7.1: Група 14 елементів
- Page ID
- 17939
Група колись була також відома як тетрели (від грецького tetra означає чотири), що випливає з попередньої конвенції про іменування цієї групи як Група IVA. У таблиці наведено виведення назв елементів групи 14.
| Елемент | Символ | Ім'я |
| Вуглець | C | З латинського carbo означає вугілля |
| Кремній | СІ | З латинського silicis, що означає кремені. |
| Германій | Ге | З латинської Німеччини для Німеччини |
| Олово | Сн | Від англосаксонської і від латинської stannum значення тане легко. |
| Свинець | Пб | Від англосаксонської, а від латинського plumbum означає м'який метал |
Діскавері
Вуглець
Вуглець був відомий в передісторії у вигляді сажі; в той час як деревне вугілля було виготовлено в римські часи (нагріваючи деревину, виключаючи повітря), а алмази були відомі ще в 2500 році до н.е. У 1772 році Антуан Лавуазьє (рис.\(\PageIndex{1}\)) показав, що алмази були формою вуглецю, коли він спалив зразки вуглецю і алмазу і показав, що обидва утворюють однакову кількість вуглекислого газу на грам матеріалу. Карл Шееле (рис.\(\PageIndex{2}\)) показав, що графіт був формою вуглецю, скоріше формою свинцю.
Новий алотроп вуглецю, фулерен, був відкритий в 1985 році Робертом Керлом, Гаррі Крото та Річардом Смоллі (Рисунок\(\PageIndex{3}\)), які згодом розділили Нобелівську премію з хімії в 1996 році. Фуллерени були виявлені, щоб включати наноструктуровані форми, такі як бакікулі та нанотрубки. Відновлений інтерес до нових форм призводять до відкриття подальших екзотичних аллотропів, включаючи склоподібний вуглець, і усвідомлення того, що аморфний вуглець не є аморфним.
Кремній
Кремній був вперше ідентифікований Антуаном Лавуазьє (рис.\(\PageIndex{1}\)) у 1787 році як компонент кременів, а пізніше був помилковий Хамфрі Деві (рис.\(\PageIndex{4}\)) за з'єднання, а не елемент. У 1824 році Берцеліус (рис.\(\PageIndex{5}\)) приготував аморфний кремній шляхом реакції калію з тетрафторидом кремнію, (7.1.1).
\[ \text{SiCl}_4 \text{ + 4 K} \rightarrow \text{Si + 4 KCl}\]
Германій
У 1869 році Дмитро Менделєєв (рис.\(\PageIndex{6}\)) передбачив існування декількох невідомих елементів, включаючи екасилікон (Es) між кремнієм і оловом.
У 1885 році новий мінерал (названий аргіродитом через високий вміст срібла) був знайдений в шахті поблизу Фрайберга, Саксонія. Клеменс Вінклер (рис.\(\PageIndex{7}\)) виділив відсутній елемент Менделєєва. Спочатку він збирався назвати нептуній, тому що, як і цей елемент, тому що, як екасилікон, планеті Нептун передувало математичне прогнозування її існування. Однак назва нептуній вже було дано елементу і тому Вінклер назвав новий металевий германій на честь своєї батьківщини.
Вінклер зміг виділити достатню кількість германію з 500 кг руди для визначення ряду властивостей, включаючи атомну масу 72,32 г/моль шляхом аналізу чистого тетрахлориду германію (GeCl 4). Вінклер підготував кілька нових сполук германію, включаючи фториди, хлориди, сульфіди, германію діоксид і тетраетилгерман (Ge (C 2 H 5) 4). Фізичні дані з цих сполук, відповідали прогнозам Менделєєва (табл.\(\PageIndex{2}\)).
| Нерухомість | Екакремній | Германій |
| Атомна маса | 72 | 72.59 |
| Щільність (г/см 3) | 5.5 | 5.35 |
| Температура плавлення (° C) | Високі | 947 |
| Колір | Сірий | Сірий |
| Тип оксиду | Тугоплавкий діокси | Тугоплавкий діокси |
| Щільність оксиду (г/см 3) | 4.7 | 4.7 |
| Оксидна активність | Слабко базовий | Слабко базовий |
| Температура кипіння хлориду (° C) | Під 100 | 86 (ГеКЛ 4) |
| Щільність хлориду (г/см 3) | 1.9 | 1.9 |
Олово
Олово - один з найдавніших відомих металів. Коли додавання близько 5% тім до розплавленої міді виробляло сплав (бронзу), який був простішим у роботі і набагато важче, ніж мідь, це зробило революцію в цивілізації. Широке використання бронзи для виготовлення знарядь праці та зброї стало частиною того, що археологи називають бронзовим століттям. Бронзовий вік прибув до Єгипту, Месопотамії та культури долини Інду приблизно 3000 р. До н.е.
Свинець
Свинець широко використовується протягом тисяч років завдяки простоті видобутку та легкості виплавки. Свинцеві намистини, що датуються 6400 роком до н.е., були знайдені в Чаталхёюку в сучасній Туреччині, тоді як свинець використовувався під час бронзового століття.
