Вуглець, кремній, германій, олово та свинець складають головну підгрупу IV групи. Зовнішні енергетичні рівні р-елементів IV групи містять чотири електрони (конфігурація ns 2 np 2),з яких два спарені s-електрони і два неспарені р-електрони.
У незбудженому стані елементи цієї підгрупи виявляють валентність, що дорівнює двом. При переході в збуджений стан, що супроводжується переходом одного з s-електронів зовнішнього рівня у вільний осередок р-підрівня того ж рівня, всі електрони зовнішнього шару стають неспареними, і валентність при цьому зростає до 4.
Енергія, що витрачається для переходу електрона, з надлишком компенсується енергією, що виділяється при утворенні чотирьох зв'язків.
У сполуках елементи підгрупи вуглецю виявляють ступінь окислення +4 або -4, а також +2, причому остання зі збільшенням заряду ядра стає більш характерною. Для вуглецю, кремнію та германію найбільш типовий ступінь окислення +4, для свинцю – +2. Ступінь окислення -4 в послідовності С - Pb стає менш характерною.
Елементи підгрупи вуглецю утворюють оксиди загальної формули RO 2 та RO, а водневі сполуки формули - RH 4 . Гідрати вищих оксидів вуглецю і кремнію мають кислотні властивості, гідрати інших елементів амфотерни, причому кислотні властивості сильніше виражені у гідратів германію, а основні - у гідратів свинцю. Від вуглецю до свинцю зменшується міцність водневих сполук RH 4 CH 4 - міцна речовина, а PbH 4 у вільному вигляді не виділено.
При переході від вуглецю до свинцю радіуси нейтральних атомів зростають, а енергія іонізації зменшується, тому від вуглецю до свинцю зменшуються неметалеві властивості, а металеві зростають. Неметалами є вуглець та кремній (див. табл. 24).
Загальна характеристика елементів IV групи, головної підгрупи періодичної системи Д. І. Менделєєва
До елементів головної підгрупи IV групи відносяться вуглець, кремній, германій, олово, свинець. Металеві властивості посилюються, неметалеві – зменшуються. На зовнішньому шарі – 4 електрони.
Хімічні властивості(На базі вуглецю)
· Взаємодіють з металами
4Al+3C = Al 4 C 3 (реакція йде за високої температури)
· Взаємодіють з неметалами
2Н 2 +C = CН 4
· Взаємодіють з киснем
· Взаємодіють з водою
C+H 2 O = CO+H 2
· Взаємодіють з оксидами
2Fe 2 O 3 +3C = 3CO 2 +4Fe
· Взаємодіють із кислотами
3C+4HNO 3 = 3CO 2 +4NO+2H 2 O
Вуглець. Характеристика вуглецю, виходячи з його положення в періодичній системі, алотропія вуглецю, адсорбція, поширення в природі, одержання, властивості. Найважливіші з'єднання вуглецю
Вуглерод (хімічний символ – C, лат. Carboneum) – хімічний елемент чотирнадцятої групи (за застарілою класифікацією – головною підгрупою четвертої групи), 2-го періоду періодичної системи хімічних елементів. порядковий номер 6, атомна маса – 12,0107. Вуглець існує в багатьох алотропних модифікацій з дуже різноманітними фізичними властивостями. Різноманітність модифікацій обумовлено здатністю вуглецю утворювати хімічні зв'язки різного типу.
Природний вуглець складається з двох стабільних ізотопів - 12С (98,93%) та 13С (1,07%) та одного радіоактивного ізотопу 14С (β-випромінювач, Т½= 5730 років), зосередженого в атмосфері та верхній частині земної кори.
Основні та добре вивчені алотропні модифікації вуглецю - алмаз та графіт. За нормальних умов термодинамічно стійкий лише графіт, а алмаз та інші форми метастабільні. Рідкий вуглець існує тільки при певному зовнішньому тиску.
При тиску понад 60 ГПа припускають утворення дуже щільної модифікації III (щільність на 15-20% вище щільності алмазу), що має металеву провідність.
Кристалічна модифікація вуглецю гексагональної сингонії з ланцюжковою будовою молекул прийнято називати карбіном. Відомо кілька форм карбину, що відрізняються числом атомів в елементарному осередку.
Карбін являє собою дрібнокристалічний порошок чорного кольору (щільність 1,9-2 г/см³), має напівпровідникові властивості. Отриманий у штучних умовах із довгих ланцюжків атомів вуглецю, покладених паралельно один одному.
Карбін - лінійний полімер вуглецю. У молекулі карбину атоми вуглецю з'єднані в ланцюжки по черзі або потрійними та одинарними зв'язками (полієнова будова), або постійно подвійними зв'язками (полікумуленова будова). Карбін має напівпровідникові властивості, причому під впливом світла його провідність сильно збільшується. На цій властивості засновано перше практичне застосування – у фотоелементах.
Графен (англ. graphene) - двомірна алотропна модифікація вуглецю, утворена шаром атомів вуглецю товщиною в один атом, з'єднаних за допомогою sp² зв'язків у гексагональну двовимірну кристалічну решітку.
При звичайних температурах вуглець хімічно ин ертен, при досить високих температурах з'єднується з багатьма елементами, виявляє сильні відновлювальні властивості. Хімічна активність різних форм вуглецю зменшується в ряду: аморфний вуглець, графіт, алмаз, на повітрі вони спалахують при температурах відповідно вище 300-500 °C, 600-700 °C і 850-1000 °C.
Продуктами горіння вуглецю є CO і CO2 (монооксид вуглецю та діоксид вуглецю відповідно). Відомий також нестійкий недооксид вуглецю С3О2 (температура плавлення -111 ° C, температура кипіння 7 ° C) та деякі інші оксиди (наприклад C12O9, C5O2, C12O12). Графіт і аморфний вуглець починають реагувати з воднем за нормальної температури 1200 °C, з фтором при 900 °C.
Вуглекислий газ реагує з водою, утворюючи слабку вугільну кислоту – H2CO3, яка утворює солі – карбонати. На Землі найбільш поширені карбонати кальцію (мінеральні форми - крейда, мармур, кальцит, вапняк та ін) і магнію (мінеральна форма доломіт).
Графіт з галогенами, лужними металами та ін.
Розміщено на реф.
