Группа углерода: свойства и характеристики элементов

Введение

Группа периодической таблицы

|
! colspan=2 style="text-align:left;" | ↓ Период
|
! 2
|
|
! 3
|
|
! 4
|
|
! 5
|
|
! 6
|
|
! 7
|
|
| colspan="2"|

Условные обозначения
первичный элемент синтетический элемент атомный номер цвет: черный = твердый
|}

Углеродная группа – 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 IUPAC она называется группой 14. В области физики полупроводников она по-прежнему повсеместно называется группой IV. Группа также известна как тетрели (от греческого слова tetra, что означает четыре), происходящее от римской цифры IV в названиях групп, или (не случайно) от того факта, что эти элементы имеют четыре валентных электрона (см. ниже). Они также известны как кристаллогены или адамантогены.

Физическое

Точки кипения элементов углеродной группы понижаются с увеличением атомной массы. Углерод, самый легкий элемент этой группы, сублимирует при 3825 °C. Точка кипения кремния составляет 3265 °C, германия – 2833 °C, олова – 2602 °C, а свинца – 1749 °C. Для флеровия прогнозируют точку кипения 60 °C. Точки плавления элементов углеродной группы демонстрируют схожую тенденцию. Кремний плавится при 1414 °C, германий – при 939 °C, олово – при 232 °C, а свинец – при 328 °C. Кристаллическая структура углерода гексагональная; при высоких давлениях и температурах он образует алмаз (см. ниже). Кремний и германий имеют алмазную кубическую кристаллическую структуру, как и олово при низких температурах (ниже 13,2 °C). Олово при комнатной температуре имеет тетрагональную кристаллическую структуру. Свинец имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. Кремний существует в двух известных аллотропных модификациях при комнатной температуре: аморфной и кристаллической. Аморфная модификация представляет собой коричневый порошок, а кристаллическая – серый металл с металлическим блеском. Олово имеет два аллотропа: α-олово, также известное как серое олово, и β-олово. Обычно олово встречается в форме β-олова, представляющего собой серебристый металл. Однако при стандартном давлении β-олово превращается в α-олово, серый порошок, при температурах ниже 13,2 °C. Это может приводить к разрушению изделий из олова при низких температурах, когда они крошатся в серый порошок – процесс, известный как оловянная чума или оловянное гниение. Содержание свинца в земной коре составляет 14 частей на миллион, что делает его 36-м по распространенности элементом. В почве в среднем содержится 23 части на миллион свинца, но вблизи старых свинцовых рудников концентрация может достигать 20000 частей на миллион (2%). Концентрация свинца в морской воде составляет 2 части на триллион. Свинец составляет 1,7 части на миллион массы человеческого тела. Человеческая деятельность выбрасывает в окружающую среду больше свинца, чем любого другого металла. Кремний в виде диоксида кремния (горного хрусталя) был известен египтянам додинастического периода, которые использовали его для изготовления бус и небольших ваз, а также ранним китайцам и, вероятно, многим другим народам древности. Производство стекла, содержащего диоксид кремния, осуществлялось как египтянами (по крайней мере, с 1500 г. до н.э.), так и финикийцами. Многие природные соединения или силикатные минералы использовались в качестве различных видов раствора для строительства жилищ древнейшими людьми. Происхождение олова теряется в истории. Похоже, что бронза, сплав меди и олова, использовалась человеком в доисторические времена задолго до получения чистого металла. Бронза была широко распространена в ранней Месопотамии, долине Инда, Египте, Крите, Израиле и Перу. Большая часть олова, используемого ранними народами Средиземноморья, предположительно, поступала с островов Силли и Корнуолла в Британских островах, где добыча металла началась примерно в 300–200 гг. до н.э. Добыча олова велась как в империи инков, так и в империи ацтеков в Южной и Центральной Америке до испанского завоевания. Свинец часто упоминается в ранних библейских текстах. Вавилоняне использовали этот металл для изготовления табличек, на которых записывали надписи. Римляне использовали его для изготовления табличек, водопроводных труб, монет и даже кухонной утвари; в результате последнего применения отравление свинцом было признано еще во времена Августа Цезаря. Соединение, известное как белила, предположительно, использовалось в качестве декоративного пигмента уже в 200 г. до н.э.

