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。

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