речовинами утворює з'єднання включення. При пропущенні електричного розряду між вугільними електродами в атмосфері азоту утворюється ціан. При високих температурах взаємодією вуглецю із сумішшю Н2 та N2 отримують синильну кислоту:
При реакції вуглецю з сіркою виходить сірковуглець CS2, відомі також CS і C3S2. З більшістю металів вуглець утворює карбіди, наприклад:
Важлива в промисловості реакція вуглецю з водяною парою:
При нагріванні вуглець поновлює оксиди металів до металів. Ця властивість широко використовується в металургійній промисловості.
Графіт використовується в олівцевій промисловості, але в суміші з глиною для зменшення його м'якості. Алмаз завдяки винятковій твердості незамінний абразивний матеріал. У фармакології та медицині широко використовуються різні з'єднання вуглецю - похідні вугільної кислоти та карбонових кислот, різні гетероцикли, полімери та інші з'єднання. Вуглець грає величезну роль життя людини. Його застосування настільки ж різноманітні, як сам цей багатоликий елемент. Зокрема вуглець є невід'ємною складовою сталі (до 2,14 % мас.) та чавуну (понад 2,14 % мас.)
Вуглець входить до складу атмосферних аерозолів, завдяки чому може змінюватися регіональний клімат, зменшуватись кількість сонячних днів. Вуглець надходить у навколишнє середовище у вигляді сажі у складі вихлопних газів автотранспорту, при спалюванні вугілля на ТЕС, при відкритих виробленнях вугілля, підземної його газифікації, отриманні вугільних концентратів та ін.
Розміщено на реф.
Концентрація вуглецю над джерелами горіння 100-400 мкг/м3, великими містами 2,4-15,9 мкг/м3, сільськими районами 0,5 - 0,8 мкг/м3. З газоаерозольними викидами АЕС у повітря надходить (6-15)·109 Бк/сут 14СО2.
Високий вміст вуглецю в атмосферних аерозолях веде до підвищення захворюваності населення, особливо верхніх дихальних шляхів та легень. Професійні захворювання - в основному антракоз та пиловий бронхіт. У повітрі робочої зони ГДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит і кокс 6,0, кам'яне вугілля 10,0, технічний вуглець і вуглецевий пил 4,0; в атмосферному повітрі максимальна разова 0,15, середньодобова 0,05 мг/м3.
Найважливіші з'єднання. Оксид вуглецю (II) (чадний газ) CO. У звичайних умовах - безбарвний без запаху та смаку дуже отруйний газ. Отруйність пояснюється тим, що легко з'єднується з гемоглобіном крові Оксид вуглецю (IV) CO2. За звичайних умов - безбарвний газ зі злегка кислуватим запахом і смаком, у півтора рази важчий за повітря, не горить і не підтримує горіння. Вугільна кислота H2CO3. Слабка кислота. Молекули вугільної кислоти існують лише у розчині. Фосген COCl2. Безбарвний газ з характерним запахом, tкіп = 8оС, tпл = -118оС. Дуже отруйний. Мало розчинний у воді. Реакційноздатний. Використовується в органічних синтезах.
Загальна характеристика елементів IV групи, головної підгрупи періодичної системи Д. І. Менделєєва – поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Загальна характеристика елементів IV групи, головної підгрупи періодичної системи Д. І. Менделєєва" 2017, 2018.
Початки французької готичної скульптури було закладено у Сен-Дені. Три портали західного фасаду знаменитої церкви заповнювали скульптурні зображення, в яких вперше виявилося прагнення суворо продуманої іконографічної програми, виникло бажання... .
Нові міста в період раннього середньовіччя мало будувалися. Постійні війни викликали необхідність споруджувати укріплені поселення, особливо у прикордонних районах. Центром ранньосередньовічної матеріальної та духовної культури були монастирі. Вони будувалися.
ОБ'ЄМНО-ПЛАНУВАЛЬНІ РІШЕННЯ Загальне рішення будівель та комплексів До складу вищого навчального закладу відповідно до їх архітектурно-планувальної структури входять такі підрозділи: загальноінститутські та факультетські кафедри з кабінетами та лабораторіями; ...
План уроку
Загальна характеристика елементів ІV А групи.
Вуглець та кремній
Ціль:
Освітня:сформувати в учнів загальне уявлення про елементи, що входять до складу 4-ої групи, вивчити їх основні властивості, розглянути їх біохімічну роль та застосування основних сполук елементів.
Розвиваюча:розвинути навички писемного та усного мовлення, мислення, вміння використовувати отримані знання для вирішення різних завдань.
Виховує:виховати почуття потреби пізнання нового.
Хід уроку
Повторення пройденої теми:
Скільки елементів належить до неметалів? Вкажіть їхнє місце в ПСХЕ?
Які елементи належать до органогенних?
Вкажіть агрегатний стан усіх неметалів.
Зі скількох атомів складаються молекули неметалів?
Які оксиди називаються несолетворними? Написати формули несолетворних оксидів неметалів.
Cl 2 → HCl → CuCl 2 → ZnCl 2 → AgCl
Остання рівняння реакції записати в іонному вигляді.
Дописати можливі рівняння реакцій:
1) H 2 + Cl 2 = 6) CuO + H 2 =
2) Fe + Cl 2 = 7) KBr + I 2 =
3) NaCl + Br 2 = 8) Al + I 2 =
4) Br 2 + KI = 9) F 2 + H 2 O =
5) Ca + H 2 = 10) SiO 2 + HF =
Записати рівняння реакцій взаємодії азоту з: а) кальцієм; б) із воднем; в) із киснем.
Здійснити ланцюжок перетворень:
N 2 → Li 3 N → NH 3 → NO → NO 2 → HNO 3
При розкладанні 192 г нітриту амонію реакції NH 4 NO 2 = N 2 + 2H 2 O було отримано 60 л азоту. Знайти вихід товару від теоретично можливого.
Вивчення нового матеріалу.
До 4 А групи належать р-елементи: вуглець, кремній, германій, олово та свинець. Відрізняючись числом енергетичних рівнів, незбуджені атоми мають на зовнішньому рівні по 4 електрона. У зв'язку зі збільшенням групи зверху вниз числа заповнюваних електронних шарів і розмірів атома послаблюється притягнення зовнішніх валентних електронів до ядра, тому неметалеві властивості елементів у підгрупі зверху вниз послаблюються і посилюються металеві властивості. Тим не менш, вуглець і кремній істотно відрізняються за властивостями від інших елементів. Це типові неметали. У германію є металеві ознаки, а в олова та свинцю вони переважають над неметалевими.
