Группа углерода — это группа периодической таблицы, состоящая из углерода (C), кремния (Si), германия (Ge), олова (Sn), свинца (Pb) и флеровия (Fl). Она находится в p-блоке .
В современной нотации ИЮПАК она называется группой 14. В области физики полупроводников она по-прежнему повсеместно называется группой IV . Группа также известна как тетрелы (от греческого слова tetra , что означает четыре), происходящие от римской цифры IV в названии группы, или (не случайно) от того факта, что эти элементы имеют четыре валентных электрона (см. ниже). Они также известны как кристаллогены [1] или адамантогены [2] .
Как и другие группы, члены этого семейства демонстрируют закономерности в электронной конфигурации , особенно на внешних оболочках, что приводит к тенденциям в химическом поведении:
Каждый из элементов этой группы имеет 4 электрона на своей внешней оболочке . Изолированный нейтральный атом группы 14 имеет конфигурацию s 2 p 2 в основном состоянии. Эти элементы, особенно углерод и кремний , имеют сильную склонность к ковалентной связи , которая обычно приводит внешнюю оболочку к восьми электронам . Связи в этих элементах часто приводят к гибридизации , где отдельные s- и p-характеристики орбиталей стираются. Для одинарных связей типичное расположение имеет четыре пары sp 3 -электронов , хотя существуют и другие случаи, такие как три пары sp 2 в графене и графите. Двойные связи характерны для углерода ( алкены , CO 2 ...); то же самое для π-систем в целом. Тенденция к потере электронов увеличивается с увеличением размера атома , как и с увеличением атомного номера. Углерод сам по себе образует отрицательные ионы в форме ионов карбида (C 4− ). Кремний и германий , оба металлоиды , могут образовывать ионы +4. Олово и свинец оба являются металлами , в то время как флеровий является синтетическим, радиоактивным (его период полураспада очень короткий, всего 1,9 секунды) элементом, который может иметь несколько свойств, подобных свойствам благородных газов , хотя он все еще, скорее всего, является постпереходным металлом. Олово и свинец оба способны образовывать ионы +2. Хотя олово химически является металлом, его α-аллотроп больше похож на германий, чем на металл, и он является плохим проводником электричества.
Среди основных групп (группы 1, 2, 13–17) алкильных производных QR n , где n — стандартное число связей для Q ( см. лямбда-конвенцию ), производные группы 14 QR 4 примечательны своей электронной точностью: они не являются ни электронно-дефицитными (имея меньше электронов, чем октет, и имея тенденцию быть кислотными по Льюису в Q и обычно существуя в виде олигомерных кластеров или аддуктов с основаниями Льюиса), ни электронно-избыточными (имея неподеленную пару(ы) в Q и имея тенденцию быть основными по Льюису в Q). В результате алкилы группы 14 имеют низкую химическую реактивность по сравнению с алкильными производными других групп. В случае углерода высокая энергия диссоциации связи C–C и отсутствие разницы в электроотрицательности между центральным атомом и алкильными лигандами делают насыщенные алкильные производные, алканы , особенно инертными. [3]
Углерод образует тетрагалогениды со всеми галогенами . Углерод также образует множество оксидов , таких как оксид углерода , субоксид углерода и диоксид углерода . Углерод образует дисульфид и диселенид . [4]
Кремний образует несколько гидридов; два из них — SiH 4 и Si 2 H 6 . Кремний образует тетрагалогениды с фтором ( SiF 4 ), хлором ( SiCl 4 ), бромом ( SiBr 4 ) и йодом ( SiI 4 ). Кремний также образует диоксид и дисульфид . [5] Нитрид кремния имеет формулу Si 3 N 4 . [6]
Германий образует пять гидридов. Первые два гидрида германия — GeH 4 и Ge 2 H 6 . Германий образует тетрагалогениды со всеми галогенами, кроме астата, и дигалогениды со всеми галогенами, кроме брома и астата. Германий связывается со всеми природными одиночными халькогенами, кроме полония, и образует диоксиды, дисульфиды и диселениды. Нитрид германия имеет формулу Ge 3 N 4 . [7]
Олово образует два гидрида: SnH 4 и Sn2H6. Олово образует дигалогениды и тетрагалогениды со всеми галогенами, кроме астата. Олово образует монохалькогениды с природными халькогенами, кроме полония, и образует дихалькогениды с природными халькогенами, кроме полония и теллура. [8]
