Группа углерода представляет собой группу таблицы Менделеева, состоящую из углерода (C), кремния (Si), германия (Ge), олова (Sn), свинца (Pb) и флеровия (Fl). Он находится внутри p-блока .
В современной системе обозначений ИЮПАК она называется группой 14 . В области физики полупроводников ее до сих пор повсеместно называют группой IV . Группа также известна как тетрелы (от греческого слова «тетра» , что означает «четыре»), происходящее 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 во внешних оболочках, что приводит к тенденциям в химическом поведении:
Каждый из элементов этой группы имеет на внешней оболочке 4 электрона . 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 доводит внешнюю оболочку до восьми электронов . Связи в этих элементах часто приводят к гибридизации , при которой отдельные символы s и p орбиталей стираются. Для одинарных связей типичное расположение имеет четыре пары электронов sp 3 , хотя существуют и другие случаи, например три пары sp 2 в графене и графите. Двойные связи характерны для углерода ( алкены , СО 2 …); то же самое и для π-систем вообще. Тенденция к потере электронов возрастает с увеличением размера атома , как и с увеличением атомного номера. Один только углерод образует отрицательные ионы в форме ионов карбида (C 4- ). Кремний и германий , оба металлоиды , могут образовывать +4 иона. Олово и свинец — металлы , а флеровий — синтетический радиоактивный (период его полураспада очень короткий, всего 1,9 секунды) элемент, который может обладать некоторыми свойствами, подобными благородному газу , хотя, скорее всего, это все же постпереходный металл. Олово и свинец способны образовывать ионы +2. Хотя с химической точки зрения олово является металлом, его альфа-аллотроп больше похож на германий, чем на металл, и является плохим электрическим проводником.
Среди алкильных производных основной группы (группы 1,2, 13–17) QR n , где n - стандартное число связей для Q ( см. лямбда-условие ), производные QR 4 группы 14 отличаются электронной точностью: они не являются ни электронодефицитные (имеющие меньше электронов, чем октет, имеющие тенденцию быть льюисовскими кислотными в Q и обычно существующие в виде олигомерных кластеров или аддуктов с основаниями Льюиса), и не избыточные электроны (имеющие неподеленную пару(и) в Q и склонные к льюисовскому основному в В). В результате алкилы группы 14 обладают низкой химической реакционной способностью по сравнению с алкилпроизводными других групп. В случае углерода высокая энергия диссоциации связи C–C и отсутствие разницы в электроотрицательности между центральным атомом и алкильными лигандами делают насыщенные алкилпроизводные, алканы , особенно инертными. [3]
Углерод образует тетрагалогениды со всеми галогенами . Углерод также образует множество оксидов , таких как окись углерода , субоксид углерода и диоксид углерода . Углерод образует дисульфиды и диселениды. [4]
Кремний образует несколько гидридов; два из них — SiH 4 и Si 2 H 6 . Кремний образует тетрагалогениды с фтором, хлором, бромом и йодом. Кремний также образует диоксид и дисульфид . [5] Нитрид кремния имеет формулу Si 3 N 4 . [6]
Германий образует пять гидридов. Первые два гидрида германия — это GeH 4 и Ge 2 H 6 . Германий образует тетрагалогениды со всеми галогенами, кроме астата, и образует 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 халькогениды с одним из каждого встречающегося в природе халькогена, кроме полония, и образует халькогениды с двумя представителями каждого природного халькогена, кроме полония и теллура. [8]
Свинец образует один гидрид, имеющий формулу PbH 4 . Свинец образует дигалогениды и тетрагалогениды с фтором и хлором, а также образует дибромид и дииодид, хотя тетрабромид и тетрайодид свинца нестабильны. Свинец образует четыре оксида: сульфид, селенид и теллурид. [9]
Соединения флеровия неизвестны. [10]
Точки кипения углеродной группы имеют тенденцию снижаться с более тяжелыми элементами. Углерод, самый легкий элемент углеродной группы, сублимируется при температуре 3825 °C. Температура кипения кремния составляет 3265 °С, германия — 2833 °С, олова — 2602 °С, свинца — 1749 °С. Прогнозируется, что флеровий закипит при температуре -60 °C. [11] [12] Точки плавления элементов углеродной группы имеют примерно ту же тенденцию, что и их температуры кипения. Кремний плавится при 1414 °С, германий — при 939 °С, олово — при 232 °С, свинец — при 328 °С. [13]
Кристаллическая структура углерода гексагональная ; при высоких давлениях и температурах 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]
Плотность элементов углеродной группы имеет тенденцию увеличиваться с увеличением атомного номера. Углерод имеет плотность 2,26 грамма на кубический сантиметр , кремний имеет плотность 2,33 грамма на кубический сантиметр, германий имеет плотность 5,32 грамма на кубический сантиметр. Олово имеет плотность 7,26 грамма на кубический сантиметр, а свинец — 11,3 грамма на кубический сантиметр. [13]