В природі вуглецьзустрічається у вільному стані у вигляді алмазу та графіту. Вміст вуглецю у земній корі становить близько 0,1%. Він входить до складу природних карбонатів: вапняку, мармуру, крейди, магнезиту, доломіту. Вуглець є головною складовою органічних речовин. Вугілля, торф, нафта, дерево та природний газ розглядаються зазвичай як горючі матеріали, що застосовуються як паливо.
Фізичні властивості.Вуглець як проста речовина існує в кілька алотропних формах: алмаз, графіт, карбін і фулерен, які мають різко різні фізичні властивості, що пояснюється будовою їх кристалічних ґрат. Карбін -дрібнокристалічний порошок чорного кольору, вперше синтезований у 60-х роках радянськими хіміками, пізніше був знайдений у природі. При нагріванні до 2800 º без доступу повітря перетворюється на графіт. Фуллерен -у 80-х роках були синтезовані сферичні структури, утворені атомами вуглецю, названі фулеренами.Вони являють собою замкнуті структури, що складаються з певної кількості атомів вуглецю - 60 , 70 .
Хімічні властивості.У хімічному відношенні вуглець за нормальних умов інертний. Реакційна здатність посилюється у разі підвищення температури. При високих температурах вуглець взаємодіє з воднем, киснем, азотом, галогенами, водою та деякими металами та кислотами.
При пропущенні водяної пари через розпечене вугілля або кокс виходить суміш оксиду вуглецю (ІІ) та водню:
C + H 2 O = CO + H 2 (водяна пара ),
Ця реакція проходить при 1200º, при температурі нижче 1000º відбувається окислення до СО 2 :
З + 2H 2 O= СО 2 + 2 H 2 .
Промислово важливим процесом є перетворення водяного газу на метанол (метиловий спирт):
СО + 2H 2 = СН 3 ВІН
Під впливом високих температур вуглець здатний взаємодіяти з металами, утворюючи карбід,серед них виділяють «метаніди» та «ацетиленіди», залежно від того, який газ виділяється при взаємодії їх з водою або кислотою:
СаС 2 + HCl = CaCl 2 + C 2 H 2
Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 2 Al(OH) 3 ↓ + 3 CH 4
Велике практичне значення має карбід кальцію, який виходить нагріванням вапна СаО та коксу в електропечах без доступу повітря:
СаО + 3С = СаС 2 + СО
Карбід кальцію використовують для отримання ацетилену:
СаС 2 + 2 H 2 O= Са(ВІН) 2 + C 2 H 2
Однак для вуглецю характерні реакції, в яких він виявляє відновлювальні властивості:
2 ZnO + C = Zn+ СО 2
Cєднання вуглецю.
Оксид вуглецю (СО) – чадний газ. У промисловості його одержують пропусканням вуглекислого газу над розпеченим вугіллям за високої температури. У лабораторних умовах СО отримують дією конц. сірчаної кислоти на мурашину кислоту при нагріванні (сірчана кислота забирає воду):
НСООН =H 2 O+ СО
Оксид вуглецю (СО2) – вуглекислий газ. В атмосфері вуглекислого газу мало 0,03% за обсягом або 0,04% за масою. Поставляють в атмосферу вулкани та гарячі джерела, і, нарешті, людина спалює горючі копалини. Атмосфера постійно обмінюється газами з океанічною водою, що містить у 60 разів більше вуглекислого газу, ніж атмосфера. Відомо, що вуглекислий газ добре поглинає сонячні промені інфрачервоної області спектра. Тим самим вуглекислий газ створює парниковий ефектта регулює глобальну температуру.
У лабораторних умовах вуглекислий газ одержують дією соляної кислоти на мармур:
СаCO 3 + 2 HCl = CaCl 2 + H 2 O+ СО 2
Властивість вуглекислого газу не підтримувати горіння використовується у протипожежних пристроях. У разі підвищення тиску розчинність вуглекислого газу різко зростає. На цьому ґрунтується його застосування у виготовленні шипучих напоїв.
Вугільна кислота існує лише у розчині. При нагріванні розчину вона розкладається на оксид вуглецю та воду. Солі кислоти стійкі, хоча сама кислота нестійка.
Найважливішою реакцією на карбонат – іон є дія розбавлених мінеральних кислот – соляної чи сірчаної. При цьому з шипінням виділяються бульбашки вуглекислого газу, а при пропущенні його через розчин гідроксиду кальцію (вапняну воду) він каламутніє в результаті утворення карбонату кальцію.
Кремній.Після кисню це найпоширеніший елемент Землі. Він становить 25,7% маси земної кори. Значна його частина представлена оксидом кремнію, званого кремнеземом, Що зустрічається у вигляді піску або кварцу. У дуже чистому вигляді оксид кремнію зустрічається у вигляді мінералу гірським кришталем.Кристалічний оксид кремнію, пофарбований різними домішками, утворює дорогоцінне та напівдорогоцінне каміння: агат, аметист, яшму. Інша група природних сполук кремнію складає силікати – похідні кремнієвої кислоти.
У промисловості кремній одержують відновленням оксиду кремнію коксом в електричних печах:
SiO 2 + 2 C = Si + 2 CO
У лабораторіях як відновники використовують магній або алюміній:
SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO
3 SiO 2 + 4Al = Si + 2Al 2 O 3 .
Найбільш чистий кремній отримують відновленням тетрахлориду кремнію парами цинку:
SiCl 4 + 2 Zn = Si + 2 ZnCl 2
Фізичні властивості.Кристалічний кремній – тендітна речовина темно – сірого кольору зі сталевим блиском. Структура кремнію аналогічна структурі алмазу. Кремній використовують як напівпровідник. З нього виготовляють так звані сонячні батареї, що перетворюють світлову енергію на електричну. Кремній використовують у металургії для отримання крем'янистих сталей, що володіють високою жаростійкістю та кислототривкістю.
Хімічні властивості.За хімічними властивостями кремній, як і вуглець, є неметалом, але неметаллічність його виражена слабше, оскільки має велику величину атомного радіусу.
