко про головне

До IVA групи хімічних елементів належать Карбон С, Силіцій Si, Германій Ge, Станум Sn і Плюмбум Pb. Карбон — типовий неметал, Германій, Станум і Плюмбум — метали і виявляють металічні властивості. Конфігурація валентних електронів ns2np2. Характерна валентність Карбону і Силіцію в сполуках IV, найвища ступінь окиснення +4, найнижча -4.

Карбон — це основа всього живого на Землі, трапляється як у вигляді простих, так і складних органічних та неорганічних речовин. Силіцій є основою літосфери Землі, за поширенням посідає друге місце після Оксигену. У природі трапляється лише у вигляді силіцій(IV) оксиду і силікатів.

Карбон — життєво важливий макроелемент, а Силіцій — мікроелемент організму людини.