Свинец образует один гидрид, имеющий формулу PbH4 . Свинец образует дигалогениды и тетрагалогениды с фтором и хлором, а также образует дибромид и дииодид , хотя тетрабромид и тетраиодид свинца нестабильны. Свинец образует четыре оксида , сульфид , селенид и теллурид . [9]
Известных соединений флеровия не существует. [10]
Температуры кипения элементов углеродной группы имеют тенденцию к снижению с более тяжелыми элементами. Углерод, самый легкий элемент углеродной группы, возгоняется при 3825 °C. Температура кипения кремния составляет 3265 °C, германия — 2833 °C, олова — 2602 °C, а свинца — 1749 °C. Предполагается, что флеровий будет кипеть при −60 °C. [11] [12] Температуры плавления элементов углеродной группы имеют примерно ту же тенденцию, что и их температуры кипения. Кремний плавится при 1414 °C, германий плавится при 939 °C, олово плавится при 232 °C, а свинец плавится при 328 °C. [13]
Кристаллическая структура углерода гексагональная ; при высоких давлениях и температурах он образует алмаз (см. ниже). Кремний и германий имеют кубическую кристаллическую структуру алмаза, как и олово при низких температурах (ниже 13,2 °C). Олово при комнатной температуре имеет тетрагональную кристаллическую структуру. Свинец имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. [13]
Плотности элементов группы углерода имеют тенденцию к увеличению с увеличением атомного номера. Углерод имеет плотность 2,26 г·см − 3 ; кремний 2,33 г·см −3 ; германий 5,32 г·см −3 ; олово 7,26 г·см −3 ; свинец 11,3 г·см −3 . [13]
Атомные радиусы элементов группы углерода имеют тенденцию к увеличению с увеличением атомного числа. Атомный радиус углерода составляет 77 пикометров , кремния — 118 пикометров, германия — 123 пикометра, олова — 141 пикометр, свинца — 175 пикометров. [13]
Углерод имеет несколько аллотропов . Наиболее распространенным является графит , который представляет собой углерод в форме сложенных листов. Другая форма углерода — алмаз , но это относительно редко. Аморфный углерод — это третий аллотроп углерода; он является компонентом сажи . Другой аллотроп углерода — фуллерен , который имеет форму листов атомов углерода, сложенных в сферу. Пятый аллотроп углерода, открытый в 2003 году, называется графен и находится в форме слоя атомов углерода, расположенных в форме сот. [6] [14] [15]
Кремний имеет два известных аллотропа, которые существуют при комнатной температуре. Эти аллотропы известны как аморфные и кристаллические аллотропы. Аморфный аллотроп представляет собой коричневый порошок. Кристаллический аллотроп имеет серый цвет и металлический блеск . [16]
Олово имеет две аллотропные модификации: α-олово, также известное как серое олово, и β-олово. Олово обычно встречается в форме β-олово, серебристого металла. Однако при стандартном давлении β-олово превращается в α-олово, серый порошок, при температурах ниже 13,2 °C (55,8 °F). Это может привести к тому, что оловянные предметы при низких температурах рассыплются в серый порошок в процессе, известном как оловянная чума или оловянная гниль. [6] [17]
По крайней мере, два элемента группы углерода (олово и свинец) имеют магические ядра , что означает, что эти элементы более распространены и более стабильны, чем элементы, не имеющие магического ядра. [17]
Известно 15 изотопов углерода . Из них три встречаются в природе. Наиболее распространенным является стабильный углерод-12 , за которым следует стабильный углерод-13 . [13] Углерод-14 — это естественный радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5730 лет. [18]
Было обнаружено 23 изотопа кремния . Пять из них встречаются в природе. Наиболее распространенным является стабильный кремний-28, за которым следуют стабильный кремний-29 и стабильный кремний-30. Кремний-32 — это радиоактивный изотоп, который встречается в природе в результате радиоактивного распада актинидов и через расщепление в верхних слоях атмосферы. Кремний-34 также встречается в природе в результате радиоактивного распада актинидов. [18]
Было обнаружено 32 изотопа германия . Пять из них встречаются в природе. Наиболее распространенным является стабильный германий-74, за которым следуют стабильный германий-72, стабильный германий-70 и стабильный германий-73. Германий-76 является первичным радиоизотопом . [18]
Было обнаружено 40 изотопов олова . 14 из них встречаются в природе. Наиболее распространенным является олово-120, за ним следуют олово-118, олово-116, олово-119, олово-117, олово-124, олово-122, олово-112 и олово-114: все они стабильны. У олова также есть четыре радиоизотопа, которые возникают в результате радиоактивного распада урана. Эти изотопы — олово-121, олово-123, олово-125 и олово-126. [18]
