鍺為銀白色的硬金屬。鉛為暗灰色,重而軟的金屬。錫有三種同素異性體,常見的為銀白色硬度居中的白錫,它有較好的延展性。白錫只在286~434K溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定,它在低于286K時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰畹幕义a,高于434K時(shí),轉(zhuǎn)變?yōu)榇噱a。
鍺的化合物被應(yīng)用的還不多。重要的是晶態(tài)鍺,它具有金剛石那樣的結(jié)構(gòu),為重要的半導(dǎo)體材料。錫和鉛,從金屬到化合物都有廣泛的用途。金屬主要用于制合金。例如,焊錫為含Sn和Pb的低熔點(diǎn)合金。青銅為Cu和Sn的合金,用于制日用器件、工具和武器。巴氏軸承合金含Cu、Sb、Sn。鉛字合金含Pb、Sb、Sn。此外,Sn被大量地用于制錫箔和作金屬鍍層。Pb則用于制鉛蓄電池、電纜、化工方面的耐酸設(shè)備以及X射線、原子能工業(yè)用的防護(hù)材料等。
這三種元素的常見氧化態(tài)為+Ⅳ和+Ⅱ
+4價(jià)化合物的穩(wěn)定性是:Ge>Sn>Pb
+2價(jià)化合物的穩(wěn)定性是:Ge<Sn<<Pb
從Ge到Pb,低價(jià)化合物趨于穩(wěn)定。Ge和Sn為共價(jià)化合物,Pb(Ⅱ)有離子化合物。Pb為親硫元素。它們屬于中等活潑的金屬,由于種種原因卻表現(xiàn)出一定的化學(xué)惰性。下面是它們的電勢(shì)圖(表18-5)。
這些金屬的化學(xué)性質(zhì)可概括如下:
1.與氧的反應(yīng):
在通常條件下,空氣中的氧只對(duì)鉛有作用,在鉛表面生成一層氧化鉛或堿式碳酸鉛,使鉛失去金屬光澤且不致進(jìn)一步被氧化??諝庵械难鯇?duì)鍺和錫都無影響。這三種金屬在高溫下能與氧反應(yīng)而生成氧化物。
2.與其它非金屬的反應(yīng):
這些金屬能同鹵素和硫生成鹵化物和硫化物。
3.與水的反應(yīng):
鍺不與水反應(yīng)。錫與鉛的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)雖在氫之上,但因相差無幾,而且H2在錫、鉛上的超電壓又很大,所以,錫既不被空氣氧化,又不與水反應(yīng),被用來鍍?cè)谀承┙饘伲ㄖ饕堑弯撝萍┍砻嬉苑冷P蝕。鉛的情況比較復(fù)雜,它在有空氣存在的條件下,能與水緩慢反應(yīng)而生成Pb(OH)2。
2Pb+O2+2H2O=2Pb(OH)2
因?yàn)殂U和鉛的化合物都有毒,所以鉛管不能用于輸送飲水。但是,鉛若與硬水接觸,則因水中含SO42-、HCO3-和CO32-等離子,表面將生成一層難溶的保護(hù)膜(主要是硫酸鉛和堿式碳酸鉛),可阻止水繼續(xù)與鉛反應(yīng)。
4.與酸的反應(yīng):
酸 | Ge | Sn | Pb |
HCl | 不反應(yīng) | 與稀酸反應(yīng)慢,與濃酸反應(yīng)而生成SnCl2 | 有反應(yīng),但因生成微溶性的PbCl2覆蓋在Pb表面,反應(yīng)中止 |
H2SO4 | 與稀酸不反應(yīng),與濃酸反應(yīng)而生成Ge(SO4)2 | 與稀酸難反應(yīng),與熱的濃硫酸反應(yīng)而得Sn(SO4)2 | 與稀硫酸反應(yīng),因生成難溶的PbSO4覆蓋層,反應(yīng)中止。但易溶于熱的濃硫酸,生成Pb(HSO4)2 |
HNO3 | 與濃酸反應(yīng)得白色xGeO2·yH2O沉淀 |
與濃酸生成白色xSnO2·yH2O沉淀(β錫酸) 與冷的稀HNO3反應(yīng),生成Sn(NO3)2 |
與稀HNO3反應(yīng),得到Pb(NO3)2。由于Pb(NO3)2不溶于濃HNO3,Pb不與濃HNO3反應(yīng) |
有關(guān)反應(yīng)方程式如下:
Sn+2HCl(濃)=(加熱)SnCl2+H2↑
Pb+2HCl=PbCl2↓+H2↑
Pb+3HCl(濃)=(加熱)HPbCl3+H2↑
Ge+4H2SO4(濃)=(363K)Ge(SO4)2+2SO2↑+4H2O
(水解得GeO2)
Sn+4H2SO4(濃)=(加熱)Sn(SO4)2+2SO2↑+4H2O
Pb+H2SO4(?。絇bSO4↓+H2↑
Pb+3H2SO4(濃)=(加熱)Pb(HSO4)2+SO2↑+2H2O
Ge+4HNO3(濃)=GeO2·H2O↓+4NO2↑+H2O
Sn+4HNO3(濃)=H2SnO3↓+4NO2↑+H2O
4Sn+10HNO3(稀)=4Sn(NO3)2+NH4NO3+3H2O
3Pb+8HNO3(?。?Pb(NO3)2+2NO↑+4H2O
總而言之,(1)Ge不與非氧化性酸作用;(2)Sn與非氧化性酸反應(yīng)而生成Sn(Ⅱ)化合物;(3)Ge、Sn與氧化性酸反應(yīng)而生成Ge(Ⅳ)、Sn(Ⅳ)化合物;(4)Pb與酸反應(yīng)都得到Pb(Ⅱ)化合物。
由上可知,Pb并不是不與酸反應(yīng),而是由于產(chǎn)物難溶,使它不能繼續(xù)與酸反應(yīng)。因?yàn)殂U有此特性,所以化工廠或?qū)嶒?yàn)室常用它作耐酸反應(yīng)器的襯里和制貯存或輸送酸液的管道設(shè)備。
鉛在有氧存在的條件下可溶于醋酸,生成易溶的醋酸鉛。這也就是用醋酸從含鉛礦石中浸取鉛的原理。
2Pb+O2=2PbO
PbO+2CH3COOH=Pb(CH3COO)2+H2O
5.與堿的反應(yīng):
鍺同硅相似,與強(qiáng)堿反應(yīng)放出H2氣。錫、鉛也能與強(qiáng)堿緩慢地反應(yīng)而得到亞錫酸鹽和亞鉛酸鹽,同時(shí)放出H2。
Ge+2OH-+H2O=GeO32-+2H2↑