§ 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний

Углерод и кремний как химические элементы

Углерод ₆С и кремний ₁₄Si являются химическими элементами IVА-группы периодической системы, относятся к неметаллам. Кроме них группа включает также германий ₃₂Ge, олово ₅₀Sn, свинец ₈₂Pb и флеровий ₁₁₄Fl.

На внешнем электронном слое атомы содержат по 4 электрона, общая электронная конфигурация которого ns²np²:

₆C

₁₄Si

₃₂Ge

Присоединяя электроны, атомы углерода и кремния проявляют отрицательную степень окисления ‒4, при потере электронов — +2 и +4.

При образовании химических связей атомов углерода с атомами других элементов полной отдачи или полного присоединения четырёх электронов не происходит, то есть формируются преимущественно ковалентные связи.

В отличие от других элементов IVА-группы число валентных электронов углерода равно числу валентных орбиталей. Это одна из причин большой устойчивости связи C—C и склонности атомов углерода соединяться друг с другом в цепи:

и др.

Распространённость в природе. Кремний — второй по распространённости на Земле элемент. Углерод, по большинству оценок, занимает 16-е место. Сведения о природных соединениях представлены в таблице 30.

Таблица 30. Химические элементы углерод и кремний

Элемент	Радиус атома, нм	χ	Степени окисления	Природные соединения
Углерод ₆С	0,077	2,5	–4, 0, +2, +4	Простые вещества — алмаз, графит. Мел, мрамор, известняк, ракушечник, жемчуг, кальцит (СаСО₃); углекислый газ, природный газ, нефть, органические вещества
Kремний ₁₄Si	0,117	1,9	‒4, 0, +2, +4	Кремнезём, кварц, горный хрусталь (основной компонент SiО₂); силикаты металлов

Углерод и кремний как простые вещества. Углерод как простое вещество существует в виде нескольких аллотропных модификаций, важнейшие из которых — алмаз, графит, фуллерены. Кремний аллотропных модификаций не образует, существует в виде одного простого вещества с алмазоподобной структурой.

Кристаллические решётки аллотропных модификаций углерода приведены на рисунке 38. Из материала § 16 вы уже знаете, почему алмаз — самое твёрдое вещество, почему графит электропроводен и легко расслаивается. Вам также известно, что фуллерены состоят из сферических молекул С₆₀, С₈₀ (см. рис. 38).

Графен — аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом.

Материал, обладающий уникальными свойствами — высокой проводимостью и прочностью, гидрофобностью, особыми оптическими свойствами, — вызвал интерес не только учёных, но и технологов, связанных с производством процессоров.

Имеют большое значение и находят широкое применение аморфные формы углерода — древесный уголь, активированный уголь, сажа.

Кремний, в отличие от алмаза, является полупроводником, что позволяет его широко использовать в современных микросхемах. Его применяют также в производстве жаропрочных сталей.

Итак, особенности строения веществ определяют их свойства, а значит, и области использования.