Кремній за звичайних умов хімічно досить інертний. Безпосередньо він взаємодіє лише з фтором, утворюючи фторид кремнію:
Si + 2 F 2 = SiF 4
Кислоти (крім суміші плавикової НF та азотної) на кремній не діють. Але він розчиняється в гідроксидах лужних металів:
Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
При високій температурі в електричній печі із суміші піску та коксу виходить карбід кремнію SiC- карборунд:
SiO 2 + 2С =SiC+ СО 2
З карбіду кремнію виготовляють точильні камені та шліфувальні круги.
З'єднання металів з кремнієм називаються силіцидами:
Si + 2 Mg = Mg 2 Si
При дії на силіцид магнію соляною кислотою виходить найпростіша воднева сполука кремнію. силан -SiH 4 :
Mg 2 Si+ 4НСl = 2 MdCl 2 + SiH 4
Силан - отруйний газ з неприємним запахом, що займається на повітрі.
Сполуки кремнію. Діоксид кремнію- Тверда тугоплавка речовина. У природі поширений у двох видах кристалічний та аморфний кремнезем. Крем'яна кислота- є слабкою кислотою, при нагріванні легко розкладається на воду та діоксид кремнію. Може бути отримана у вигляді студнеобразной маси, що містить воду, так і у вигляді колоїдного розчину (золя). Солі кремнієвої кислотиназиваються силікатами.Природні силікати – досить складні сполуки, їхній склад зазвичай зображується як з'єднання кількох оксидів. Тільки силікати натрію та калію розчиняються у воді. Їх називають розчинним склом,а їх розчин - Рідким склом.
Завдання для закріплення.
2. Дописати можливі рівняння реакцій, розв'язати завдання.
| 1 команда
| 2 команда
| 3 команда
|
| H 2 SO 4 + HCl - | CaCO 3+? -? + CO 2 +H 2 O |
|
| NaOH + H 2 SO 4 - | CaCO 3 + H 2 SO 4 - | K 2 SO 4 + CO 2 +H 2 O - |
| CaCl 2 +Na 2 Si O 3 - |
||
| Si O 2 + H 2 SO 4 - | ||
| Ca 2+ + CO 3 -2 - | CaCl 2 ++ NaOH - |
|
| Завдання: При відновленні оксиду заліза (111) вуглецем було отримано 10,08 г заліза, що склало 90% від теоретично можливого виходу. Якою є маса взятого оксиду заліза (III)? | Завдання: Скільки силікату натрію вийде при сплавленні оксиду кремнію (IV) з 64,2 кг соди, що містить 5% домішок? | Завдання: За дії соляної кислоти на 50 г карбонату кальцію вийшло 20г оксиду вуглецю (IV). Який вихід оксиду вуглецю (IV) (%) від теоретично можливого? |
Кросворд.
Ппро вертикаль: 1. Сіль вугільної кислоти.
По горизонталі: 1. Найтвердіша природна речовина на Землі. 2. Будівельний матеріал. 3. Речовина, що застосовується для виготовлення тіста. 4. Сполуки кремнію з металами. 5. Елемент головної підгрупи 1V групи ПЗ хімічних елементів. 6. Солі вугільної кислоти, що містять водень. 7. Природна сполука кремнію.
Домашнє завдання:стор.210 - 229.
IVА-групу періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва складають вуглець, кремній, германій, олово, свинець. Загальна електронна формула валентної оболонки атомів елементів ІВА-групи.
Атоми цих елементів мають по чотири валентні електрони на s- і р-орбіталях зовнішнього енергетичного рівня. У незбудженому стані не спарено два р-електрони. Отже, у сполуках ці елементи можуть виявляти ступінь окиснення +2. Але в збудженому стані електрони зовнішнього енергетичного рівня набувають конфігурації пs1пр3 і всі 4 електрона виявляються неспареними.
Наприклад, для вуглецю перехід з s-підрівня на р-підрівень можна уявити наступним чином.
Відповідно до електронної будови збудженого стану елементи IVА-групи можуть виявляти в сполуках ступінь окислення +4. Радіуси атомів елементів IVА-групи закономірно зростають із збільшенням порядкового номера. У цьому напрямі закономірно знижується енергія іонізації і електронегативність.
При переході в групі С-Si-Gе-Sn-Рb зменшується роль неподіленої електронної пари на зовнішньому s-підрівні при утворенні хімічних зв'язків. Тому якщо вуглецю, кремнію і германію найбільш характерна ступінь окислення +4, то свинцю +2.
У живому організмі вуглець, кремній та германій перебувають у ступені окислення +4, для олова та свинцю характерна міра окислення +2.
Відповідно до зростання розмірів атомів і падіння енергії іонізації при переході від вуглецю до свинцю неметалеві властивості слабшають, так як знижується здатність приєднувати електрони і збільшується легкість їх віддачі. Дійсно, перші два члени групи: вуглець і кремній – типові неметали, германій, олово та свинець – амфотерні елементи з яскраво вираженими металевими властивостями у останнього.
Посилення металевих ознак у ряді С-Si-Gе-Sn-Рb проявляється і в хімічних властивостях простих речовин. У звичайних умовах елементи С, Si, Gе та Sn стійкі по відношенню до повітря та води. А свинець окислюється на повітрі. У електрохімічному ряду напруг металів Gе розташовується після водню, а Sn і Рb безпосередньо перед воднем. Тому германій не реагує з кислотами типу НСl та розведеною Н2SO4.
Електронна будова і розмір атома, середнє значення електронегативності пояснюють міцність зв'язку С-С і схильність атомів вуглецю до утворення довгих гомоцепів:
Завдяки проміжному значенню електронегативності вуглець утворює малополярні зв'язки з життєво важливими елементами - воднем, киснем, азотом, сіркою та ін.
Хімічні властивості кисневих сполук вуглецю та кремнію. Серед неорганічних сполук вуглецю, кремнію та їх аналогів для медиків та біологів найбільший інтерес становлять кисневі сполуки цих елементів.
Вуглець (IV) і кремній (IV) оксиди ЕО2 є кислотними і відповідні їм гідроксиди Н2ЕО3 - слабкими кислотами. Відповідні оксиди та гідроксиди інших елементів IVА-групи амфотерни.
