Группа углерода

Группа углерода - это группа периодической таблицы, состоящая из углерода (C), кремния (Si), германия (Ge), олова (Sn), свинца (Pb) и флеровия (Fl). Он находится внутри p-блока .

В современной нотации ИЮПАК это называется Группа 14 . В области физики полупроводников ее до сих пор называют Группой IV . Группа когда-то была также известна как тетрелы (от греческого слова тетра , что означает четыре), что происходит от римской цифры IV в названиях групп или (не случайно) из-за того, что эти элементы имеют четыре валентных электрона (см. Ниже). ). Они также известны как кристаллогены ^[1] или адамантогены . ^[2]

Характеристики [ править ]

Химическая [ править ]

Как и другие группы, члены этого семейства демонстрируют закономерности в электронной конфигурации , особенно в самых внешних оболочках, что приводит к тенденциям в химическом поведении:

Каждый из элементов этой группы имеет 4 электрона на 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 доводит внешнюю оболочку до восьми электронов . Связи в этих элементах часто приводят к гибридизации, когда различные s- и p-символы орбиталей стираются. Для одинарных связей типичное расположение состоит из четырех пар sp 3 электронов., хотя существуют и другие случаи, например, три пары sp ² в графене и графите. Для углерода характерны двойные связи ( алкены , CO2...); то же самое и для π-систем в целом. Тенденция к потере электронов увеличивается 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 металлоида , могут образовывать +4 иона. Олово и свинец - металлы , а флеровий - синтетический радиоактивный (его период полураспада очень короткий, всего 1,9 секунды) элемент, который может содержать небольшое количество благородных газов.-подобные свойства, хотя, скорее всего, это все еще пост-переходный металл. Олово и свинец способны образовывать +2 иона. Хотя олово химически является металлом, его α-аллотроп больше похож на германий, чем на металл, и является плохим проводником электричества.

Углерод образует тетрагалогениды со всеми галогенами . Углерод также образует множество оксидов, таких как монооксид углерода , недокись углерода (C ₃ O ₂ ) и диоксид углерода . Углерод образует дисульфиды и диселениды. ^[3]

Кремний образует несколько гидридов; два из них - SiH 4 и Si 2 H 6 . Кремний образует тетрагалогениды с фтором, хлором и йодом. Кремний также образует диоксид и дисульфид . ^[4] Нитрид кремния имеет формулу Si ₃ N ₄ . ^[5]

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 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 . ^[6]

Олово образует два гидрида: SnH 4 и Sn 2 H 6 . Олово образует дигалогениды и тетрагалогениды со всеми галогенами, кроме астата. Олово образует халькогениды с одним из каждого природного халькогена, кроме полония, и образует халькогениды с двумя из каждого природного халькогена, кроме полония и теллура. ^[7]

Свинец образует один гидрид, который имеет формулу PbH 4 . Свинец образует дигалогениды и тетрагалогениды с фтором и хлором и образует дибромид и дииодид, хотя тетрабромид и тетраиодид свинца нестабильны. Свинец образует четыре оксида, сульфид, селенид и теллурид. ^[8]

Известных соединений флеровия нет. ^[9]

Физический [ править ]

Температуры кипения углеродной группы имеют тенденцию понижаться с более тяжелыми элементами. Углерод, самый легкий элемент группы углерода, сублимируется при 3825 ° C. Температура кипения кремния 3265 ° C, германия 2833 ° C, олова 2602 ° C и свинца 1749 ° C. Прогнозируется, что Flerovium закипит при -60 ° C. ^{[10] [11]} Температуры плавления элементов углеродной группы примерно такие же, как 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. ^[12]

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. ^[12]

В плотности элементов группы углерода имеет тенденцию к увеличению с увеличением атомного номера. Углерод имеет плотность 2,26 грамма на кубический сантиметр , кремний - 2,33 грамма на кубический сантиметр, германий - 5,32 грамма на кубический сантиметр. Олово имеет плотность 7,26 грамма на кубический сантиметр, а свинец - 11,3 грамма на кубический сантиметр. ^[12]

