Бейорганикалық химия: 14(IVА) бейметалдар және оның қосылыстары

Төртінші негізгі топшаға немесе ІV А тобына көміртегі С, кремний Si, германий Ge, қалайы Sn, қорғасын Pb жатады. Бастапқы екі элемент – көміртегі мен кремний металл еместер, ал қалғандары металдарға жатады.

Топша элементтері (қорғасыннан басқалары) сутегімен ЭН₄ типтес қосылыстар түзеді: СН₄ – метан, SiH₄ – силан, GeH₄ – германсутек, Sn – қалайысутек.

Топша бойынша элементтердің реттік нөмірлерінің өсуіне байланысты металл еместік қасиеттері кемиді де, металдық қасиеттері арта береді. СН₄ – тен SnH₄-ке қарай сутекті қосылыстардың тұтастығының кемуі осы қасиеттерімен түсіндіріледі.

Көміртегі.

Көміртегінің табиғатта таралуы. Көміртегі табиғатта бос күйінде де, қосылыс күйінде де кездеседі. Көміртегі тас көмірдің, қоңыр көмірдің, мұнайдың, табиғи газдың құрамына кіреді.

Көміртегінің химиялық қасиеттері. Көміртегінің екі аллотропиялық түр өзгерістері бар, оларға алмаз бен графит жатады, ал жасанды жолмен алынған түр өзгерістерін – карбин және полукумулин дейді.

Алмаз бен графиттің физикалық қасиеттеріне елеулі айырмашылық болатынын олардың құрылыстарының әртүрлілігімен анықталады.

Алмазда көміртегінің әрбір атомы басқа атомдармен төрт гибридті сигма ковалентті байланыс арқылы 109⁰ бұрыш жасай байланысады. Осының нәтижесінде көміртегінің барлық атомдары бір-бірімен ұзындығы 0,154 нм байланыс арқылы тұтас үш өлшемді макромалекула түзеді. Осындай құрылыс алмазға өте мөлдірлік, аса қаттылық қасиет береді. Қаттылығы жөнінен алмаз барлық заттардың ішінде бірінші орын алады.

1960 жылдан бері көміртегінің жасанды түрі өзгерістері карбин мен поликумулен синтезделді.

Карбинде көміртегі атомдары кезектесіп келетін үш және бір байланыс арқылы қосылатын болса, поликумуленде көміртегі атомдары өзара қос байланыс арқылы тізбектеседі.

• С ≡ С − С ≡ С − С ≡ С − (карбин)
• С = С = С = С = С = С = (поликумулен)

Құрамында көміртегі бар заттарды ауа қатыстырмай қыздырғанда, аморфты кокс көмір жатады, бұлардың құрылысы графит тәрізді.

Көміртегі химиялық қосылыстарда екі, төрт валентті, ал тотығу дәрежесі +2, +4 болады.

Көміртегінің барлық түр өзгерістері – аморфты көміртегі қыздырғанда, алмаз жоғары температурада (700 – 800⁰С) оттегімен әрекеттесіп оксидтер түзеді:

2С + О₂ = 2СОС + О₂ = СО₂

Көміртегінің күкіртпен әрекеттесуі жылу сіңіре жүретін эндотермиялық реакция:

C + S = CS₂ – 63 кДж

Көміртегі фтормен тікелей әрекеттеседі, ал оның басқа галогендермен қосылыстарын жанама жолмен алады.

C + F₂ = CF₂

S₂ + 2Cl₂ = CCl₄ + 2S

Электр разряды кезінде көміртегі азотпен тікелей әрекеттесіп улы газ циан түзеді:

2C + N₂ = C₂N₂

Циан қышқылының тұздарын цианидтер дейді және олар өте улы болады. Көміртегі жоғары температурада металдармен әрекеттесіп карбидтер

түзеді, мысалы Са + 2С = СаС₂

Көміртегі оксидтері. Көміртегі (IІ) оксиді СО көміртегі жетімсіз мөлшердегі оттегімен әрекеттескенде немесе көміртегі (IV) оксидін қызған көмір арқылы өткізгенде түзіледі:

2С + О₂ = 2СО СО₂ + С = 2CO

Зертханада көміртегі (ІІ) оксидін құмырсқа қышқылын фосфор (V) оксидімен сусыздандыру арқылы алады:

НСООН → СО + Н₂О СО түссіз, иіссіз, дәмсіз өте улы, тұз түзбейтін оксид.

Ӛзінің химиялық қасиеттері жөнінен көміртегі оксиді СО күшті тотықсыздандырғыш және қосылу реакциясына бейім келеді. Хлормен әрекеттесіп, фосген деп аталатын улы зат түзеді.

СО + Cl₂ = COCl₂

СО жанғыш газ болғандықтан, қыздырғанда ауада жанып, СО₂-ге айналады.

2СО + О₂ = 2CO₂

Көміртегі (IV) оксиді СО₂ түссіз, иіссіз, жанбайтын, жануды қолдамайтын газ, 1 л суда 1,7 л СО₂ ериді.

Көміртегі оксидін өнеркәсіпте әктасты қыздырып, ыдырату арқылы алады:

СаСО₃ = СаО + СО₂

Зертханада көміртегі (IV) оксидін Кипп аппаратында мраморға немесе кальций карбонатына қышқылмен әрекет ету ретінде алады:

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + CO₂ + H₂O

Жоғарғы температурада, катализатор қатысында, көміртегі (IV) оксиді сутегі арқылы метанға тотықсызданады.

СО₂ + 4Н₂ = CH₄ + 2H₂O

Көміртегі (IV) оксиді аммиакпен әрекеттесіп амидкөмір қышқылының тұрақсыз тұзын түзеді, ал бұл тұз қыздырғанда суды бөліп шығарып карбамидке немесе мочевинаға айналады.

СО₂ + 2NH₃ = CO(NH₂)ONH₄

CO(NH₂)ONH₄ = H₂N – CO – NH₂ + H₂O

Кремний. Кремний табиғатта өте көп таралған элемент. Жер қыртысының 97% кремнийдің қосылыстарынан тұрады.

Кремнийді алу үшін, ақ қиыршық ұсақ құмды магниймен араластырып қыздырады:

SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si

Кремнийдің сыртқы электрондық құрылысы 3s²3p², оның атомында sp³-гибридизация болады.

Химиялық қасиеті жағынан кремнийдің кристалдық түрі инертті, аморфты түрі реакцияға түседі. Фтормен қалыпты жағдайда, оттек, хлор, бром және күкіртпен 400 – 600⁰С, азот және көміртекпен өте жоғары температурада реакцияласады.

Жеке қышқылдар кремнийге еш әсер етпейді, қайта пассивтеніп кетеді, кремний HF мен HNO₃ қоспасында ериді:

3Si + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂SiF₆ + 4NO + 8H₂O

Сілтілердің әрекетінен кремний тұзға айналады:

Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂

Құм мен коксты тиісті мөлшерде араластырып қыздырса, кремний мен көміртектің қосылысы – кремний карбиді SiC түзіледі, оны көбіне карборунд деп атайды.

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO

4Mg + SiO₂ = Mg₂Si + 2MgO

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄

Силан SiH₄ – түссіз, ауада өзінен өзі тұтанып, жанып кететін газ, жанғанда кремний диоксиді және су түзіледі:

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O

SiH₄ басқа тағы бірсыпыра силандар деп аталатын кремнийсутекті қосылыстар – Si₂H₆, Si₃H₈, Si₆H₁₄ бар; бұлар метанның гомолог қатары сияқты.