План лекции: Международная система единиц Атомно-молекулярное учение Стехиометрия химических реакций

4. Подгруппа германия
Германий Ge, олово Sn и свинец Pb — полные электронные аналоги. Как и у типических элементов группы, валентными у них являются s²p²-электроны. В ряду Ge — Sn — Pb уменьшается роль внешней электронной пары в образовании химических связей (участвуют уже не четыре, а только два электрона). Так, если для германия (подобно углероду и кремнию) наиболее характерна степень окисления +4, то для свинца +2; в соединениях олова различие в степенях окис­ления проявляется менее резко, хотя производные олова (IV) более устойчивы.
Германий — рассеянный элемент; образование рудных скоплений для него не характерно. Он в основном сопутствует природным си­ликатам и сульфидам, содержится в некоторых углях. Основной ми­нерал олова — касситерит SnO₂ (оловянный камень), свинца — гале­нит PbS (свинцовый блеск). Свинец как конечный продукт радиоактив­ного распада U и Тh содержится в урановых и ториевых минералах.
Простые вещества. В ряду Ge—Sn—Pb отчетливо усиливаются металлические свойства простых веществ. Германий — серебристо-бе­лый с желтоватым оттенком, внешне похож на металл, но имеет алмазоподобную решетку. Олово полиморфно. В обычных условиях оно существует в виде β- модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2°С; это — серебристо-белый металл, кристаллическая решетка его тетрагональной структуры с октаэдрической координацией атомов. При охлаждении белое олово переходит в α-модификацию (серое олово) со структурой типа алмаза (пл. 5,85 г/см³). Свинец — темно-серый металл с типичной для металлов структурой гранецентрированного куба.
Изменение структуры простых веществ в ряду Ge — Sn — Pb соот­ветствует изменению их физических свойств. Так, германий и α-олово - полупроводники, а β-олово и свинец — металлы. Изменение типа химической связи от преимущест­венно ковалентной к металлической сопровождается понижением твердости простых веществ. Так, германий довольно тверд и хрупок, свинец же легко прокатывается в тонкие листы.
Усиление металлических признаков у простых веществ в ряду Ge — Sn — Pb отчетливо наблюдается и в характере изменения их химиче­ских свойств. В обычных условиях Ge и Sn устойчивы по отношению к воздуху и воде. Свинец на воздухе окисляется — покрывается сине­вато-серой оксидной пленкой, поэтому не имеет металлического блеска. При нагревании Ge, Sn и Pb взаимодействуют с большинством неме­таллов. При этом образуются соединения Ge(IV), Sn(IV) и Pb(II), например GeO₂, SnO₂ и PbO; GeCl₄, SnCl₄ и РbС1₂.
В ряду напряжений Ge расположен после водорода, a Sn и Рb — непосредственно перед водородом. Поэтому германий с разбавленными кислотами типа НС1 и H₂SO₄ не взаимодействует. Вследствие образования на поверхности нерастворимых солей PbCl₂ и PbSO₄ свинец устойчив по отношению к разбавленным НС1 и H₂SO₄. В концентриро­ванной соляной кислоте Sn и Рb дают НЭCl₃ и Н₂ЭС1₄.
Различия в химической природе простых веществ особо отчетливо проявляются в их отношении к азотной кислоте. При окислении азот­ной кислотой Ge переходит в германиевую кислоту H₂GeO₃ (GeO₂ • тН₂О), a Sn в оловянную кислоту H₂SnO₃ (ЭО₂ * nН₂О):
Э + 4HNO_{3 (конц.)} = Н₂ЭО₃ + 4NO₂ + Н₂О
В разбавленной HNO₃ олово ведет себя как металл, т. е. перехо­дит в нитрат олова (II):
3Sn + 8HNO_{3 (разб.)} = 3Sn(NO₃)₂ + 2NO + 4Н₂О.
Свинец по отношению к HNO₃ любых концентраций выступает как металл и образует с ней Pb(NO₃)₂.
При нагревании олово и свинец взаимодействуют с водными раство­рами щелочей:
Sn + 2КОН + 2Н₂О = К₂[Sn(OH)₄] + Н₂,
Рb + 2КОН + 2Н₂0 = К₂[Рb(ОН)₄] + Н₂.
Германий же растворяется в щелочах лишь в присутствии окислите­лей, например Н₂О₂:
Ge + 2KOH + 2Н₂О₂ = К₂[Ge(OH)₆].
Германий получают из побочных продуктов переработки руд цвет­ных металлов, а также выделяют из золы, полученной от сжигания некоторых видов угля, из отходов коксохимического производства. Рядом последовательных операций соединения Ge переводят в GeO₂, который затем восстанавливают водородом. Дополнительно очищают германий зонной плавкой. Основная масса Ge расходуется в полупро­водниковой технике.
Олово получают восстановлением касситерита углем. Большое значение имеет регенерация (обратное получение) олова за счет раст­ворения его покрытий на железе (старые консервные банки) в щелочах и последующего выделения из раствора электролитическим путем. Для получения свинца галенит переводят в РbО, который также вос­станавливают углем.
Олово главным образом используется для лужения железа — по­лучения «белой жести, которая расходуется в основном в консервной промышленности. Оловянная фольга (станиоль) применяется для изго­товления конденсаторов в электротехнической промышленности. Из свинца делают аккумуляторные пластины, обкладки электрических кабелей, свинец применяется для защиты от радиоактивных и рентгеновских излучений, в качестве коррозионностойкого материала исполь­зуется в химической промышленности. Оба металла применяются для изготовления легкоплавких сплавов.