Діоксид вуглецю СО2. постійно утворюється в тканинах організму в процесі обміну речовин і відіграє важливу роль у регуляції дихання та кровообігу. Діоксид вуглецю є фізіологічним стимулятором дихального центру. Великі концентрації СО2 (понад 10%) викликають сильний ацидоз – зниження рН крові, бурхливу задишку та параліч дихального центру.
Діоксид вуглецю розчиняється у воді. При цьому у розчині утворюється вугільна кислота:
Н2О + СО2? Н2СО3
Рівнагу зміщено вліво, тому більша частина вуглецю діоксиду знаходиться у вигляді гідрату СО2 Н2О, а не Н2СО3. Вугільна кислота Н2СО3 існує лише у розчині. Належить до слабких кислот.
Як двоосновна кислота, Н2СО3 утворює середні та кислі солі: перші називаються карбонатами: Na2СО3, СаСО3 -карбонати натрію і кальцію; другі - гідрокарбонатами: NаНСО3, Са(НСО3)2 -гідрокарбонати натрію та кальцію. Всі гідрокарбонати добре розчиняються у воді; із середніх солей розчиняються карбонати лужних металів та амонію.
Розчини солей вугільної кислоти внаслідок гідролізу мають лужну реакцію (рН>7), наприклад:
Nа2СО3 + НОН? NаНСО3 + NаОН
СО32 + НОН? НСO3- + ВІН-
Водородкарбонатна буферна система (Н2СО3-НСО3-) служить головною буферною системою плазми крові, що забезпечує підтримку кислотно-основного гомеостазу, постійного значення рН крові порядку 7,4.
Так як при гідролізі карбонатів і гідрокарбонатів виходить лужне середовище, ці сполуки застосовують у медичній практиці як антацидні (нейтралізуючі кислоти) засоби при підвищеній кислотності шлункового соку. До них відносяться гідрокарбонат натрію NаНСО3 та карбонат кальцію СаСО3:
NаНСО3 + НСl = NaСl + Н2О + СО2
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н2О + СО2
У силікатний цемент, що містить SiO2, додається рідина, яка є водним розчином ортофосфорної кислоти Н3РО4, частково нейтралізований оксидом цинку ZnО і гідроксидом алюмінію Аl(ОН)3. Процес «схоплювання» силікат-цементу починається з розкладання порошку ортофосфорною кислотою з утворенням колоїдних розчинів фосфату алюмінію та кремнієвих кислот змінного складу xSiO2 yН2О:
Аl2О3 + 2Н3РО4 = 2АlРО4 + 3Н2О
хSiO2 + уН3О+ = хSiO2 уН2О + yН+
У процесі приготування пломб внаслідок перемішування відбуваються хімічні реакції з утворенням фосфатів металів, наприклад
3СаО + 2Н3РО4 = Са3(РО4)2 + 3Н2О
У воді добре розчиняються силікати лише лужних металів. При дії мінеральних кислот на розчини силікатів одержують кремнієві кислоти, наприклад, метакремнієву Н2SiO3 і ортокремнієву Н4SiO4.
Кремнієві кислоти слабші за вугільну, вони випадають в осад при дії СО2 на розчини силікатів. Силікати сильно гідролізуються. Це одна з причин руйнування силікатів у природі.
При сплавленні різних сумішей силікатів один з одним або кремнієм діоксидом виходять прозорі аморфні матеріали, звані склом.
Склад скла може змінюватись у широких межах і залежить від умов отримання.
Кварцове скло (майже чистий кремнезем) переносить різкі зміни температури, майже затримує ультрафіолетові промені. Таке скло використовують для виготовлення ртутно-дугових ламп, які широко застосовують у фізіотерапії, а також стерилізації операційних.
Фарфорові маси, що застосовуються в ортопедичній стоматології, складаються з кварцу SiO2 (15-35%) і алюмосилікатів: польового шпату Е2О Аl2О3 6SiO2, де Е-К, Na або Са (60-75%), і каоліну Аl2О2 2O (3-10%). Співвідношення компонентів може змінюватись в залежності від призначення порцелянової маси.
Польовий шпат К2О Аl2О3 6SiO2 - основний матеріал для отримання стоматологічних фарфорових мас. При плавленні він перетворюється на в'язку масу. Чим більше польового шпату, тим прозоріше фарфорова маса після відпалу. При отжиге фарфорових мас польовий шпат, як легкоплавкий, знижує температуру плавлення суміші.
Каолін (біла глина) – необхідна частина стоматологічної порцеляни. Добавка каоліну зменшує плинність порцелянової маси.
Кварц, що входить до складу стоматологічної порцеляни, зміцнює керамічне виріб, надає йому більшої твердості та хімічної стійкості.
Моноксид вуглецю СО. Зі сполук елементів IVА-групи, в яких вони виявляють ступінь окислення +2, інтерес для медиків та біологів представляє оксид вуглецю (II) СО. Ця сполука отруйна і надзвичайно небезпечна, тому що не має запаху.
Оксид вуглецю (II) - чадний газ - продукт неповного окиснення вуглецю. Як це не парадоксально, одним із джерел СО є сама людина, організм якої виробляє і виділяє у зовнішнє середовище (з повітрям, що видихається) за добу близько 10мл СО. Це так званий ендогенний оксид вуглецю (II), який утворюється у процесах кровотворення.
Проникаючи з повітрям у легені, оксид вуглецю (II) швидко проходить через альвеолярно-капілярну мембрану, розчиняється в плазмі крові, дифундує в еритроцити і вступає в оборотну хімічну взаємодію з окисленим НbО2, так і з відновленим гемоглобіном Нb:
НbО2 + СО? НbСО + О2
Нb + СО? НbСО
Карбонілгемоглобін НbСО, що утворюється, не здатний приєднувати до себе кисень. Внаслідок цього стає неможливим перенесення кисню від легень до тканин.
Висока хімічна спорідненість оксиду вуглецю (II) до двовалентного залозу є основною причиною взаємодії СО з гемоглобіном. Можна вважати, що інші біонеорганічні сполуки, що містять іони Fе2+, повинні реагувати з цією отрутою.
Так як реакція взаємодії оксигемоглобіну з чадним газом оборотна, то підвищення в дихальному середовищі парціального тиску О2 прискорюватиме дисоціацію карбонілгемоглобіну і виділення СО з організму (рівновагу змішується вліво за принципом Ле Шательє):
НbО2 + СО? НbСО + О2
В даний час є лікувальні препарати, які використовують як антидоти при отруєнні організму оксидом вуглецю (II). Наприклад, введення відновленого заліза різко прискорює видалення ЗІ з організму у вигляді, очевидно, карбонілу заліза. Дія цього препарату засноване на здатності СО виступати як ліганд у різних комплексах.