В атомных радиусах элементов группы углерода имеют тенденцию к увеличению с увеличением атомного номера. Атомный радиус углерода - 77 пикометров , кремния - 118 пикометров, германия - 123 пикометра, олова - 141 пикометр, свинца - 175 пикометров. ^[12]

Аллотропы [ править ]

Углерод имеет несколько аллотропов . Наиболее распространен графит , представляющий собой углерод в виде уложенных друг на друга листов. Другой формой углерода является алмаз , но он встречается относительно редко. Аморфный углерод - это третий аллотроп углерода; это компонент сажи . Другой аллотроп углерода - фуллерен , который имеет форму листов атомов углерода, свернутых в сферу. Пятый аллотроп углерода, открытый в 2003 году, называется графеном и представляет собой слой атомов углерода, расположенных в виде сот. ^{[5] [13] [14]}

Кремний имеет два известных аллотропа, которые существуют при комнатной температуре. Эти аллотропы известны как аморфные и кристаллические аллотропы. Аморфный аллотроп представляет собой порошок коричневого цвета. Кристаллический аллотроп серый с металлическим блеском . ^[15]

Олово имеет два аллотропа: α-олово, также известное как серое олово, и β-олово. Олово обычно находится в форме β-олова, серебристого металла. Однако при стандартном давлении β-олово превращается в α-олово, серый порошок, при температурах ниже 13,2 ° по Цельсию / 56 ° по Фаренгейту. Это может привести к тому, что оловянные предметы при низких температурах превратятся в серый порошок в процессе, известном как оловянный вредитель или оловянная гниль. ^{[5] [16]}

Ядерная [ править ]

По крайней мере, два элемента углеродной группы (олово и свинец) имеют магические ядра , а это означает, что эти элементы более распространены и более стабильны, чем элементы, у которых нет магического ядра. ^[16]

Изотопы [ править ]

Известно 15 изотопов углерода . Из них три встречаются в природе. Наиболее распространен стабильный углерод-12 , за которым следует стабильный углерод-13 . ^[12] Углерод-14 - это природный радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5730 лет. ^[17]

Открыто 23 изотопа кремния . Пять из них встречаются в природе. Наиболее распространен стабильный кремний-28, за ним следуют стабильный кремний-29 и стабильный кремний-30. Кремний-32 - это радиоактивный изотоп, который возникает в естественных условиях в результате радиоактивного распада актинидов и отщепления в верхних слоях атмосферы. Кремний-34 также встречается в природе в результате радиоактивного распада актинидов. ^[17]

Открыто 32 изотопа германия . Пять из них встречаются в природе. Наиболее распространен стабильный изотоп германий-74, за ним следуют стабильный изотоп германий-72, стабильный изотоп германий-70 и стабильный изотоп германий-73. Изотоп германий-76 - это изначальный радиоизотоп . ^[17]

Открыто 40 изотопов олова . 14 из них встречаются в природе. Наиболее распространен 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 содержит четыре радиоизотопа, которые возникают в результате радиоактивного распада урана. Эти изотопы олово-121, олово-123, олово-125 и олово-126. ^[17]

Открыто 38 изотопов свинца . 9 из них встречаются в природе. Самый распространенный изотоп - это свинец-208, за ним следуют свинец-206, свинец-207 и свинец-204: все они стабильны. 4 изотопа свинца образуются в результате радиоактивного распада урана и тория. Это изотопы свинца-209, свинца-210, свинца-211 и свинца-212. ^[17]

Открыто 6 изотопов флеровия (флеровий-284, флеровий-285, флеровий-286, флеровий-287, флеровий-288 и флеровий-289). Ничего из этого не встречается в природе. Самый стабильный изотоп флеровия - флеровий-289, период полураспада которого составляет 2,6 секунды. ^[17]