The boiling points of the carbon group tend to get lower with the heavier elements. Carbon, the lightest carbon group element, sublimes at 3825 °C. Silicon's boiling point is 3265 °C, germanium's is 2833 °C, tin's is 2602 °C, and lead's is 1749 °C. Flerovium is predicted boil in 60 °C. The melting points of the carbon group elements have roughly the same trend as their boiling points. Silicon melts at 1414 °C, germanium melts at 939 °C, tin melts at 232 °C, and lead melts at 328 °C. Carbon's crystal structure is hexagonal; at high pressures and temperatures it forms diamond (see below). Silicon and germanium have diamond cubic crystal structures, as does tin at low temperatures (below 13.2 °C). Tin at room temperature has a tetragonal crystal structure. Lead has a face centered cubic crystal structure. Silicon has two known allotropes that exist at room temperature. These allotropes are known as the amorphous and the crystalline allotropes. The amorphous allotrope is a brown powder. The crystalline allotrope is gray and has a metallic luster. Tin has two allotropes: α tin, also known as gray tin, and β tin. Tin is typically found in the β tin form, a silvery metal. However, at standard pressure, β tin converts to α tin, a gray powder, at temperatures below This can cause tin objects in cold temperatures to crumble to gray powder in a process known as tin pest or tin rot. Lead makes up 14 parts per million of the Earth's crust, making it the 36th most abundant element there. On average, lead makes up 23 parts per million of soil, but the concentration can reach 20000 parts per million (2 percent) near old lead mines. Lead exists in seawater at concentrations of 2 parts per trillion. Lead makes up 1.7 parts per million of the human body by weight. Human activity releases more lead into the environment than any other metal. Silicon as silica in the form of rock crystal was familiar to the predynastic Egyptians, who used it for beads and small vases; to the early Chinese; and probably to many others of the ancients. The manufacture of glass containing silica was carried out both by the Egyptians – at least as early as 1500 BCE – and by the Phoenicians. Many of the naturally occurring compounds or silicate minerals were used in various kinds of mortar for construction of dwellings by the earliest people. The origins of tin seem to be lost in history. It appears that bronzes, which are alloys of copper and tin, were used by prehistoric man some time before the pure metal was isolated. Bronzes were common in early Mesopotamia, the Indus Valley, Egypt, Crete, Israel, and Peru. Much of the tin used by the early Mediterranean peoples apparently came from the Scilly Isles and Cornwall in the British Isles, where mining of the metal dates from about 300–200 BCE. Tin mines were operating in both the Inca and Aztec areas of South and Central America before the Spanish conquest. Lead is mentioned often in early Biblical accounts. The Babylonians used the metal as plates on which to record inscriptions. The Romans used it for tablets, water pipes, coins, and even cooking utensils; indeed, as a result of the last use, lead poisoning was recognized in the time of Augustus Caesar. The compound known as white lead was apparently prepared as a decorative pigment at least as early as 200 BCE.

Современные открытия

Аморфный элементарный кремний был впервые получен в чистом виде в 1824 году шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом; нечистый кремний был получен уже в 1811 году. Кристаллический элементарный кремний был получен только в 1854 году в результате электролиза. Германий – один из трех элементов, существование которых было предсказано в 1869 году русским химиком Дмитрием Менделеевым при создании его периодической таблицы. Однако само открытие элемента произошло лишь спустя некоторое время. В сентябре 1885 года шахтер обнаружил образец минерала в серебряной шахте и передал его управляющему шахтой, который определил, что это новый минерал, и отправил его Клеменсу А. Винклеру. Винклер установил, что образец содержит 75% серебра, 18% серы и 7% неизвестного элемента. После нескольких месяцев Винклер выделил элемент и определил, что это элемент номер 32. Диоксид кремния имеет широкий спектр применения, включая зубную пасту, строительные заполнители, а также является основным компонентом стекла. 50% чистого кремния используется для производства металлических сплавов. 45% кремния используется для производства силиконов. Кремний также широко применяется в полупроводниках с 1950-х годов.

Производство

Аллотропный алмаз углерода производится в основном в России, Ботсване, Конго, Канаде, Южной Африке и Индии. 80% всех синтетических алмазов производится в России. Китай производит 70% мирового графита. Другие страны, где добывается графит, – это Бразилия, Канада и Мексика. Важность углерода для жизни обусловлена прежде всего его способностью образовывать многочисленные связи с другими элементами. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 16 килограммов углерода. Биологическая роль германия неизвестна, хотя он стимулирует метаболизм. В 1980 году Казухико Асаи сообщил о пользе германия для здоровья, но это утверждение не было доказано. Некоторые растения поглощают германий из почвы в форме оксида германия. Эти растения, включая зерновые и овощи, содержат примерно 0,05 частей на миллион германия. Предполагаемый суточный прием германия человеком составляет 1 миллиграмм. В типичном 70-килограммовом человеке содержится 5 миллиграммов германия. Некоторые соединения олова токсичны при проглатывании, но большинство неорганических соединений олова считаются нетоксичными. Органические соединения олова, такие как триметил олова и триэтил олова, обладают высокой токсичностью и могут нарушать метаболические процессы в клетках. Свинец и его соединения, такие как ацетаты свинца, очень токсичны. Отравление свинцом может вызывать головные боли, боли в животе, запоры и подагру. Флеровий слишком радиоактивен, чтобы проверить его токсичность, хотя его высокая радиоактивность сама по себе была бы токсичной.