Германий, олово и свинец

9 заданий

Германий и олово

history_eduЭкасилиций

В 1871 году Менделеев предсказал элемент между кремнием и оловом — «экасилиций» с атомной массой около 72, плотностью 5,5 г/см³, оксидом \(\ce{EsO2}\) плотностью 4,7 и летучим хлоридом с т. кип. ниже 100 °C. В 1886 году Клеменс Винклер открыл германий: 72,6; 5,35; \(\ce{GeO2}\) — 4,70; \(\ce{GeCl4}\) кипит при 86 °C. Совпадение потрясло научный мир и утвердило периодический закон.

Германий — полупроводник: первый транзистор (1947, Bell Labs) был германиевым. Сегодня — оптика для ИК-диапазона (германиевые линзы тепловизоров) и оптоволокно.

Олово: белое (\(\beta\), металл) и серое (\(\alpha\), алмазоподобная структура, порошок). Ниже 13,2 °C белое олово термодинамически неустойчиво, но превращается медленно, особенно быстро — около −30 °C и при контакте с серым («оловянная чума» заразна).

auto_awesomeЛегенды оловянной чумы

Рассказывают, что у солдат Наполеона в русской кампании рассыпались оловянные пуговицы, а экспедиция Скотта в Антарктике (1912) погибла из-за того, что распаялись оловянные банки с горючим. Обе истории — скорее легенды: пуговицы были в основном из других материалов, а утечки горючего объясняют кожаными прокладками. Но само явление реально — от него страдали оловянные трубы органов в холодных соборах.

scienceОлово в реакциях

\(\ce{Sn + 2HCl -> SnCl2 + H2 ^}\) — с соляной кислотой олово даёт соль олова(II).
\(\ce{SnCl2 + 2HgCl2 -> SnCl4 + Hg2Cl2 v}\) — белый осадок каломели; при избытке \(\ce{SnCl2}\): \(\ce{Hg2Cl2 + SnCl2 -> 2Hg + SnCl4}\) (чернеет) — качественная реакция на олово(II) и ртуть.
\(\ce{SnO2 + 2C ->[t] Sn + 2CO}\) — выплавка из касситерита.
\(\ce{Sn + 4HNO3 (конц) -> SnO2 v + 4NO2 + 2H2O}\) (урок 132).

Свинец

У свинца из-за эффекта инертной пары устойчива степень окисления +2; свинец(IV) — сильный окислитель.

scienceСвинец(IV)-окислитель

\(\ce{PbO2 + 4HCl -> PbCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\).
\(\ce{5PbO2 + 2Mn^2+ + 4H+ -> 2MnO4- + 5Pb^2+ + 2H2O}\) — открытие марганца (как висмутатом).
\(\ce{Pb3O4 + 4HNO3 -> PbO2 v + 2Pb(NO3)2 + 2H2O}\) — сурик = \(\ce{2PbO*PbO2}\) (урок 100).
\(\ce{PbO + 2NaOH + H2O -> Na2[Pb(OH)4]}\) — оксид свинца(II) амфотерен.

errorСвинец ядовит

Соединения свинца накапливаются в организме, поражают нервную систему, особенно у детей. Римляне подслащивали вино «сапой» — сиропом, уваренным в свинцовых котлах (ацетат свинца сладкий); отравление свинцом, по одной из гипотез, способствовало упадку римской знати. Тетраэтилсвинец в бензине (1920-е–2021) повысил уровень свинца в крови целого поколения; его полный запрет — большой успех экологии.

scienceОлово и свинец: щёлочи, гидролиз, анализ

\(\ce{Sn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Sn(OH)4] + H2 ^}\) — олово, как цинк, растворяется в щёлочи; свинец — медленно: \(\ce{Pb + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Pb(OH)4] + H2 ^}\).
\(\ce{SnCl2 + H2O <=> Sn(OH)Cl v + HCl}\) — гидролиз: раствор \(\ce{SnCl2}\) готовят на соляной кислоте и хранят над гранулой олова, чтобы Sn(II) не окислялось.
\(\ce{Pb(NO3)2 + 2KI -> PbI2 v + 2KNO3}\) — «золотой дождь»: при охлаждении горячего раствора выпадают золотистые чешуйки.
\(\ce{PbS + 4H2O2 -> PbSO4 + 4H2O}\) — так реставраторы отбеливают почерневшие свинцовые белила на старых картинах.
\(\ce{GeO2 + 2NaOH -> Na2GeO3 + H2O}\) — германий(IV) ближе к кремнию: оксид с перевесом кислотных свойств.

boltОлово против свинца

\(\ce{Sn^2+}\) — восстановитель (переходит в устойчивое \(\ce{Sn^4+}\)), \(\ce{Pb^4+}\) — окислитель (переходит в устойчивое \(\ce{Pb^2+}\)). Это одно правило — эффект инертной пары, усиливающийся вниз по группе.

Свинцовый аккумулятор

Самый распространённый аккумулятор в мире (урок 80):

отрицательный электрод — губчатый свинец: \(\ce{Pb + SO4^2- - 2e- -> PbSO4}\);
положительный — \(\ce{PbO2}\): \(\ce{PbO2 + 4H+ + SO4^2- + 2e- -> PbSO4 + 2H2O}\);
суммарно: \(\ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 <=>[разряд][заряд] 2PbSO4 + 2H2O}\), ЭДС ≈ 2,05 В.

При разряде расходуется серная кислота и образуется вода — плотность электролита падает (с 1,28 до 1,10 г/мл). По плотности ареометром определяют степень заряженности.

boltКислота на ампер-час

На каждый моль электронов расходуется моль \(\ce{H2SO4}\). 1 А·ч = 3600 Кл = 0,0373 моль e — это 3,66 г кислоты.

auto_awesomeДолгожитель

Свинцовый аккумулятор изобрёл Гастон Планте в 1859 году, и он до сих пор заводит почти все автомобили: дёшев, надёжен, отдаёт большой ток на морозе. Около 99 % свинца из старых аккумуляторов перерабатывается — один из самых высоких процентов рециклинга среди всех товаров.

push_pinГлавное

Вниз по группе 14 растёт металличность и устойчивость +2: \(\ce{Ge(IV)}\) и \(\ce{Sn(IV)}\) устойчивы, \(\ce{Sn(II)}\) — восстановитель (\(\ce{SnCl2 + 2HgCl2 -> SnCl4 + Hg2Cl2}\)); \(\ce{Pb(II)}\) устойчив, \(\ce{Pb(IV)}\) — сильный окислитель (\(\ce{PbO2}\) окисляет \(\ce{HCl}\) и \(\ce{Mn^2+}\)). Оксиды и гидроксиды \(\ce{Sn}\) и \(\ce{Pb}\) амфотерны. Белое олово ниже 13,2 °C медленно превращается в серое порошкообразное («оловянная чума»). Свинцовый аккумулятор: \(\ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 <=> 2PbSO4 + 2H2O}\) — при разряде расходуется кислота (контроль заряда по плотности электролита). Германий — предсказанный Менделеевым экасилиций.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.