Хімічні властивості сполук олова та свинцю. Оксиди олова (II) і свинцю (II), SnО і РbО амфотерни, так само як і відповідні гідроксиди Sn(ОН)2 і Рb(ОН)2.
Солі Рb2+ - ацетат, нітрат - добре розчинні у воді, малорозчинні хлорид і фторид, практично нерозчинні сульфат, карбонат, хромат, сульфід. Усі сполуки свинцю (II), особливо розчинні, отруйні.
Біологічна активність свинцю визначається його здатністю проникати в організм і накопичуватися у ньому.
Свинець та його сполуки відносяться до отрути, що діє переважно на нервово-судинну систему і безпосередньо на кров. Хімізм токсичної дії свинцю дуже складний. Іони Рb2+ є сильними комплексоутворювачами в порівнянні з катіонами інших р-елементів IVА-групи. Вони утворюють міцні комплекси із біолігандами.
Іони Рb2+ здатні взаємодіяти та блокувати сульфгідрильні групи SН білків, у молекулах ферментів, що беруть участь у синтезі порфіринів, що регулюють синтез тема та інших біомолекул:
R--SН + Рb2+ + НS--R > R--S--Rb--S--R + 2Н+
Часто іони Рb2+ витісняють природні іони М2+, інгібуючи металоферменти ЕМ2+:
ЕМ2+ + Рb2+ > ЕРb2+ + М2+
Вступаючи в реакції з цитоплазмою мікробних клітин та тканин, іони свинцю утворюють гелеподібні альбумінати. У невеликих дозах солі свинцю мають в'яжучу дію, викликаючи гелефікацію білків. Утворення гелів ускладнює проникнення мікробів усередину клітин та знижує запальну реакцію. На цьому ґрунтується дія свинцевих примочок.
У міру збільшення концентрації іонів Рb2+ утворення альбумінатів набуває незворотного характеру, накопичуються альбумінати білків R-СООН поверхневих тканин:
Рb2+ + 2R-СООН = Рb(R-СОО)2 + 2Н+
Тому препарати свинцю (II) мають переважно в'яжучу дію на тканині. Їх призначають виключно для зовнішнього застосування, оскільки, всмоктуючи в шлунково-кишковому тракті або дихальних шляхах, вони виявляють високу токсичність.
Неорганічні сполуки олова (II) не дуже отруйні, на противагу органічним сполукам олова.
8939 0
До 14 групи входять C, Si, Ge, Sn, Pb (табл. 1 і 2). Як і елементи 3А підгрупи, це p-елементи зі схожою електронною конфігурацією зовнішньої оболонки - s 2 p 2 . При переміщенні вниз групою атомний радіус зростає, викликаючи ослаблення зв'язку між атомами. Через посилюється ділокалізацію електронів зовнішніх атомних оболонок у цьому напрямку зростає електропровідність, тому властивості елементів змінюються від неметалевих до металевих. Вуглець (С ) у формі алмазу є ізолятором (діелектриком), Si та Ge – напівметали, Sn та Pb – метали та хороші провідники.
Таблиця 1. Деякі фізичні та хімічні властивості металів 14 групи
|
|
Назва |
Відносить, ат. маса |
Електронна формула |
Радіус, пм |
Основні ізотопи (%) |
|
|
Вуглець Carbon [від лат. carbo - вугілля] |
ковалентний 77 при подвійному зв'язку 67 при потрійному зв'язку 60 |
14 С (сліди) |
||||
|
Кремній Silicon [від лат. silicis - кремінь] |
атомний 117 ковалентний 117 | |||||
|
Німеччина Germanium [від лат. Germania - Німеччина] |
3d 10 4s 2 4p 2 |
атомний 122,5, ковалентний 122 | ||||
|
Олово Tin [від англо-сакс. tin, лат. stannum] |
4d 10 5s 2 5p 2 |
атомний 140,5, ковалентний 140 | ||||
|
Свинець Lead [від англо-сакс. lead, лат. plumbum] |
4f 14 5d 10 6s 2 6р 2 |
атомний 175 ковалентний 154 |
Усі елементи цієї групи утворюють сполуки зі ступенем окиснення +4. Стійкість цих сполук зменшується при переміщенні до нижньої частини групи, коли, як у двовалентних сполук, вона, навпаки, при такому переміщенні зростає. Усі елементи, крім Si, утворюють також з'єднання з валентністю +2, що обумовлено « ефектом інертної пари»: втягуванням пари зовнішніх s-елементів у внутрішню електронну оболонку внаслідок гіршого екранування зовнішніх електронів d- І f-електронами в порівнянні з s- І р-Електронами внутрішніх оболонок у великих атомів нижніх членів групи.
Властивості елементів цієї групи дозволили використовувати їх як противодорічні покриття (ПП) суден. У перших таких покриттях використовували Pbпотім почали застосовувати Sn(у вигляді біс-трибутилового оловоорганічного радикалу, пов'язаного з вуглецевим полімером). З екологічних міркувань у 1989 р. використання в ПП цих, а також інших токсичних металів ( Hg, Cd, As) заборонили, замінивши на ПП на основі кремнійорганічних полімерів.
Таблиця 2.Вміст в організмі, токсична (ТД) та летальна дози (ЛД) металів 14 групи
|
|
У земній корі (%) |
В океані (%) |
У людському організмі | ||||
|
Середня (при масі тіла 70 кг) |
Кров (мг/л) |
||||||
|
зазвичай нетоксичний, але у вигляді СО та ціанідів CN дуже токсичний |
|||||||
|
(0,03-4,09) х10-4 |
Нетоксичний |
||||||
|
(0,07-7) х10-10 |
Нетоксичний |
||||||
|
(2,3-8,8) х10-10 |
(0,33-2,4) х10-4 |
ТД 2 г, ЛД нд, деякі оловоорганічні. сполуки дуже токсичні |
|||||
|
(0,23-3,3) х10-4 |
ТД 1 мг, ЛД 10 г |
||||||
Вуглець (С) - відрізняється від усіх інших елементів так званої катенацієютобто здатністю утворювати сполуки, в яких його атоми пов'язані один з одним у довгі ланцюги або кільця. Ця властивість пояснює утворення мільйонів сполук, які називаються органічними, яким присвячено окремий розділ хімії - органічна хімія.