Происшествие [ править ]

Углерод накапливается в результате слияния звезд в большинстве звезд, даже маленьких. ^[16] 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 виде оксида углерода , диоксида углерода и метана . Углерод является ключевым компонентом карбонатных минералов и содержится в гидрокарбонате , который часто встречается в морской воде. Углерод составляет 22,8% от обычного человека. ^[17]

Кремний присутствует в земной коре в концентрации 28%, что делает его вторым по распространенности элементом. Концентрация кремния в морской воде может варьироваться от 30 частей на миллиард на поверхности океана до 2000 частей на миллиард глубже. Кремниевая пыль присутствует в незначительных количествах в земной атмосфере. Силикатные минералы - самый распространенный тип минералов на Земле. Кремний составляет в среднем 14,3 частей на миллион в организме человека. ^[17] Только самые большие звезды производят кремний посредством звездного синтеза. ^[16]

Германий составляет 2 части на миллион земной коры, что делает его 52-м по численности элементом в ней. В среднем германий составляет 1 часть на миллион почвы . Германий составляет 0,5 части на триллион морской воды. Германийорганические соединения также встречаются в морской воде. Германий содержится в организме человека в концентрации 71,4 частей на миллиард. Было обнаружено, что германий существует в некоторых очень далеких звездах. ^[17]

Олово составляет 2 части на миллион земной коры, что делает его 49-м самым распространенным элементом в ней. В среднем олово составляет 1 часть на миллион почвы. Олово существует в морской воде в концентрации 4 частей на триллион. Олово составляет 428 частей на миллион человеческого тела. Оксид олова (IV) встречается в почвах в концентрациях от 0,1 до 300 частей на миллион. ^[17] Олово также встречается в вулканических породах в концентрациях 1 часть на тысячу . ^[18]

Свинец составляет 14 частей на миллион земной коры, что делает его 36-м наиболее распространенным элементом. В среднем свинец составляет 23 части на миллион почвы, но вблизи старых свинцовых рудников концентрация может достигать 20000 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 массе. В результате деятельности человека в окружающую среду выделяется больше свинца, чем любого другого металла. ^[17]

Флеровий встречается только в ускорителях частиц . ^[17]

История [ править ]

Открытия и применения в древности [ править ]

Углерод , олово и свинец - это некоторые из элементов, хорошо известных в древнем мире, вместе с серой , железом , медью , ртутью , серебром и золотом . ^[19]

Кремний в виде кремнезема в форме горного хрусталя был знаком еще древним египтянам, которые использовали его для изготовления бус и небольших ваз; ранним китайцам; и, вероятно, многим другим древним. Изготовлением стекла, содержащего кремнезем, занимались как египтяне - по крайней мере, еще в 1500 г. до н.э. - так и финикийцы . Многие из встречающихся в природе соединений или силикатных минералов использовались в различных видах строительных растворов для строительства жилищ древними людьми.

Истоки олова, кажется, потеряны в истории. Похоже, что бронзы, которые представляют собой сплавы меди и олова, использовались доисторическими людьми задолго 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 ^[20], где добыча металла датируется примерно 300–200 годами до нашей эры. До испанского завоевания оловянные рудники работали как в районах инков, так и ацтеков в Южной и Центральной Америке.

Свинец часто упоминается в ранних библейских рассказах. В вавилоняне использовали металл в виде пластин , на которых для записи надписи. В римляне использовали его для таблеток, водопроводных труб, монет, и даже кухонной посуды; действительно, в результате последнего применения отравление свинцом было признано во времена Августа Цезаря . Соединение, известное как белый свинец, очевидно, было приготовлено как декоративный пигмент, по крайней мере, еще в 200 г. до н. Э.