Было обнаружено 6 изотопов флеровия (флеровий-284, флеровий-285, флеровий-286, флеровий-287, флеровий-288 и флеровий-289). Ни один из них не встречается в природе. Наиболее стабильным изотопом флеровия является флеровий-289, период полураспада которого составляет 2,6 секунды. [18]
Углерод накапливается в результате слияния звезд в большинстве звезд, даже небольших. [17] Углерод присутствует в земной коре в концентрации 480 частей на миллион и присутствует в морской воде в концентрации 28 частей на миллион. Углерод присутствует в атмосфере в форме оксида углерода , диоксида углерода и метана . Углерод является ключевым компонентом карбонатных минералов и находится в гидрокарбонате , который распространен в морской воде. Углерод составляет 22,8% типичного человека. [18]
Кремний присутствует в земной коре в концентрации 28%, что делает его вторым по распространенности элементом там. Концентрация кремния в морской воде может варьироваться от 30 частей на миллиард на поверхности океана до 2000 частей на миллиард глубже. Кремниевая пыль встречается в следовых количествах в атмосфере Земли. Силикатные минералы являются наиболее распространенным типом минералов на Земле. Кремний составляет в среднем 14,3 частей на миллион человеческого тела. [18] Только самые большие звезды производят кремний посредством звездного синтеза. [17]
Германий составляет 2 части на миллион земной коры, что делает его 52-м наиболее распространенным элементом там. В среднем германий составляет 1 часть на миллион почвы . Германий составляет 0,5 частей на триллион морской воды. Германийорганические соединения также обнаружены в морской воде. Германий встречается в организме человека в концентрации 71,4 частей на миллиард. Было обнаружено, что германий существует в некоторых очень далеких звездах. [18]
Олово составляет 2 части на миллион земной коры, что делает его 49-м наиболее распространенным элементом там. В среднем олово составляет 1 часть на миллион почвы. Олово существует в морской воде в концентрации 4 части на триллион. Олово составляет 428 частей на миллиард человеческого тела. Оксид олова (IV) встречается в концентрациях от 0,1 до 300 частей на миллион в почвах. [18] Олово также встречается в концентрациях одна часть на тысячу в магматических породах . [19]
Свинец составляет 14 частей на миллион земной коры, что делает его 36-м наиболее распространенным элементом там. В среднем свинец составляет 23 части на миллион почвы, но концентрация может достигать 20000 частей на миллион (2 процента) вблизи старых свинцовых рудников. Свинец существует в морской воде в концентрации 2 части на триллион. Свинец составляет 1,7 частей на миллион человеческого тела по весу. Человеческая деятельность выбрасывает в окружающую среду больше свинца, чем любой другой металл. [18]
Флеровий вообще не встречается в природе, поэтому он существует только в ускорителях частиц с несколькими атомами одновременно. [18]
Углерод , олово и свинец — вот лишь некоторые из элементов, хорошо известных в древнем мире, наряду с серой , железом , медью , ртутью , серебром и золотом . [20]
Кремний в виде кремнезема в форме горного хрусталя был знаком додинастическим египтянам, которые использовали его для бус и небольших ваз; ранним китайцам; и, вероятно, многим другим древним людям. Изготовление стекла, содержащего кремнезем, осуществлялось как египтянами — по крайней мере, еще в 1500 г. до н. э. — так и финикийцами . Многие из встречающихся в природе соединений или силикатных минералов использовались в различных видах раствора для строительства жилищ древнейшими людьми.
Происхождение олова, похоже, затерялось в истории. Похоже, что бронзы, представляющие собой сплавы меди и олова, использовались доисторическим человеком за некоторое время до того, как был выделен чистый металл. Бронзы были распространены в ранней Месопотамии, долине Инда, Египте, Крите, Израиле и Перу. Большая часть олова, используемого ранними средиземноморскими народами, по-видимому, поступала с островов Силли и Корнуолла на Британских островах [21] , где добыча металла датируется примерно 300–200 гг. до н. э. Оловянные рудники работали как в районах инков, так и ацтеков в Южной и Центральной Америке до испанского завоевания.