достаток
Вуглець і кремній є одними з найбільш поширених елементів (табл.\(\PageIndex{3}\)). Кремній є другим за поширеністю елементом (після кисню) в земній корі, що становить 28% земної кори. Вуглець є четвертим за поширеністю хімічним елементом у Всесвіті після водню, гелію та кисню. У поєднанні з киснем в вуглекислому газу вуглець знаходиться в атмосфері Землі (в кількості приблизно 810 гігатонн) і розчиняється у всіх водоймах (приблизно 36 000 гігатонн). Близько 1900 гігатонів присутні в біосфері. Вуглеводні (такі як вугілля, нафта та природний газ) містять кількість вуглецю близько 900 гігатонн. Природні алмази зустрічаються в скелі кімберліту, знайденому в древніх вулканічних «шиях», або «трубах». Більшість родовищ алмазів знаходяться в Африці, але є також родовища в Канаді, Російській Арктиці, Бразилії та Австралії.
| Елемент | Наземне достаток (проміле) |
| C | 480 (земна кора), 28 (морська вода), 350 (атмосфера СО 2), 1,6 (атмосфера, СН 4), 0,25 (атмосфера, СО) |
| СІ | 28 000 (земна кора), 2 (морська вода) |
| Ге | 2 (земна кора), 1 (грунт), 5 х 10 -7 (морська вода) |
| Сн | 2 (земна кора), 1 (грунт), 4 х 10 -6 (морська вода) |
| Пб | 14 (земна кора), 23 (грунт), 2 х 10 -6 (морська вода) |
Ізотопи
Таблиця\(\PageIndex{4}\) узагальнює природні ізотопи елементів групи 14.
| Ізотоп | Природний достаток (%) |
| Вуглець-12 | 98.9 |
| Вуглець-13 | 1.1 |
| Вуглець-14 | слід |
| Кремній-28 | 92.23 |
| Кремній-29 | 4.67 |
| Кремній -30 | 3.1 |
| Германій-70 | 21.23 |
| Германій-72 | 27.66 |
| Германій-73 | 7.73 |
| Германій-74 | 35.94 |
| Германій-76 | 7.44 |
| Олово-112 | 0,97 |
| Олово-114 | 0.66 |
| Олово-115 | 0,34 |
| Олово-116 | 14.54 |
| Олово-117 | 7.68 |
| Олово-118 | 24.22 |
| Олово-119 | 8.59 |
| Олово-120 | 32.58 |
| Олово-122 | 4.63 |
| Олово-124 | 5.79 |
| Свинцево-204 | 1.4 |
| Свинцево-24.1 | 24.1 |
| Свинцево-207 | 22.1 |
| Свинцево-208 | 52.4 |
Хоча радіоактивний, вуглець-14 утворюється у верхніх шарах тропосфери і стратосфери, на висотах 9—15 км. Теплові нейтрони, що виробляються космічними променями, стикаються з ядрами азоту-14, утворюючи вуглець-14 і протон. Через відносно короткий період напіврозпаду 5730 років вуглець-14 відсутній у древніх породах, але включений в живі організми.
Вуглецеві знайомства
Вуглецеві датування - це процес, за допомогою якого вік матеріалу, що містить вуглець, можна визначити шляхом порівняння швидкості розпаду цього матеріалу з віком живого матеріалу.
Вуглець-14 має період напіврозпаду (t 1/2) 5,73 х 10 3 роки для його розпаду до азоту-14 втратою частинки β, (7.1.2).
\[ ^{14}_6C \rightarrow ^{14}_7N + ^0_{-1}e\]
Швидкість радіоактивного розпаду може виражатися у вигляді постійної швидкості (k):
\[ \text{k = } \dfrac{\text{ln[2]}}{\text{t}_{1/2}} \text{ = } \dfrac{\text{0.693}}{\text{t}_{1/2}}\]
Для вуглецю-14, використовуючи (7.1.3),
\[ \text{k = } \dfrac{\text{0.693}}{\text{ 5.73 x 10}^3} \text{ = 1.21 x 10}^{-4} \text{ year}^{-1} \]
У 1947 році зразки сувої Мертвого моря були проаналізовані за допомогою вуглецевого датування. Встановлено, що присутній вуглець-14 мав активність д/мін.г (де d = розпад); на відміну від живого матеріалу активність становить 14 д/мін.г Таким чином,
\[ \text{ln}\dfrac{\text{14}}{\text{11}} \text{ = (1.21 x 10}^{-4}\text{) t}\]
\[ \text{t = } \dfrac{\text{ln 1.272}}{\text{1.21 x 10}^{-4}} \text{ = 2.0 x 10}^3\text{ years}\]
З вимірювання, проведеного в 1947 році, Сувої Мертвого моря були визначені як 2000 років, даючи їм дату 53 року до н.е., і підтверджуючи їх справжність. Це відкриття на відміну від результатів датування вуглецю для Туринської плащаниці, яка повинна була загорнути тіло Ісуса. Вуглецеві датування показали, що тканина була виготовлена між 1260 і 1390 роками нашої ери. Таким чином, Туринська плащаниця явно є підробкою, яка була зроблена понад тисячу років після її передбачуваного виготовлення.
