Металлы IV группы главной подгруппы (Ge, Sn, Pb)

Химические свойства

• При нагревании легко теряет воду:

Sn(OH)2 →60−120oC SnO + H2O

• Проявляет амфотерные свойства, растворяется в кислотах:

Sn(OH)2 + 3 HCl → H[SnCl3] + 2 H2O

• и щелочах:

Sn(OH)2 + NaOH → Na[Sn(OH)3]

Бронза.

Задолго до того как научились добывать олово в чистом виде, был известен сплав олова с медью – бронза, который получали, видимо, уже в 2500–2000 до н.э. Олово в рудах часто встречается вместе с медью, так что при плавке меди в Британии, Богемии, Китае и на юге Испании образовывалась не чистая медь, а ее сплав с некоторым количеством олова. Ранние медные плотничные инструменты (долото, тесло и др.) из Ирландии содержали до 1% Sn. В Египте медная утварь 12-й династии (2000 до н.э.) содержала до 2% Sn, по-видимому, как случайную примесь. Первобытная практика выплавки меди основывалась на использовании смеси медных и оловянных руд, в результате чего и получалась бронза, содержащая до 22% Sn.
Таблица: Свойства b -ОЛОВА

Хлорид олова (II), или хлористое олово

SnCl2•2H2O получается при растворении олова в соляной кислоте, образует бесцветные кристаллы с двумя молекулами кристаллизационной воды. При нагревании или сильном разбавлении раствора SnCl2 водой происходит частичный гидролиз с образованием осадка основной соли:

SnCl2 + Н2O ⇄ ↓SnOHCl + HCl

Хлористое олово является энергичным восстановителем.

Так, например, хлорное железо FeCl3восстанавливается им в хлористое железо FeCl2:

2FeCl3+ SnCl2 = 2FeCl2 + SnCl4

При действии хлористого олова на раствор сулемы образуется белый осадок каломели. При избыткеSnCl2восстановление идет еще дальше и получается металлическая ртуть:

2HgCl2 + SnCl2 = ↓ Hg2Cl2 + SnCl4

Hg2Cl2 + SnCl2 = 2Hg + SnCl4

Соединения четырехвалентного олова. Двуокись олова

SnO2встречается в природе в виде оловянного камня — важнейшей руды олова. Искусственно может быть получена сжиганием металла на воздухе или окислением его азотной кислотой с последующим прокаливанием полученного продукта. Применяется для приготовления различных белых глазурей и эмалей.

Изотопы

Основная статья: Изотопы олова

Природное олово состоит из десяти стабильных нуклидов с массовыми числами 112 (в смеси 0,96 % по массе), 114 (0,66 %), 115 (0,35 %), 116 (14,30 %), 117 (7,61 %), 118 (24,03 %), 119 (8,58 %), 120 (32,85 %), 122 (4,72 %) и 124 (5,94 %). Для некоторых из них энергетически возможен двойной бета-распад, однако экспериментально он пока (2014 г.) не наблюдался, поскольку предсказываемый период полураспада очень велик (более 1020 лет).

Олово обладает наибольшим среди всех элементов числом стабильных изотопов, что связано с тем, что 50 (число протонов в ядрах олова) является магическим числом — оно составляет заполненную протонную оболочку в ядре и повышает, тем самым, энергию связи и стабильность ядра. Известны два дважды магических изотопа олова, оба они радиоактивны, так как удалены от полосы бета-стабильности: нейтронодефицитное 100Sn (Z = N = 50) и нейтроноизбыточное 132Sn (Z = 50, N = 82).

Изотопы олова 117Sn и 119Sn являются мёссбауэровскими изотопами и применяются в гамма-резонансной спектроскопии.

Определение структуры валентного электронного слоя атомов элементов

Задача 188. Структура валентного электронного слоя атома элемента выражается электронной формулой: а) 5s25p4; б) 3d54s1. Определить порядковый номер и название элемента.

Решение:а) Валентный электронный слой 5s25p4 указывает на то, что атом элемента имеет пять электронных энергетических уровней, значит, атом расположен в пятом периоде.

Наличие на внешнем энергетическом уровне двух 5s- и четырёх 5p-электронов указывает на то, что данный элемент относится к семейству p-элементов, и расположен в шестой группе главной подгруппе периодической системы Д. И. Менделеева. В пятом периоде шестой группы находится элемент с порядковым номером 52 (теллур).

б) Электронная конфигурация валентного слоя 3d54s1 указывает на то, что атом находится в четвёртом периоде (n = 4), относится к d-элементам (наличие 3d-подуровня) и является элементом шестой группы побочной подгруппы. Такому состоянию соответствует элемент с порядковым номером 24 (хром).

Ответ: Te; Cr.

Задача. 189. Электронная структура атома описывается формулой: 1s22s22p63s23p63d64s2.

Какой это элемент?Решение:Так как число электронов в атоме элемента равно его порядковому номеру в таблице Д. И.

Менделеева, то для элемента с электронной структурой, описываемой формулой 1s22s22p63s23p63d64s2, порядковый номер равен 26 (общее число электронов равно 26). Под номером 26 в таблице Д. И. Менделеева находится железо.

Задача 190. Написать электронные формулы ионов: а) Sn2+; б) Sn4+; в) Мn2+; г) Сu2+; д) Сг3+; е) S2-.Решение:а) Электронная формула олова имеет вид: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2. Отдав два с 5p-подуровня атом, олова превращается в ион Sn2+, который имеет электронную формулу:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p0

б) Атом олова, отдав четыре электрона, два с 5p-подуровня и два с 4s-подуровня, атом олова превращается в ион Sn4+. Электронная формула иона олова Sn4+ имеет вид: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s05p0.