Свинец часто упоминается в ранних библейских рассказах. Вавилоняне использовали этот металл в качестве пластин, на которых записывали надписи. Римляне использовали его для табличек, водопроводных труб, монет и даже кухонных принадлежностей; действительно, в результате последнего использования отравление свинцом было признано во времена Августа Цезаря . Соединение, известное как свинцовые белила, по-видимому, готовилось в качестве декоративного пигмента по крайней мере еще в 200 году до н. э.
Аморфный элементарный кремний был впервые получен в чистом виде в 1824 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом ; неочищенный кремний был получен уже в 1811 году. Кристаллический элементарный кремний не был получен до 1854 года, когда он был получен как продукт электролиза.
Германий — один из трех элементов, существование которых было предсказано в 1869 году русским химиком Дмитрием Менделеевым , когда он впервые разработал свою периодическую таблицу. Однако элемент не был фактически открыт в течение некоторого времени. В сентябре 1885 года шахтер обнаружил образец минерала в серебряной шахте и передал его управляющему шахтой, который определил, что это новый минерал, и отправил минерал Клеменсу А. Винклеру . Винклер понял, что образец состоял на 75% из серебра, на 18% из серы и на 7% из неоткрытого элемента. Через несколько месяцев Винклер выделил элемент и определил, что это был элемент 32. [18]
Первая попытка обнаружить флеровий (тогда именовавшийся «элементом 114») была предпринята в 1969 году в Объединенном институте ядерных исследований , но она не увенчалась успехом. В 1977 году исследователи Объединенного института ядерных исследований бомбардировали атомы плутония-244 кальцием-48 , но снова безуспешно. Эта ядерная реакция была повторена в 1998 году, на этот раз успешно. [18]
Углерод чаще всего используется в своей аморфной форме. В этой форме углерод используется для производства стали , в качестве сажи , в качестве наполнителя в шинах , в респираторах и в качестве активированного угля . Углерод также используется в форме графита , например, в качестве грифеля в карандашах . Алмаз , другая форма углерода, обычно используется в ювелирных изделиях. [18] Углеродные волокна используются во многих областях, таких как стойки спутников , поскольку волокна очень прочные, но эластичные. [22]
Диоксид кремния имеет широкий спектр применения, включая зубную пасту , строительные наполнители, а кремний является основным компонентом стекла . 50% чистого кремния идет на производство металлических сплавов . 45% кремния идет на производство силиконов . Кремний также широко используется в полупроводниках с 1950-х годов. [17] [22]
Германий использовался в полупроводниках до 1950-х годов, пока его не заменил кремний. [17] Детекторы излучения содержат германий. Диоксид германия используется в волоконной оптике и широкоугольных объективах камер. Небольшое количество германия, смешанное с серебром , может сделать серебро устойчивым к потускнению . Полученный сплав известен как серебро argentium sterling silver . [18]
Припой является наиболее важным применением олова; 50% всего произведенного олова идет на это применение. 20% всего произведенного олова используется в жестяных пластинах . 20% олова используется в химической промышленности . Олово является составной частью многочисленных сплавов, включая оловянный . Оксид олова (IV) широко используется в керамике на протяжении тысяч лет. Станнат кобальта представляет собой соединение олова, которое используется в качестве лазурно-синего пигмента . [18]
80% всего производимого свинца идет в свинцово-кислотные аккумуляторы . Другие области применения свинца включают грузы, пигменты и защиту от радиоактивных материалов. Свинец исторически использовался в бензине в форме тетраэтилсвинца , но это применение было прекращено из-за проблем с токсичностью. [23]
Аллотропный алмаз Carbon в основном производится в России , Ботсване , Конго , Канаде , Южной Африке и Индии . 80% всех синтетических алмазов производится в России. Китай производит 70% графита в мире. Другими странами, добывающими графит, являются Бразилия , Канада и Мексика . [18]
Кремний можно получить путем нагревания кремния с углеродом. [22]
Существуют некоторые руды германия, такие как германит , но они не добываются из-за своей редкости. Вместо этого германий извлекается из руд металлов, таких как цинк . В России и Китае германий также отделяется от угольных месторождений. Руды, содержащие германий, сначала обрабатываются хлором для образования тетрахлорида германия , который смешивается с водородным газом. Затем германий дополнительно очищается путем зонной очистки . Ежегодно производится около 140 метрических тонн германия. [18]