Атомные радиусы элементов углеродной группы имеют тенденцию увеличиваться с увеличением атомного номера. Атомный радиус углерода составляет 77 пикометров , кремния — 118 пикометров, германия — 123 пикометра, олова — 141 пикометра и свинца — 175 пикометров. [13]
Углерод имеет множество аллотропов . Наиболее распространенным является графит , представляющий собой углерод в виде сложенных друг на друга листов. Другая форма углерода — алмаз , но встречается относительно редко. Аморфный углерод — третий аллотроп углерода; это компонент сажи . Другой аллотроп углерода — фуллерен , имеющий форму листов атомов углерода, свернутых в сферу. Пятый аллотроп углерода, открытый в 2003 году, называется графеном и имеет форму слоя атомов углерода, расположенных в форме сот. [6] [14] [15]
У кремния есть два известных аллотропа, которые существуют при комнатной температуре. Эти аллотропы известны как аморфные и кристаллические аллотропы. Аморфный аллотроп представляет собой коричневый порошок. Кристаллический аллотроп серого цвета с металлическим блеском . [16]
Олово имеет два аллотропа: α-олово, также известное как серое олово, и β-олово. Олово обычно встречается в форме β-олова, серебристого металла. Однако при стандартном давлении β-олово превращается в α-олово, серый порошок, при температуре ниже 13,2 °C (55,8 °F). Это может привести к тому, что оловянные предметы при низких температурах раскрошатся в серый порошок в результате процесса, известного как оловянная вредность или оловянная гниль. [6] [17]
По крайней мере, два элемента группы углерода (олово и свинец) имеют магические ядра , а это означает, что эти элементы более распространены и более стабильны, чем элементы, не имеющие магического ядра. [17]
Известно 15 изотопов углерода . Из них три имеют естественное происхождение. Наиболее распространенным является стабильный углерод-12 , за которым следует стабильный углерод-13 . [13] Углерод-14 — природный радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5730 лет. [18]
Открыто 23 изотопа кремния . Пять из них имеют естественное происхождение. Наиболее распространенным является стабильный кремний-28, за ним следуют стабильный кремний-29 и стабильный кремний-30. Кремний-32 — это радиоактивный изотоп, который возникает в природе в результате радиоактивного распада актинидов и расщепления в верхних слоях атмосферы. Кремний-34 также возникает в природе в результате радиоактивного распада актинидов. [18]
Открыто 32 изотопа германия . Пять из них имеют естественное происхождение. Наиболее распространенным является стабильный изотоп германий-74, за ним следуют стабильный изотоп германий-72, стабильный изотоп германий-70 и стабильный изотоп германий-73. Изотоп германий-76 является первичным радиоизотопом . [18]
Открыто 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. Олово также имеет четыре радиоизотопа, образующихся в результате радиоактивного распада урана. Этими изотопами являются олово-121, олово-123, олово-125 и олово-126. [18]
Открыто 38 изотопов свинца . 9 из них имеют естественное происхождение. Наиболее распространенным изотопом является свинец-208, за ним следуют свинец-206, свинец-207 и свинец-204: все они стабильны. 5 изотопов свинца образуются в результате радиоактивного распада урана и тория. Этими изотопами являются свинец-209, свинец-210, свинец-211, свинец-212 и свинец-214. [18]
Открыто 6 изотопов флеровия (флеровий-284, флеровий-285, флеровий-286, флеровий-287, флеровий-288 и флеровий-289). Ничто из этого не встречается в природе. Наиболее стабильным изотопом флеровия является флеровий-289, период полураспада которого составляет 2,6 секунды. [18]
Углерод накапливается в результате звездного синтеза у большинства звезд, даже небольших. [17] Углерод присутствует в земной коре в концентрации 480 частей на миллион, а в морской воде присутствует в концентрации 28 частей на миллион. Углерод присутствует в атмосфере в виде угарного газа , углекислого газа и метана . Углерод является ключевым компонентом карбонатных минералов и содержится в гидрокарбонате , который часто встречается в морской воде. Углерод составляет 22,8% обычного 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 на глубине. Кремниевая пыль встречается в следовых количествах в атмосфере Земли. Силикатные минералы являются наиболее распространенным типом минералов на Земле. В среднем кремний составляет 14,3 частей на миллион человеческого тела. [18] Только самые большие звезды производят кремний в результате звездного синтеза. [17]
Германий составляет 2 части на миллион земной коры, что делает его 52-м по распространенности элементом там. В среднем германий составляет 1 часть на миллион почвы . Германий составляет 0,5 части на триллион морской воды. Германорганические соединения также встречаются 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 по распространенности элементом. В среднем олово составляет 1 часть на миллион почвы. Олово присутствует в морской воде в концентрации 4 частей на триллион. Олово составляет 428 частей на миллиард человеческого тела. Оксид олова (IV) встречается в почвах в концентрациях от 0,1 до 300 частей на миллион. [18] Олово также встречается в концентрации одной части на тысячу в магматических породах . [19]