Современные открытия [ править ]

Аморфный элементарный кремний был впервые получен в чистом виде в 1824 году шведским химиком Йенсом 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 периодическую таблицу. Однако какое-то время элемент не был обнаружен. В сентябре 1885 года шахтер обнаружил образец минерала в серебряном руднике и передал его начальнику рудника, который определил, что это новый минерал, и отправил минерал Клеменсу А. Винклеру . Винклер понял, что образец состоит на 75% из серебра, 18% серы и 7% из неоткрытого элемента. Через несколько месяцев Винклер изолировал элемент и определил, что это 32-й элемент ^[17].

Первая попытка обнаружить флеровий (тогда называемый «элементом 114») была предпринята в 1969 году в Объединенном институте ядерных исследований , но безуспешно. В 1977 году исследователи Объединенного института ядерных исследований бомбардировали атомы плутония-244 кальцием-48 , но снова безуспешно. Эта ядерная реакция повторилась в 1998 году, на этот раз успешно. ^[17]

Этимологии [ править ]

Слово «углерод» происходит от латинского слова карбо , что означает «древесный уголь» .the слово «кремний» происходит от латинского слова Silex или silicis , что означает «кремень». Слово «германий» происходит от слова germania , что на латыни означает Германия, страна, где был открыт германий. Слово олово происходит от древнеанглийского слова олово . Слово «свинец» происходит от древнеанглийского слова « свинец» . ^[17] Флеровиум был назван в честь Георгия Флёрова и его института.

Приложения [ править ]

Углерод чаще всего используется в аморфной форме. В этой форме углерод используется в сталеплавильном производстве , в качестве технического углерода , в качестве наполнителя для шин , в респираторах и в качестве активированного угля . Углерод также используется в виде графита, который обычно используется в качестве грифеля в карандашах . Алмаз , другая форма углерода, обычно используется в ювелирных изделиях. ^[17] Углеродные волокна используются во многих областях, таких как стойки сателлитов , потому что волокна очень прочные, но эластичные. ^[21]

Диоксид кремния находит широкое применение, включая зубную пасту , строительные наполнители, а диоксид кремния является основным компонентом стекла . 50% чистого кремния используется для производства металлических сплавов . 45% кремния идет на производство силиконов . Кремний также широко используется в полупроводниках с 1950-х годов. ^{[16] [21]}

Германий использовался в полупроводниках до 1950-х годов, когда он был заменен кремнием. ^[16] Детекторы излучения содержат германий. Диоксид германия используется в волоконной оптике и широкоугольных объективах фотоаппаратов. Небольшое количество германия, смешанного с серебром, может сделать серебро устойчивым к потускнению . Полученный сплав известен как аргенций. ^[17]

Припой - наиболее важное применение олова; 50% всего производимого олова идет на это приложение. 20% всего производимого олова используется для изготовления белой жести . 20% олова также используется в химической промышленности . Олово также входит в состав многих сплавов, включая олово . Оксид олова (IV) широко используется в керамике на протяжении тысячелетий. Станнат кобальта - это соединение олова, которое используется в качестве пигмента лазурного синего цвета . ^[17]

80% всего производимого свинца идет в свинцово-кислотные батареи . Другие применения свинца включают утяжелители, пигменты и защиту от радиоактивных материалов. Свинец исторически использовался в бензине в форме тетраэтилсвинца , но его применение было прекращено из-за опасений по поводу токсичности. ^[22]

Производство [ править ]

Аллотропный алмаз из углерода производится в основном в России , Ботсване , Конго , Канаде и Южной Африке , Индии . 80% всех синтетических алмазов производится в России. Китай производит 70% графита в мире. Другими странами, добывающими графит, являются Бразилия , Канада и Мексика . ^[17]

Кремний можно получить, нагревая кремнезем с углеродом. ^[21]

