Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

Тема 5. Елементи IVA групи

§ 50. Загальна характеристика елементів IVA групи

Характеристика хімічних елементів

Серед хімічних елементів IVA групи Періодичної системи лише два перших — Карбон і Силіцій — є неметалічними елементами. Наступний елемент — Германій — уже напівметалічний елемент, а Станум і Плюмбум — металічні елементи. Основні характеристики елементів IVA групи наведено в таблиці 11.

Таблиця 11. Загальна характеристика елементів IVA групи

Характеристика	Карбон С	Силіцій Si	Германій Ge	Станум Sn	Плюмбум Рb
Радіус атома, нм	0,091	0,146	0,152	0,172	0,181
Відносна електронегативність	2,55	1,9	2,01	1,96	1,55
Можливі валентності	II, IV
Характерні ступені окиснення	Усі від -4 до +4	-4, 0, +2, +4	-4, 0, +1, +2, +3, +4	0, +2, +4
Уміст у земній корі, мас. %	0,48 %	27,6 %	1,5 • 10-4 %	3 • 10-3 %	1,6 • 10-3 %

Атоми всіх елементів IVA групи мають подібну електронну будову і містять по чотири електрони на зовнішньому рівні: два з них утворюють пару, а два є неспареними.

Для атома Карбону в основному стані максимальна валентність дорівнює IIІ: два зв’язки можуть утворюватися за рекомбінаційним і один — за донорно-акцепторним механізмом:

У збудженому стані на зовнішньому енергетичному рівні атома Карбону чотири неспарені електрони, і Карбон виявляє валентність IV:

В усіх сполуках (крім чадного газу) Карбон чотиривалентний. Електронегативність Карбону не дуже велика, тому в різних сполуках він виявляє всі ступені окиснення: від нижчого -4 до вищого +4. Із цієї ж причини для Карбону не характерні бінарні йонні сполуки, оскільки він утворює переважно ковалентні зв’язки.

Атоми Силіцію й Германію мають подібну будову зовнішнього енергетичного рівня. Наявність додаткових d-орбіталей не впливає на можливі валентні стани.

Атомам Плюмбуму і Стануму завдяки більшому радіусу вже вигідніше утворювати йонні сполуки, хоча ковалентні зв’язки вони також можуть утворювати. Тому ці елементи в хімічних реакціях виявляють переважно металічні властивості.

Загальна характеристика простих речовин

Так само, як і для елементів V групи, у властивостях простих речовин елементів IV групи відбувається зміна властивостей від неметалічних до металічних. Карбон — неметалічний елемент, його прості речовини є неметалами, хоча для однієї з них (графіту) характерний слабкий металічний блиск (мал. 50.1a) і невелика електропровідність. Силіцій і германій — крихкі напівпровідники з добрим металічним блиском (мал. 50.1б, в). А олово і свинець — метали з усіма характерними властивостями: блиском, ковкістю та електропровідністю (мал. 50.1г, д).

Мал. 50.1. Прості речовини, утворені елементами IVA групи: а — графіт; б — силіцій; в — германій; г — олово; д — свинець

Поширеність у природі

Незважаючи на те що Карбон є невід’ємною складовою живих організмів (близько 20 % від маси людини), у природі його набагато менше, ніж Оксигену, Силіцію, Алюмінію й Гідрогену. В атмосфері Землі Карбон міститься у вигляді вуглекислого газу (близько 0,03 % від об’єму), а в земній корі — у складі карбонатів (0,35 % від маси), наприклад кальцій карбонату, що утворює поклади мармуру, крейди й вапняку. Також Карбон є складовою бурого й кам’яного вугілля, горючих сланців, нафти та природного газу.

Силіцій у природі трапляється переважно у сполуках з Оксигеном — кварц SiO₂, глина (або каолін), польовий шпат, слюда й багато інших мінералів і гірських порід. Усі мінерали, у складі яких міститься Силіцій, є речовинами, які утворюють земну кору і ґрунти, що робить його одним із найпоширеніших елементів у літосфері (25 % від маси).