Свинец составляет 14 частей на миллион земной коры, что делает его 36-м по распространенности элементом. В среднем свинец составляет 23 части на миллион почвы, но вблизи старых свинцовых рудников концентрация может достигать 20 000 частей на миллион (2 процента). Свинец присутствует в морской воде в концентрации 2 части на триллион. Свинец составляет 1,7 частей на миллион человеческого тела по весу. Деятельность человека выбрасывает в окружающую среду больше свинца, чем любого другого металла. [18]
Флеровий вообще не встречается в природе, поэтому он существует только в ускорителях частиц с несколькими атомами одновременно. [18]
Углерод , олово и свинец — это лишь некоторые из элементов, хорошо известных в древнем мире, наряду с серой , железом , медью , ртутью , серебром и золотом . [20]
Кремний как кремнезем в форме горного хрусталя был знаком додинастическим египтянам, которые использовали его для изготовления бус и небольших ваз; ранним китайцам; и, вероятно, многим другим древним. Производство стекла, содержащего кремнезем, осуществлялось как египтянами – по крайней мере, еще в 1500 году до нашей эры – так и финикийцами . Многие из встречающихся в природе соединений или силикатных минералов использовались древними людьми в различных видах раствора для строительства жилищ.
Происхождение олова, кажется, потеряно в истории. Похоже, что бронзы, представляющие собой сплавы меди и олова, использовались доисторическими людьми задолго до того, как был выделен чистый металл. Бронза была распространена в ранней Месопотамии, долине Инда, Египте, Крите, Израиле и Перу. Большая часть олова, использовавшегося ранними средиземноморскими народами, очевидно, происходила с островов Силли и Корнуолла на Британских островах, [21] где добыча металла датируется примерно 300–200 гг. до н.э. До испанского завоевания оловянные рудники действовали как на территории инков, так и ацтеков в Южной и Центральной Америке.
Свинец часто упоминается в ранних библейских повествованиях. Вавилоняне использовали этот металл в качестве пластин для записи надписей. Римляне использовали его для изготовления табличек, водопроводных труб, монет и даже кухонных принадлежностей; действительно, в результате последнего употребления отравление свинцом было признано еще во времена Августа Цезаря . Соединение, известное как свинцовые белила, по-видимому, было приготовлено в качестве декоративного пигмента по крайней мере еще в 200 году до нашей эры.
Аморфный элементарный кремний впервые был получен в чистом виде в 1824 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом ; нечистый 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 таблицу Менделеева. Однако некоторое время элемент так и не был обнаружен. В сентябре 1885 года шахтер обнаружил в серебряном руднике образец минерала и передал его управляющему рудником, который определил, что это новый минерал, и отправил минерал Клеменсу А. Винклеру . Винклер понял, что образец состоит из 75% серебра, 18% серы и 7% неоткрытого элемента. Через несколько месяцев Винклер изолировал элемент и определил, что это элемент 32. [18]
Первая попытка открыть флеровий (тогда называвшийся «элементом 114») была предпринята в 1969 году в Объединенном институте ядерных исследований , но она не увенчалась успехом. В 1977 году исследователи из Объединенного института ядерных исследований бомбардировали атомы плутония-244 кальцием-48 , но снова безуспешно. Эта ядерная реакция повторилась в 1998 году, на этот раз успешно. [18]
Углерод чаще всего используется в аморфной форме. В этом виде углерод используется при выплавке стали , в виде технического углерода , в качестве наполнителя шин , в респираторах и в качестве активированного угля . Углерод также используется в виде графита , который обычно используется в качестве грифеля в карандашах . Алмаз , еще одна форма углерода, обычно используется в ювелирных изделиях. [18] Углеродные волокна используются во многих областях, например, в сателлитных стойках, поскольку волокна очень прочные, но эластичные. [22]
Диоксид кремния имеет широкий спектр применений, включая зубную пасту , строительные наполнители, а диоксид кремния является основным компонентом стекла . 50% чистого кремния идет на производство металлических сплавов . 45% кремния уходит на производство силиконов . Кремний также широко используется в полупроводниках с 1950-х годов. [17] [22]
Германий использовался в полупроводниках до 1950-х годов, когда его заменил кремний. [17] Детекторы радиации содержат германий. Диоксид германия используется в оптоволокне и широкоугольных объективах фотоаппаратов. Небольшое количество германия, смешанного с серебром, может сделать серебро устойчивым к потускнению . Полученный сплав известен как аргентиум. [18]