Есть некоторые германиевые руды, такие как германит , но они не добываются из-за их редкости. Вместо этого германий извлекается из руд таких металлов, как цинк . В России и Китае германий также выделяют из угольных месторождений. Германийсодержащие руды сначала обрабатываются хлором с образованием тетрахлорида германия , который смешивается с газообразным водородом. Затем германий дополнительно очищают зонной очисткой . Ежегодно производится около 140 тонн германия. ^[17]

Шахты производят 300 000 метрических тонн олова в год. Китай, Индонезия , Перу , Боливия и Бразилия являются основными производителями олова. Олово получают путем нагревания минерального олова касситерита (SnO ₂ ) с коксом . ^[17]

Наиболее часто добываемая свинцовая руда - это галенит (сульфид свинца). Ежегодно добывается 4 миллиона метрических тонн свинца, в основном в Китае, Австралии , США и Перу. Руды смешиваются с коксом и известняком и обжигаются с получением чистого свинца. Большая часть свинца перерабатывается из свинцовых аккумуляторов . Общее количество свинца, когда-либо добытого людьми, составляет 350 миллионов метрических тонн. ^[17]

Биологическая роль [ править ]

Углерод - ключевой элемент всей известной жизни. Он есть во всех органических соединениях, например, ДНК , стероидах и белках . ^[5] Важность углерода для жизни в первую очередь связана с его способностью образовывать многочисленные связи с другими элементами. ^[16] В типичном 70-килограммовом человеке содержится 16 килограммов углерода. ^[17]

Часто обсуждают осуществимость жизни на основе кремния . Однако он менее способен, чем углерод, образовывать сложные кольца и цепи. ^[5] 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 иметь важное значение для человека. 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. ^[17]

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 поглощают германий из почвы в виде оксида германия ^{[ требуется уточнение ]} . Эти растения, в том числе зерновые и овощи, содержат примерно 0,05 частей на миллион германия. Предполагаемое потребление германия человеком составляет 1 миллиграмм в день. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 5 миллиграммов германия. ^[17]

Было доказано, что олово необходимо для правильного роста крыс, но по состоянию на 2013 год нет доказательств того, что людям необходимо олово в своем рационе. Растениям не требуется олово. Однако растения собирают олово в своих корнях . Пшеница и кукуруза содержат семь и три части на миллион соответственно. Однако уровень олова в растениях может достигать 2000 частей на миллион, если они расположены рядом с оловянным заводом . В среднем люди потребляют 0,3 миллиграмма олова в день. Типичный 70-килограммовый человек содержит 30 миллиграммов олова. ^[17]

Свинец не имеет известной биологической роли и на самом деле очень токсичен , но некоторые микробы способны выжить в загрязненной свинцом окружающей среде. Некоторые растения, например огурцы, содержат до десятков миллионных долей свинца. Типичный 70-килограммовый человек содержит 120 миллиграммов свинца. ^[17]

Флеровий не имеет биологической роли, а вместо этого находится и производится только в ускорителях частиц.

Токсичность [ править ]

Элементарный углерод обычно не токсичен, но многие его соединения, такие как окись углерода и цианистый водород, токсичны . Однако углеродная пыль может быть опасной, потому что она оседает в легких подобно асбесту . ^[17]

Минералы кремния обычно не ядовиты. Однако пыль диоксида кремния, например, выбрасываемая вулканами, может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья, если попадет в легкие. ^[16]

Германий может влиять на такие ферменты, 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 . ^[23]

Некоторые соединения олова токсичны для проглатывания , но большинство неорганических соединений олова считаются нетоксичными. Органические соединения олова, такие как триметил олово и триэтилолово , очень токсичны и могут нарушать метаболические процессы внутри клеток. ^[17]

Свинец и его соединения, такие как ацетаты свинца , очень токсичны. Отравление свинцом может вызвать головные боли , боли в животе, запоры и подагру . ^[17]

Флеровий слишком радиоактивен, чтобы проверить, токсичен он или нет, хотя одна его высокая радиоактивность была бы токсичной.

Ссылки [ править ]