Здатність вуглецю до катенації пояснюється кількома особливостями:
По перше, міцністюзв'язку З - З. Так, середня ентальпія зв'язку становить близько 350 кДж/моль, тоді як ентальпія зв'язку Si - Si- Тільки 226 кДж/моль.
По-друге, унікальною здатністю атомів вуглецю до гібридизації: освіті 4 sр 3 -орбіталей з тетраедричною орієнтацією (що забезпечують формування простих ковалентних зв'язків), або 3 sр 2 -орбіталей, орієнтованих в одній площині (що забезпечують утворення подвійних зв'язків), або 2 sр-орбіталей з лінійною орієнтацією (що забезпечують утворення потрійних зв'язків)
Таким чином, вуглець може утворювати 3 типи координаційного оточення: лінійнуу двох-і триатомних молекул, коли КЧ елемента дорівнює 2, плоскотрикутнуу молекул графіту, фулеренів, алкенів, карбонільних сполук, бензольного кільця, коли КЧ дорівнює 3, і тетраедричнуу алканів та їх похідних із КЧ = 4.
У природі вуглець зустрічається у вигляді алотропних, тобто різних структурних форм (графіт, алмаз, фулерени), а також у вигляді вапняку та вуглеводневої сировини (вугілля, нафти та газу). Використовується як коксу при виплавці сталі, сажі в поліграфії, активованого вугілля при очищенні води, цукру тощо.
У 2010 р. присуджено Нобелівську премію з фізики за вивчення унікальної форми З- графена. Лауреатам - вихідцям із Росії - А. Гейму та К. Новосьолову вдалося отримати цей матеріал з графіту. Він є двовимірним кристалом, тобто схожим на сітку з атомів С товщиною в один атом, хвилеподібної структурищо забезпечує стійкість кристала. Його властивості дуже багатообіцяючі: він є найтоншим прозорим матеріалом з усіх нині відомих, до того ж надзвичайно міцним (приблизно в 200 разів міцнішим від сталі), має електро- і теплопровідність. При кімнатній температурі його електричний опір мінімальний серед усіх відомих провідників. У недалекому майбутньому на основі графену буде створено надшвидкісні комп'ютери, плоскопанельні екрани та сонячні батареї, а також чутливі газові детектори, що реагують на декілька молекул газу. Не виключені та інші сфери його використання.
У формі оксиду ( СО) та ціанідів ( СN-) вуглець дуже токсичний, оскільки порушує процеси дихання. Механізми біологічної дії цих сполук різні. Ціанід інгібує дихальний фермент цитохромоксидазушвидко зв'язуючись з Сі- Активним центром ферменту, блокуючи електронний потік на кінцевій ділянці дихального ланцюга. СО, будучи основою Льюїса, зв'язується з атомом Feу молекулі гемоглобіну міцніше, ніж O 2 , утворюючи карбонілгемоглобін, позбавлений здатності зв'язувати та переносити O 2 . Здатність СОутворювати координаційні зв'язки з d-металами в низьких ступенях окиснення призводить до утворення різноманітних карбонільних сполук. Наприклад, Feу дуже отруйній речовині - псітокарбопілі Fe(CO) 5 - має нульовий ступінь окислення, а в комплексі [ Fe(CO) 4] 2- - ступінь окислення -2 (рис. 1).
Мал. 1.
Стабілізація атома металу низькою мірою окислення в комплексах з СОпояснюється здатністю вуглецю виступати завдяки структурі низько розташованих р*-орбіталей у ролі акцепторного ліганду. Ці орбіталі перекриваються із зайнятими орбіталями металу, утворюючи координаційну р-зв'язок, у якому метал виступає доноромелектронів. Це один із небагатьох винятків із загального правила утворення КС, де акцептором електронів є метал.
Немає сенсу описувати властивості вуглецю більш докладно, оскільки при багатоелементному аналізі його, як правило, не тільки не визначають, а й вважають його домішка в зразку небажаною і максимальною, що підлягає видаленню при пробопідготовці. При оптичному емісійному аналізі він дає дуже широкий спектр, підвищуючи шумовий фон і тим самим знижуючи межу чутливості виявлення визначених елементів. При мас-спектрометрії органічні молекули утворюють велику кількість уламків молекул з різною молекулярною масою, що дають значні перешкоди під час аналізу. Тому в переважній більшості випадків усі вуглецевмісні речовини при пробопідготовці видаляють.
Кремній (Si) - Напівметал. При відновленні кремнезему ( SiО 2) вуглецем утворюється чорний аморфний Si. Кристали Siвисокої чистоти нагадують сіро-блакитний метал. Кремній застосовують у напівпровідниках, сплавах та полімерах. Він важливий деяких форм життя, наприклад, для побудови оболонок у діатомових водоростей; можливо, має значення й у організму людини. Деякі силікати канцерогенні, деякі спричиняють силікоз.
У всіх з'єднаннях Siчотиривалентний, утворює хімічні зв'язки ковалентного характеру. Найбільш поширений діоксид SiO 2 . Незважаючи на хімічну інертність та нерозчинність у воді, при попаданні в організм може утворювати кремнієві кислоти та кремнійорганічні сполуки з неявно вираженими біологічними властивостями. Токсичність SiO 2 залежить від дисперсності частинок: чим вони дрібніші, тим токсичніше, хоча кореляції між розчинністю різних форм SiO 2 та силікогенністю не спостерігається. Зв'язок токсичності кремнієвих кислот саме з Siдоводить повна інертність пилу алмазу тієї самої дисперсності.
Останнім часом зазначено, що в біосередовищах кремнієві кислоти беруть участь у формуванні гідроксилалюмосилікатів, причому це явище не можна пояснити ні зв'язком Si-Сні зв'язком Si-О-С. У міру розширення промислового використання Аlта його сполук за допомогою алюмосилікатів Аlвсе ширше залучається до багатьох біохімічних реакцій. Зокрема, функціональні кисень-і фторвмісні групи легко утворюють високостійкі комплексні сполуки з Аl, перекручуючи їх метаболізм.