Германію в земній корі менше, ніж інших елементів IVA групи. Він майже не утворює власних мінералів. У невеликій кількості його домішки містяться у хроміті, магнетиті, рутилі, граніті, базальті тощо.

Станум у складі мінералу каситерит SnO₂ (мал. 50.2а) зазвичай трапляється як домішка до різних порід й інших мінералів: часто його виявляють у деяких родовищах платини, золота й срібла.

Плюмбум — найпоширеніший елемент серед важких металів (Ауруму, Меркурію тощо) завдяки тому, що він є кінцевим продуктом ядерного розпаду Урану. Найвідоміші мінерали Плюмбуму — галеніт (свинцевий блиск) PbS (мал. 50.2б), англезит (свинцевий купорос) PbSO₄ (мал. 50.2в) і церусит (біла свинцева руда) РbСО₃.

Мал. 50.2. а — каситерит; б — галеніт; в — англезит

Біологічна роль

Завдяки властивості атомів Карбону утворювати довжезні ланцюги існує величезний клас сполук, вивченням яких займається органічна хімія. На основі сполук Карбону існують багаточисельні групи речовин: вуглеводні, білки, жири, нуклеїнові кислоти тощо. За кількістю атомів у живих клітинах частка Карбону становить близько 25 %, а за масою — близько 18 %.

Силіцій є важливим біогенним елементом для деяких організмів. Він міститься у складі опорних утворень рослин і скелетів деяких тварин. У великій кількості Силіцій накопичують мешканці океану — діатомові водорості, радіолярії та губки. Багато Силіцію міститься у хвощах і злаках, насамперед у бамбукових і рисових. М’язова тканина людини містить 0,01 % Силіцію, а кров — 3,9 мг/л. Із їжею в організм людини щоденно потрапляє до 1 г Силіцію. Сполуки Силіцію відносно не токсичні, але мікрочастинки SiO₂, потрапляючи в легені, руйнують легеневі тканини і спричиняють силікоз. Тому небезпечно вдихати тонкоподрібнені частинки силікатів або силіцій(ІV) оксиду, які утворюються під час вибухових робіт, довбання порід у шахтах, під час роботи піскоструминних апаратів тощо.

Германій трапляється в рослинах, тваринах і грибах. У малих кількостях він небезпечний, але у великих дозах отруйний для живих організмів (за винятком цвілевих грибів).

Станум не має токсичної дії, що дозволяє використовувати його в харчовій промисловості — тонким шаром олова вкривають зсередини консервні бляшанки.

На відміну від інших елементів IVA групи, Плюмбум і його сполуки надзвичайно токсичні. Потрапляючи в організм, Плюмбум накопичується в кістках, спричиняючи їх руйнування.

Ключова ідея

Елементи IVA групи — поширені елементи в природі, серед яких Карбон має найбільше значення для живої природи, а Силіцій — для неживої.

Запитання та завдання

300. Схарактеризуйте зміну властивостей хімічних елементів IVA групи: а) радіус атомів; б) електронегативність; в) металічні й неметалічні властивості; г) окисно-відновні властивості.

301. Як змінюються металічні властивості простих речовин у підгрупі Карбону зі збільшенням порядкового номера елемента? Проілюструйте свою відповідь прикладами.

302. Схарактеризуйте валентні стани та можливі ступені окиснення Карбону.

303. Чому для атомів Карбону характерне утворення ковалентних зв'язків?

304. Схарактеризуйте поширеність у природі та біологічне значення елементів IVA групи.

305. Складіть порівняльну характеристику Карбону і Силіцію за зразком, наведеним у § 5 на с. 17.

306. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках: СН₄, СаС₂, SiO₂, CO, SiCl₄, PbBr₂, SnO₂, PbCl₄.