Припой является наиболее важным применением олова; 50% всего производимого олова идет на это применение. 20% всей производимой жести используется в производстве жести . 20% олова используется также в химической промышленности . Олово также входит в состав многочисленных сплавов, в том числе олова . Оксид олова (IV) широко использовался в керамике на протяжении тысячелетий. Станнат кобальта представляет собой соединение олова, которое используется в качестве пигмента лазурного синего цвета . [18]
80% всего производимого свинца идет на производство свинцово-кислотных аккумуляторов . Другие области применения свинца включают гири, пигменты и защиту от радиоактивных материалов. Исторически свинец использовался в бензине в форме тетраэтилсвинца , но это применение было прекращено из-за опасений токсичности. [23]
Аллотропный алмаз Carbon добывается в основном в России , Ботсване , Конго , Канаде , Южной Африке и Индии . 80% всех синтетических алмазов производится в России. Китай производит 70% мирового графита. Другими странами-производителями графита являются Бразилия , Канада и Мексика . [18]
Кремний можно получить путем нагревания кремнезема с углеродом. [22]
Есть некоторые германиевые руды, например германит , но их не добывают из-за их редкости. Вместо этого германий добывается из руд металлов, таких как цинк . В России и Китае германий также выделяют из угольных месторождений. Германийсодержащие руды сначала обрабатывают хлором с образованием тетрахлорида германия , который смешивается с газообразным водородом. Затем германий дополнительно рафинируется зонным рафинированием . Ежегодно производится около 140 тонн германия. [18]
Шахты производят 300 000 метрических тонн олова каждый год. Китай, Индонезия , Перу , Боливия и Бразилия являются основными производителями олова. Способ получения олова заключается в нагревании оловянного минерала касситерита (SnO 2 ) с коксом . [18]
Наиболее распространенной свинцовой рудой является галенит (сульфид свинца). Ежегодно добывается 4 миллиона тонн свинца, в основном в Китае, Австралии , США и Перу. Руды смешиваются с коксом и известняком и обжигаются для получения чистого свинца. Большая часть свинца перерабатывается из свинцовых аккумуляторов . Общий объем свинца, когда-либо добытый человеком, составляет 350 миллионов тонн. [18]
Углерод является ключевым элементом всей известной жизни. Он есть во всех органических соединениях, например, в 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 цепочки. [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 человеку. Люди потребляют в среднем от 20 до 1200 миллиграммов кремния в день, в основном из зерновых . В типичном 70-килограммовом человеке содержится 1 грамм кремния. [18]
Биологическая роль германия неизвестна, хотя он стимулирует обмен веществ . В 1980 году Кадзухико Асаи сообщил, что германий полезен для здоровья, но это утверждение не было доказано. Некоторые растения поглощают германий из почвы в виде оксида германия [ необходимы пояснения ] . Эти растения, в том числе зерновые и овощи , содержат примерно 0,05 частей на миллион германия. Предполагаемое потребление человеком германия составляет 1 миллиграмм в день. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 5 миллиграммов германия. [18]
Было доказано, что олово необходимо для правильного роста крыс, но по состоянию на 2013 год нет никаких доказательств того, что людям необходимо олово в рационе. Растениям не требуется олово. Однако растения накапливают олово в своих корнях . Пшеница и кукуруза содержат семь и три части на миллион соответственно. Однако уровень олова в заводах может достигать 2000 частей на миллион, если заводы находятся рядом с оловоплавильным заводом . 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 очень токсичен , но некоторые микробы способны выживать в загрязненной свинцом среде. Некоторые растения, например огурцы, содержат до десятков частей на миллион свинца. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 120 миллиграммов свинца. [18]
Флеровий не играет биологической роли, а вместо этого встречается и производится только в ускорителях частиц.
Элементарный углерод обычно не токсичен, но многие его соединения, такие как окись углерода и цианистый водород , токсичны . Однако угольная пыль может быть опасной, поскольку она задерживается 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 работе таких ферментов , как лактат и алкогольдегидрогеназа . Органические соединения германия более токсичны, чем неорганические соединения германия. Германий имеет низкую степень пероральной токсичности для животных. Тяжелое отравление германием может привести к смерти от паралича дыхания . [24]
Некоторые соединения олова токсичны при проглатывании , но большинство неорганических соединений олова считаются нетоксичными. Органические соединения олова, такие как триметилолово и триэтилолово, высокотоксичны и могут нарушать обменные 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, токсичен он или нет, хотя сама по себе его высокая радиоактивность была бы токсичной.