Промислове виробництво
У зв'язку з промисловим значенням вуглецю і кремнію, а також широким спектром фулеренових матеріалів, виробництво цих елементів обговорюється в іншому місці. Однак ланцюг поставок алмазів контролюється обмеженою кількістю комерційних концернів, найбільшим з яких є DeBeers в Лондоні (рис.). Алмази складають лише дуже малу частку рудоносної породи. Руда подрібнюється і згодом частинки сортуються по щільності. Алмази розташовуються в багатій алмазами фракції методом рентгенівської флуоресценції, після чого завершальні етапи сортування виконуються вручну.
Концентрати германієвої руди в основному сульфідні, наприклад, як домішка в цинковій суміші. Вони перетворюються в оксиди шляхом нагрівання під повітрям (випалювання), (7.1.7).
\[ \text{GeS}_2\text{ + 3 O}_2 \rightarrow \text{GeO}_2 \text{ + 2 SO}_2\]
Частина германію потрапляє в пил, що утворюється під час цього процесу, а решта перетворюється на германати, які вилуговуються разом з цинком сірчаною кислотою. Після нейтралізації германій та інші метали випадають в осад (залишаючи Zn 2+ в розчині). Діоксид германію отримують у вигляді осаду і перетворюють з газом-хлором або соляною кислотою в германію тетрахлорид, (7.1.8) (7.1.9), який має низьку температуру кипіння і може бути очищений шляхом дистиляції.
\[ \text{GeO}_2\text{ + 4 HCl} \rightarrow \text{GeCl}_4\text{ + 2 H}_2\text{O}\]
\[ \text{GeO}_2\text{ + 2 Cl}_2 \rightarrow \text{GeCl}_4\text{O}_2\]
Тетрахлорид германію гідролізується до чистого оксиду (GeO 2), який потім перетворюється на германієве скло для напівпровідникової промисловості (7.1.10). Германій, що використовується у виробництві сталі та інших сферах, які не потребують високої чистоти, отримують шляхом відновлення вуглецем (7.1.11).
\[ \text{GeO}_2\text{ + 4 H}_2 \rightarrow \text{Ge + H}_2\text{O}\]
\[ \text{GeO}_2\text{ + C} \rightarrow \text{Ge + CO}_2\]
Олово видобувається і згодом виплавляється, а його виробництво мало змінилося. Навпаки, багаті свинцем руди містять менше 10% свинцю, але руди, що містять лише 3% свинцю, можуть бути економічно експлуатуються. Руди подрібнюються і концентруються до 70%. Сульфідні руди обсмажують, виробляючи оксид свинцю і суміш сульфатів і силікатів свинцю. Оксид свинцю з процесу випалу відновлюється в доменній печі, що випалюється на коксі. Це перетворює більшу частину свинцю в його металеву форму. Металевий свинець, що виникає в результаті процесів випалу та доменної печі, все ще містить значні забруднення миш'яку, сурми, вісмуту, цинку, міді, срібла та золота. Розплав обробляється в ревербераторної печі (рис.\(\PageIndex{9}\)) повітрям, парою та сіркою, яка окислює забруднення, крім срібла, золота та вісмуту.
Фізичні властивості
У таблиці\(\PageIndex{5}\) наведено зведення фізичних властивостей елементів групи 14.
| Елемент | Мп (°C) | Ап (°C) | Щільність (г/см 3) |
| C | 642 (піднесене) | 2.267 (графіт), 3,515 (алмаз), 1,8 - 2,1 (аморфний) | |
| СІ | 1414 | 3265 | 2.3290 |
| Ге | 938 | 2833 | 5.323 |
| Сн | 232 | 2602 | 7.365 (білий), 5.769 (сірий) |
| Пб | 327 | 1749 | 11.34 |
Кубічна структура
Елементи вуглецю через олово (в його α вигляді) всі існують в кубічній структурі алмазу (рис.\(\PageIndex{10}\) А), тоді як свинець кристалізується в кубічній тісно упакованій структурі (рис.\(\PageIndex{10}\) b). Як і очікувалося, параметр решітки (a) збільшується зі збільшенням атомного радіуса (табл.\(\PageIndex{6}\)). Перехід від алмазного кубічного до закритого упакованого кубічного може бути раціоналізований відносними атомними розмірами. Алмазна кубічна структура складається з двох взаємопроникаючих кубічних тісно упакованих решіток. Зі збільшенням атомного розміру призведе до великих інтерстиціальних вакансій, що призводить до несприятливої структури низької щільності.
| Елемент | Структура | a (Å) | Атомний радіус (Å) |
| C | алмазний кубічний | 3.566 | 0,70 |
| СІ | алмазний кубічний | 5.431 | 1.10 |
| Ге | алмазний кубічний | 5.657 | 1,25 |
| α-Sn (сірий) | алмазний кубічний | 6.489 | 1,45 |
| Пб | кубічний закрити упакований | 4.951 | 1.80 |