в) Электронная формула марганца имеет вид: 1s22s22p63s23p63d54s2. При отдаче двух электронов с 4s-подуровня, атом марганца превращается в ион Мn2+ с электронной формулой: 1s22s22p63s23p63d54s0

г) Атом меди имеет электронную формулу: 1s22s22p63s23p63d104s1. при отдаче одного электрона с 4s-подуровня и одного с 3d-подуровня атом меди превращается в ион Сu2+, электронная формула которого будет иметь вид: 1s22s22p63s23p63d9.

д) Атом хрома имеет следующую электронную формулу: 1s22s22p63s23p63d54s1. При отдаче одного электрона с 4s-подуровня и двух с 3d-подуровня атом хрома превращается в ион Сг3+, электронная формула которого будет иметь вид: 1s22s22p63s23p63d34s0.

е) Электронная формула атома серы имеет вид: 1s22s22p63s23p4. Присоединив два недостающих электрона на 3p-подуровень, атом серы превращается в ион S2-, электронная формула которого будет иметь вид: 1s22s22p63s23p6.

Задача 191. У элементов каких периодов электроны внешнего слоя характеризуются значением n + l = 5?

Решение:

Значение квантовых чисел n + l = 5 означает, что у элементов электроны внешнего слоя могут находиться на пятом энергетическом уровне и s-подуровне (5 + 0 = 5) или на четвёртом энергетическом уровне и p-подуровне (4 +1 = 5).

Таким образом, у элементов IV и V периодов электроны внешнего слоя характеризуются значением n + l = 5.

Задача 192. Перечислить электронные аналоги среди элементов VI группы периодической системы элементов.

Покрытия из олова и его сплавов.

Олово легко образует сплавы со многими металлами. Оловянные покрытия имеют хорошее сцепление с основой, обеспечивают хорошую коррозионную защиту и красивый внешний вид. Оловянные и оловянно-свинцовые покрытия можно наносить, погружая специально приготовленный предмет в ванну с расплавом, однако большинство оловянных покрытий и сплавов олова со свинцом, медью, никелем, цинком и кобальтом осаждают электролитически из водных растворов. Наличие большого диапазона составов для покрытий из олова и его сплавов позволяет решать многообразные задачи промышленного и декоративного характера.

Реакции оловоорганических соединений

Важнейшие реакции, рассмотренные выше, как правило, сосредоточены на оловоорганических галогенидах и псевдогалогенидах с нуклеофилами. В области органического синтеза, реакция Стилле считается крайне важной. Она заключается в реакции сочетания с $sp2$-гибридизированными органическими галогенидами, катализируемой палладием:

Рисунок 7.

Замечание 2

Оловоорганические соединения также широко используются в радикальной химии (например, радикальной циклизации, дезоксигенировании Бартона-МакКомби, декарбоксилирование Бартона и т.д.).

Сплавы.

Одна треть олова идет на изготовление припоев. Припои – это сплавы олова в основном со свинцом в разных пропорциях в зависимости от назначения. Сплав, содержащий 62% Sn и 38% Pb, называется эвтектическим и имеет самую низкую температуру плавления среди сплавов системы Sn – Pb. Он входит в составы, используемые в электронике и электротехнике. Другие свинцово-оловянные сплавы, например 30% Sn + 70% Pb, имеющие широкую область затвердевания, используются для пайки трубопроводов и как присадочный материал. Применяются и оловянные припои без свинца. Сплавы олова с сурьмой и медью используются как антифрикционные сплавы (баббиты, бронзы) в технологии подшипников для различных механизмов. Современные оловянно-свинцовые сплавы содержат 90–97% Sn и небольшие добавки меди и сурьмы для увеличения твердости и прочности. В отличие от ранних и средневековых свинецсодержащих сплавов, современная посуда из cплавов олова безопасна для использования.

Оловянные кислоты

Гидраты двуокиси олова носят название оловянных кислот и известны в двух модификациях: в виде α-оловянной кислоты и в виде β-оловянной кислоты. α-Оловянная кислота

H2SnO3может быть получена действием водного раствора аммиака на раствор хлорного олова SnCl4.

Образование выпадающего белого осадка обычно выражают уравнением

SnCl4+

4NH4OH = ↓ H2SnO3 + 4NH4Cl + H2O

При высушивании осадок постепенно теряет воду, пока не останется чистая двуокись олова. Таким образом, никакой кислоты определенного состава получить не удается. Поэтому приведенная выше формула α-оловянной кислоты является лишь простейшей из возможных. Правильнее было бы изобразить состав этой кислоты формулой mSno2 • nН2O.

α-Оловянная кислота легко растворяется в щелочах, образуя соли, содержащие комплексный анион [Sn(OH)6]— и называемые станнатами:

H2SnO3 + 2NaOH + H2O = Na2[Sn(OH)6]

Станнат натрия выделяется из раствора в виде кристаллов, состав которых можно выразить также формулой Na2SnO3 • 3Н2O. Эта соль применяется в качестве протравы в красильном деле и для утяжеления шелка. Шелковые ткани, обработанные перед крашением растворами соединений олова, иногда содержат олово в количестве до 50% от веса ткани.

Кислоты также растворяют α-оловянную кислоту с образованием солей четырехвалентного олова. Например:

H2SnO3 + 4НСl ⇄ SnCl4 + 3Н2O

При избытке соляной кислоты SnCl4 присоединяет две молекулы НСl, образуя комплексную хлороловянную кислоту H2[SnCl6]. Аммониевая соль этой кислоты NH4[SnCl6] имеет то же применение, что и станнат натрия.