Найбільш вивчені серед кремнійорганічних сполук силікони- полімери, скелет молекули яких складається з чергуються зв'язаних між собою атомів Siі O 2 . До атомів Siу силіконах приєднані алкільні або арильні групи. Наявність Siу кремнійорганічних сполуках кардинально змінює властивості речовин, коли їх не містять. Наприклад, звичайні полісахариди можна виділити та очистити за допомогою міцного етанолу, який осаджує полісахарид із розчину. Кремнийсодержащие вуглеводи, навпаки, не осаджуються навіть у 90% етанолі. Класифікація кремнійорганічних сполук представлена у табл. 3.
Таблиця 3.Кремнійорганічні полімери
|
Назва та структура |
Примітка |
|
|
|
Складаються тільки з Si. Енергія зв'язку у вуглецевому ланцюзі З - Здорівнює 58,6, а у Si - Si 42,5 ккал/моль, тому поліорганосилани нестійкі. |
|
|
|
Енергія зв'язку Si - Про 89,3 ккал/моль. Тому ці полімери міцні, стійкі до температури та окисної деструкції. Цей клас полімерів дуже різноманітний за будовою. Лінійні полісілаксани широко застосовують як синтетичні еластичні та термостійкі каучуки. |
|
|
|
В основному ланцюзі атоми Siрозділені ланцюжками із вуглецевих атомів. |
|
|
|
В основний ланцюг є силоксанові групи, розділені вуглецевими ланцюжками. |
|
|
|
Основний ланцюг складається з атомів З, а атоми Siмістяться у бічних групах чи відгалуженнях. |
|
|
|
Макромолекулярні ланцюги включають атоми Si, Ота металів, де М = Al, Ti, Sb, Sn,. |
Найбільш вірогідним механізмом розвитку силікозавважають руйнування фагоцитів, які захопили частки SiO 2 . При взаємодії з лізосомами кремнієві частинки руйнують лізосоми та саму клітину-фагоцит, викликаючи виділення ферментів та осколків молекул органел. Вони взаємодіють із іншими фагоцитами, тобто запускається ланцюговий процес загибелі фагоцитів. Якщо в клітині є кілька кремнієвих кислот, цей процес прискорюється. Накопичення загиблих макрофагів ініціює вироблення в навколишніх фібробластах колагену, внаслідок чого в осередку розвивається склероз.
Колоїдна кремнієва кислота є потужним гемолітиком, змінює співвідношення сироваткових білків, пригнічує ряд дихальних та тканинних ферментів, порушує метаболізм багатьох речовин, у тому числі фосфору. Останнім часом велику увагу приділяють силілієвим іонам (R 3 Si+). У них проявляється унікальна здатність атома Siрозширювати свою координаційну сферу, як підвищення його електрофільності. Він взаємодіє з будь-якими нуклеофілами, включаючи іони протилежного заряду (у тому числі реакційні проміжні метаболічні продукти) і молекули розчинника. Тому в конденсованих фазах вони стають «невловимими» і виявити їх виявляється складно (Кочина зі співавт., 2006).
Кремнійорганічні полімери (КОП) спочатку застосовували як противодоревих покриттів корпусу суден, що самополіруються (Цукерман, Рухадзе, 1996). Однак потім були запропоновані різноманітні способи застосування КОП в інших галузях народного господарства, зокрема в медицині як міцні протези кісток.
Німеччина (Ge) - Амфотерний напівметал; при надвисокій чистоті виглядає як крихкі кристали сріблясто-білого кольору. Застосовується в напівпровідниках, сплавах та спеціальних стеклах для інфрачервоної оптики. Вважається за біологічний стимулятор. У сполуках виявляє ступінь окиснення +2 та +4.
Всмоктування двоокису та галогенідів Geу кишечнику слабке, але у вигляді германатів M 2 GeO 4 дещо покращується. З білками плазми германій не зв'язується, і розподіляється між еритроцитами та плазмою у співвідношенні приблизно 2:1. Швидко (час напіввиведення близько 36 год) виводиться із організму. Загалом малотоксичний.
Олово (Sn) - М'який, пластичний метал. Використовується в мастилах, сплавах, припої, як добавка до полімерів, у складі фарб для покриттів, що протиобрастають, у складі високоотруйних для нижчих рослин і тварин летких оловоорганічних сполук. У вигляді неорганічних сполук нетоксичний.
Має два енантіотропа, «сіре» (б) та «біле» (в) олово, тобто різні алотропні форми, стійкі у певному діапазоні умов. Температура переходу між цими формами при тиску 1 атм. дорівнює 286,2 ° К (13,2 ° С). Біле олово має спотворену структуру сірої модифікації з КЧ = 6 та щільністю 7,31 г/см 3 . Воно стабільно у звичайних умовах, а при зниженій температурі повільно перетворюється на форму, що має алмазоподібну структуру з КЧ = 4 і щільністю 5,75 г/см 3 . Подібна зміна густини металу в залежності від температури середовища зустрічається вкрай рідко і може викликати драматичні наслідки. Наприклад, за умов холодних зим руйнувалися олов'яні гудзики на мундирах солдатів, а 1851 р. у церкві м. Зейца олов'яні труби органу перетворилися на порошок.
В організмі відкладається у печінці, нирках, кістках, м'язах. При отруєнні оловом знижується еритропоез, що проявляється зменшенням показників гематокриту, гемоглобіну та числа еритроцитів. Відзначено також інгібування дегідратази 5-амінолевулінату, одного з ферментів ланцюга біосинтезу гему, а також печінкових ферментів глутатіонредуктазиі дегідрогеназ глюкозо-6-фосфату, лактатуі сукцинату. Очевидно, Snвиводиться з організму у складі комплексів з SH-Змістом субстратами.
Свинець (Pb) - М'який, ковкий, пластичний метал. У вологому повітрі покривається оксидною плівкою, стійкою до дії кисню та води. Використовується в акумуляторах, виробництві кабелів, фарб, скла, мастил, бензину та засобів захисту від радіації. Є токсичним металом 1 групи небезпеки, тому що накопичується в організмі в кістковій тканині з порушенням функції нирок та серцево-судинної системи. У розвинених країнах його зміст контролюється за обов'язкової диспансеризації населення. Викликає різноманітні захворювання.
Медична біонеорганіка. Г.К. Барашків