锗分族单质

一: 物理性质

   锗为银白色的脆性金属。锡有三种同素异性体-灰锡、白锡和脆锡。铅为暗灰色,重而软的金属。这三种金属的熔点、沸点、硬度和密度见下表。

名  称

Ge

Sn

Pb

熔点/K

1210

505.0

600.7

沸点/K

3103

2533

2013

硬度(莫氏)

6.25

1.5-1.8

1.5

密度/g·cm-3)

5.38

(a)7.285

11.3437

二:化学性质
   锗分族金属的化学性质可概括如下:
(1)与氧的反应

   在通常条件下,空气中的氧对锗和锡无影响,只在铅表面生成一层氧化铝或碱式碳酸铅。这三种金属在高温下都能与氧反应而生成氧化物。
(2)与其它非金属的反应

   锗分族金属能同卤素和硫生成卤化物和硫化物。
(3)与水的反应

   锗不与水反应,锡也不与水反应,铅的情况比较复杂,它在有空气存在的条件下,能与水缓慢反应生成Pb(OH)2。
(4)与酸的反应

   Ge不与非氧化性酸作用;Sn与非氧化性酸反应生成Sn(II)化合物;Ge和Sn与氧化性酸反应生成Ge(IV)、Sn(IV)化合物;Pb与酸反应得到Pb(II)化合物。

   现把Ge、Sn、Pb与酸反应的情况归纳在下表中。

酸

Ge

Sn

Pb

HCl

 不反应

与稀酸反应慢,与浓酸反应生成SnCl2

有反应,但因生成微溶性的PbCl2覆盖在Pb表面,反应中止

H2SO4

 与稀酸不反应,与浓酸反应生成Ge(SO4)2

与稀酸难反应,与热的浓硫酸反应得Sn(SO4)2

与稀硫酸反应,因生成难溶的PbSO4覆盖层,反应中止。但易溶于热的浓硫酸,生成Pb(HSO4)2

HNO3

 与浓酸反应得白色xGeO2.yH2O沉淀

与浓酸生成白色xSnO2.yH2O沉淀(β锡酸)与冷的稀HNO3反应,生成Sn(NO3)2

与稀HNO3反应,得到Pb(NO3)2。由于Pb(NO3)2不溶于浓HNO3,Pb不与浓HNO3反应

   铅在有氧存在的条件下还可溶于醋酸,生成易溶的醋酸铅。
(5)与碱的反应

   锗同硅相似,与强碱反应放出H2气。锡和铅也能与强碱缓慢地反应得到亚锡酸盐和亚铅酸盐,同时放出H2,但铅反应极慢。

 

锗分族的氧化物

   锗、锡、铅有MO2和MO两类氧化物。MO2都是共价型、两性偏酸性的化合物。MO也是两性的,但碱性略强。MO化合物的离子性也略强,但还不是典型的离子化合物。所有这些氧化物都是不溶于水的固体。它们的酸碱性和氧化还原性的变化规律如下图:

 

锗分族的氢氧化物

   由于锗、锡、铅的氧化物难溶于水,它们的氢氧化物是用盐溶液加碱制得的。这些氢氧化物实际上是一些组成不定的氧化物的水合物:xMO2·yH2O和xMO·yH2O,通常也将它们的化学式写作M(0H)4和M(OH)2。它们都是两性的,在水溶液中可进行两种方式电离。

 

   在这些氢氧化物中,酸性最强的Ge(OH)4仍然是一个弱酸(K1=8×10-10),碱性最强的Pb(OH)2也还是两性的。由此可知,锗分族元素的金属性很弱,但从Ge到Pb逐渐增强。

 

锗分族的盐

   锗分族元素不同氧化态的化合物的稳定性是不同的。从Ge到Pb,低氧化态趋于稳定,为惰性电子对效应的表现。因此

     稳定性减弱,氧化性增强

    Ge(IV)  Sn(IV)  Pb(IV)

    Ge(II)  Sn(II)  Pb(II)


     稳定性减弱,还原性增强

 

锗分族的卤化物

   在形成卤化物方面,锗分族元素与碳、硅有所不同,它们能形成MX4和MX2两类卤化物,而C和Si只有MX4。锗分族的卤化物的性质见下表。

-

四卤化物

二卤化物

Ge

Sn

Pb

Ge

Sn

Pb

 

F

无色气体*

-

256K升华

白色晶体

-

978K升华

无色晶体
-
-

白色晶体

分解>623K升华

白色晶体

-

-

无色晶体

1128K

1563K

 

Cl

无色液体

223.7K 

357K

无色液体

240K

387.3K

黄色油状液

258K 

378K爆炸分解

白色粉末

升华分解为Ge和GeCl4

白色固体 519K
925K

白色晶体
774K
1223K

 

Br

灰白色晶体

299.3K

459.7K

无色晶体

304K

475K

-

无色晶体

395K分解

淡黄色固体

488.7K

893K

白色晶体

646K

1189K

 

I

橙色晶体

417K

713K分解

红黄色晶

417.7K

637.7K

-

黄色晶体

分解真空513K升华

橙色晶体

593K

990K

金黄色晶体

675K

1227K

   锗分族元素的卤化物都水解,在过量的氢卤酸或含有卤离子的溶液中容易形成卤配阴离子。
   从这些卤化物的状态(指常况下)、熔点、沸点就可以知道MX4具有共价化合物的特征,熔点低,易挥发或升华。MX2为离子型化合物,熔点较高。

 

锗分族的硫化物

   锗分族元素的硫化物都不溶于水。GeS2和SnS2能溶解在碱金属硫化物的水溶液中,而GeS和SnS不能。这说明锗分族元素的硫化物和它们的氧化物相似,高氧化态的显酸性,低氧化态的显碱性。锗分族元素硫化物的性质见下表。

MS2

GeS2

SnS2

 

状态
制法
能溶的试剂

白色固体
H2S+GeO2
Na2S

黄色固体

Na2S

铅不生成二硫化物 

MS

GeS

SnS

PbS

状态
制法
能溶的试剂

红色固体

(NH4)2Sx

棕色固体

(NH4)2Sx

黑色固体

稀HNO3