Способы получения

– Древесный уголь получают нагреванием древесины без доступа воздуха; обугливанием животных остатков; неполным сгоранием органических веществ.

– Графит – из смеси кокса и каменноугольной смолы (прокаливание в электропечах при 2200–2800°С); прессованием сажи и дальнейшим прокаливанием в электропечах при 1500–2000°С.

– Алмаз – из графита при температуре»1800°С и давлении»6·10⁹ Па с применением растворителей (расплавленных FeS, Та, Ni и др.). Получаются небольшие (до 0, 5 мм) темные кристаллы алмазов с примесями. Впервые искусственные алмазы получены в 1953 г. в Швеции. Алмаз получают также разложением углеводородов на поверхности затравочного кристалла при температуре 1000–1200°С и низком давлении 1, 3–6, 5·10⁴ Па.

– Карбин – окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена (1963 г.), действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или тетрахлорметана в низкотемпературной плазме.

– Фуллерены – испарением графита в электрической дуге в атмосфере гелия (1985 г.).

Кремний получают восстановлением из оксида:

SiO₂ + 2Mg Si + 2MgO; SiO₂ + 2C Si + 2СО (в электропечи)

Кремний высокой чистоты получают восстановлением хлорида:

SiCl₄ + 2Zn Si + 2ZnCl₂, или SiCl₄ + 2H₂ Si + 4HCl.

Германий, олово и свинец получают термическим восстановлением их оксидов: GeO₂ + 2H₂ Ge + 2H₂O;

SnO₂ + 2C Sn + 2СО; PbO + CO Pb + CO₂.

Химические свойства. По химическим и физическим свойствам углерод и его соединения резко отличаются от остальных элементов подгруппы.

Будучи типичным неметаллом, углерод в форме простого вещества, а также в соединениях с кислородом, азотом и серой способен образовывать кратные связи в группировках типа:

Для кремния и германия соединений с подобными связями не установлено. Олово и свинец образуют соединения, характерные для металлов.

При обычных условиях все аллотропные модификации углерода весьма инертны, другие элементы подгруппы химически достаточно активны и взаимодействуют со многими веществами. При увеличении температуры химическая активность всех веществ резко возрастает.

Реакции с простыми веществами:

– С кислородом: Э (С, Si, Gе, Sn) + О₂ ЭО₂; 2Pb + О₂ → 2PbО.

– С водородом не взаимодействуют (углерод – по обратимой реакции в вольтовой дуге, образуя метан: С + 2Н₂ ⇄ СН₄).

– С галогенами углерод взаимодействует только при нагревании, образуя с фтором фториды состава СF, С₂F₆, СF₄ и др., а с другими галогенами – тетрагалогениды.

Кремний и германий реагируют с фтором при обычных условиях, образуя SiF_4(г) и GeF₄ соответственно. Олово реагирует с галогенами при нагревании, образуя тетрагалогениды (например, SnСl₄). Свинец с галогенами не взаимодействует из-за образования на его поверхности пленки галогенида РbHal₄.

– С азотом реагирует только кремний при температуре более 1300°С:

3Si + 2N₂ Si₃N₄.

– С фосфором реагируют при нагревании кремний, германий и олово, образуя фосфиды состава ЭР, ЭР₂, ЭР₃.

– С углеродом реагирует только кремний при температуре примерно 2000°С, образуя очень твердое инертное вещество SiС – карбид кремния (карборунд).

– С серой: 4С + S₈ 4СS₂ (аналогично реагируют Si и Ge);

Рb(Sn) + S → PbS(SnS).

– С металлами углерод при нагревании образует карбиды, кремний (при нагревании) – силициды, германий, олово и свинец – сплавы.

Реакции со сложными веществами:

– С водой: С(Si, Ge) + Н₂О_(г) СО(SiO₂, GеО₂) + Н_2(г).

Олово и свинец с водой не реагируют.

– С кислотами: с соляной и разбавленной серной кислотами углерод, кремний, германий не взаимодействуют. При реакции олова с соляной кислотой образуется хлорид SnCl₂, с разбавленной серной кислотой олово реагирует медленно при нагревании, образуя сульфат SnSO₄. Свинец соляной и разбавленной серной кислотами пассивируется, так как на его поверхности образуется пленка из нерастворимых продуктов (хлорида и сульфата).

С концентрированной серной кислотой углерод и кремний не взаимодействуют, остальные реагируют при нагревании:

Ge + 2H₂SO_4(конц.) Н₂GeO₃ + 2SO_2(г) + Н₂О;

Sn + 2H₂SO_4(конц.) SnSO₄ + SO_2(г) + H₂O;

Pb + 3H₂SO_4(конц.) Pb(HSO₄)₂ + SO_2(г) + 2Н₂О.

С разбавленной азотной кислотой углерод, кремний и германий не взаимодействуют; олово и свинец реагируют, например:

3Рb + 8HNO₃ 3Pb(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

С концентрированной азотной кислотой:

С + 4HNO₃ → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O; Ge + 4HNO₃ H₂GeO₃ + 4NO₂ + H₂O;

Sn + 4HNO₃ + 2H₂O H₂[Sn(OH)₆] + 4NO₂;

Олово пассивируется в холодной концентрированной азотной кислоте, свинец пассивируется и в холодной, и в горячей, так как нитрат свинца Pb(NO₃)₂ нерастворим в концентрированной азотной кислоте.

Кремний взаимодействует со смесью концентрированных азотной и плавиковой кислот: Si + 4HNO₃ + 18HF → 3H₂[SiF₆] + 4NO + 8Н₂О.

Со слабыми кислотами реагируют только олово и свинец.

– Со щелочами углерод не реагирует; кремний взаимодействует как в растворе, так и в расплаве; германий – только в присутствии окислителя; олово и свинец – медленно при нагревании:

в растворе: Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + H₂;

в расплаве: Si + 4КОН К₄SiO₄ + 2Н₂;

Ge + 2КОН + 2Н₂О₂ → К₂GеО₃ + 3Н₂О;

Sn + 4KOH_(р-р) + 2Н₂О К₄[Sn(OH)₆] + Н₂;

Рb + 2КОН_(ж) К₂РbО₂ + Н₂.