锗为银白色的硬金属。铅为暗灰色,重而软的金属。锡有三种同素异性体,常见的为银白色硬度居中的白锡,它有较好的延展性。白锡只在286~434K温度范围内稳定,它在低于286K时转变为粉末状的灰锡,高于434K时,转变为脆锡。
锗的化合物被应用的还不多。重要的是晶态锗,它具有金刚石那样的结构,为重要的半导体材料。锡和铅,从金属到化合物都有广泛的用途。金属主要用于制合金。例如,焊锡为含Sn和Pb的低熔点合金。青铜为Cu和Sn的合金,用于制日用器件、工具和武器。巴氏轴承合金含Cu、Sb、Sn。铅字合金含Pb、Sb、Sn。此外,Sn被大量地用于制锡箔和作金属镀层。Pb则用于制铅蓄电池、电缆、化工方面的耐酸设备以及X射线、原子能工业用的防护材料等。
这三种元素的常见氧化态为+Ⅳ和+Ⅱ
+4价化合物的稳定性是:Ge>Sn>Pb
+2价化合物的稳定性是:Ge<Sn<<Pb
从Ge到Pb,低价化合物趋于稳定。Ge和Sn为共价化合物,Pb(Ⅱ)有离子化合物。Pb为亲硫元素。它们属于中等活泼的金属,由于种种原因却表现出一定的化学惰性。下面是它们的电势图(表18-5)。
这些金属的化学性质可概括如下:
1.与氧的反应:
在通常条件下,空气中的氧只对铅有作用,在铅表面生成一层氧化铅或碱式碳酸铅,使铅失去金属光泽且不致进一步被氧化。空气中的氧对锗和锡都无影响。这三种金属在高温下能与氧反应而生成氧化物。
2.与其它非金属的反应:
这些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。锡与铅的标准电极电势虽在氢之上,但因相差无几,而且H2在锡、铅上的超电压又很大,所以,锡既不被空气氧化,又不与水反应,被用来镀在某些金属(主要是低钢制件)表面以防锈蚀。铅的情况比较复杂,它在有空气存在的条件下,能与水缓慢反应而生成Pb(OH)2。
2Pb+O2+2H2O=2Pb(OH)2
因为铅和铅的化合物都有毒,所以铅管不能用于输送饮水。但是,铅若与硬水接触,则因水中含SO42-、HCO3-和CO32-等离子,表面将生成一层难溶的保护膜(主要是硫酸铅和碱式碳酸铅),可阻止水继续与铅反应。
4.与酸的反应:
酸 | Ge | Sn | Pb |
HCl | 不反应 | 与稀酸反应慢,与浓酸反应而生成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,与浓酸反应而生成Ge(SO4)2 | 与稀酸难反应,与热的浓硫酸反应而得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 |
有关反应方程式如下:
Sn+2HCl(浓)=(加热)SnCl2+H2↑
Pb+2HCl=PbCl2↓+H2↑
Pb+3HCl(浓)=(加热)HPbCl3+H2↑
Ge+4H2SO4(浓)=(363K)Ge(SO4)2+2SO2↑+4H2O
(水解得GeO2)
Sn+4H2SO4(浓)=(加热)Sn(SO4)2+2SO2↑+4H2O
Pb+H2SO4(稀)=PbSO4↓+H2↑
Pb+3H2SO4(浓)=(加热)Pb(HSO4)2+SO2↑+2H2O
Ge+4HNO3(浓)=GeO2·H2O↓+4NO2↑+H2O
Sn+4HNO3(浓)=H2SnO3↓+4NO2↑+H2O
4Sn+10HNO3(稀)=4Sn(NO3)2+NH4NO3+3H2O
3Pb+8HNO3(稀)=3Pb(NO3)2+2NO↑+4H2O
总而言之,(1)Ge不与非氧化性酸作用;(2)Sn与非氧化性酸反应而生成Sn(Ⅱ)化合物;(3)Ge、Sn与氧化性酸反应而生成Ge(Ⅳ)、Sn(Ⅳ)化合物;(4)Pb与酸反应都得到Pb(Ⅱ)化合物。
由上可知,Pb并不是不与酸反应,而是由于产物难溶,使它不能继续与酸反应。因为铅有此特性,所以化工厂或实验室常用它作耐酸反应器的衬里和制贮存或输送酸液的管道设备。
铅在有氧存在的条件下可溶于醋酸,生成易溶的醋酸铅。这也就是用醋酸从含铅矿石中浸取铅的原理。
2Pb+O2=2PbO
PbO+2CH3COOH=Pb(CH3COO)2+H2O
5.与碱的反应:
锗同硅相似,与强碱反应放出H2气。锡、铅也能与强碱缓慢地反应而得到亚锡酸盐和亚铅酸盐,同时放出H2。
Ge+2OH-+H2O=GeO32-+2H2↑