Ежегодно рудники добывают 300 000 метрических тонн олова. Китай, Индонезия , Перу , Боливия и Бразилия являются основными производителями олова. Метод, с помощью которого производится олово, заключается в нагревании оловянного минерала касситерита (SnO 2 ) с коксом . [18]
Наиболее часто добываемая свинцовая руда — галенит (сульфид свинца). Ежегодно добывается 4 миллиона метрических тонн свинца, в основном в Китае, Австралии , Соединенных Штатах и Перу. Руды смешиваются с коксом и известняком и обжигаются для получения чистого свинца. Большая часть свинца перерабатывается из свинцовых батарей . Общее количество свинца, когда-либо добытого людьми, составляет 350 миллионов метрических тонн. [18]
Углерод является ключевым элементом для всей известной жизни. Он присутствует во всех органических соединениях, например, ДНК , стероидах и белках . [6] Важность углерода для жизни обусловлена прежде всего его способностью образовывать многочисленные связи с другими элементами. [17] В типичном 70-килограммовом человеке содержится 16 килограммов углерода. [18]
Возможность существования жизни на основе кремния широко обсуждается. Однако он менее способен, чем углерод, образовывать сложные кольца и цепи. [6] Кремний в форме диоксида кремния используется диатомовыми водорослями и морскими губками для формирования клеточных стенок и скелетов . Кремний необходим для роста костей у кур и крыс, а также может быть необходим для людей. Люди потребляют в среднем от 20 до 1200 миллиграммов кремния в день, в основном из злаков . В типичном 70-килограммовом человеке содержится 1 грамм кремния. [18]
Биологическая роль германия неизвестна, хотя он стимулирует метаболизм . В 1980 году Казухико Асаи сообщил, что германий полезен для здоровья, но это утверждение не было доказано. Некоторые растения получают германий из почвы в форме оксида германия . [ необходимо разъяснение ] Эти растения, в том числе зерновые и овощи, содержат примерно 0,05 частей на миллион германия. Расчетное потребление германия человеком составляет 1 миллиграмм в день. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 5 миллиграммов германия. [18]
Было показано, что олово необходимо для правильного роста крыс, но по состоянию на 2013 год нет никаких доказательств того, что людям необходимо олово в рационе. Растениям олово не нужно. Однако растения собирают олово в своих корнях . Пшеница и кукуруза содержат 7 и 3 части на миллион соответственно. Однако уровень олова в растениях может достигать 2000 частей на миллион, если растения находятся вблизи оловянного завода . В среднем люди потребляют 0,3 миллиграмма олова в день. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 30 миллиграммов олова. [18]
Свинец не имеет известной биологической роли и на самом деле является высокотоксичным , но некоторые микробы способны выживать в загрязненной свинцом среде. Некоторые растения, такие как огурцы, содержат до десятков частей на миллион свинца. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 120 миллиграммов свинца. [18]
Флеровий не играет никакой биологической роли, его можно обнаружить и получить только в ускорителях частиц.
Элементарный углерод, как правило, не токсичен, но многие его соединения, такие как окись углерода и цианистый водород, ядовиты . Однако угольная пыль может быть опасна, поскольку она оседает в легких подобно асбесту . [18]
Кремниевые минералы обычно не ядовиты. Однако пыль диоксида кремния, например, выбрасываемая вулканами, может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья, если попадет в легкие. [17]
Германий может мешать таким ферментам , как лактатдегидрогеназа и алкогольдегидрогеназа . Органические соединения германия более токсичны, чем неорганические соединения германия. Германий имеет низкую степень оральной токсичности для животных. Тяжелое отравление германием может привести к смерти от паралича дыхания . [24]
Некоторые соединения олова токсичны для приема внутрь, но большинство неорганических соединений олова считаются нетоксичными. Органические соединения олова, такие как триметилолово и триэтилолово, очень токсичны и могут нарушать метаболические процессы внутри клеток. [18]
Свинец и его соединения, такие как ацетаты свинца , очень токсичны. Отравление свинцом может вызвать головные боли , боли в желудке, запоры и подагру . [18]
Флеровий слишком радиоактивен, чтобы проверить его на токсичность, хотя его высокая радиоактивность сама по себе уже была бы токсичной.