§ 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний

Углерод и кремний как химические элементы

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

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:

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).

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.

 Химические свойства

Углерод и кремний, как и подавляющее число других неметаллов, проявляют как окислительные (например, реагируя с металлами), так и восстановительные свойства (в реакциях с кислородом и фтором, некоторыми оксидами):

Химические свойства	Углерод	Кремний
Восстановительные
Окислительные
		С водородом не взаимодействует

Оксиды углерода — углекислый и угарный газы

Особенности строения и физические свойства. Оксид углерода(IV), или углекислый газ , является высшим оксидом углерода и отвечает общей формуле ЭO₂. Оксид углерода(IV) — вещество молекулярного строения. Молекула содержит две двойные ковалентные полярные связи, но линейна и поэтому неполярна (рис. 98, а).

Вспомним, что углекислый газ бесцветен, тяжелее воздуха (М(CO₂) = 44 г/моль), частично растворим в воде. В 1 объёме воды при температуре 20 °С растворяется 0,88 объёмов СО₂, но при этом его растворимость в 70 раз выше растворимости кислорода и в 150 раз — азота. При повышенном давлении (5 МПа) он легко сжижается и затвердевает. Твёрдый оксид углерода(IV) — сухой лёд — возгоняется без плавления.

Второй оксид углерода(II) — угарный газ СО — также вещество молекулярного строения. Атомы в молекуле связаны очень прочной тройной ковалентной связью, связь полярная, молекула полярна (рис. 98, б). Газ бесцветен, плохо растворим в воде, ядовит.

Химические свойства оксида углерода(IV). Углекислый газ относится к кислотным оксидам, поэтому вступает в реакции с водой, щелочами и основными оксидами. С другой стороны, атомы углерода, имеющие степень окисления +4, могут участвовать в реакциях, которые протекают с понижением степени окисления: углекислый газ вступает в реакции с сильными восстановителями. Так, горящие магний или кальций продолжают гореть в атмосфере углекислого газа.

Реакции без изменения степени окисления

1. Реакция с водой. При пропускании углекислого газа через воду, в которую добавлен лакмус, окраска меняется с фиолетовой на красную — образуется угольная кислота:

.

2. Реакция с растворами щелочей приводит к образованию солей.

Как и в случае с сернистым газом, состав продуктов зависит от мольного соотношения реагентов.

2 : 1 или избыток щёлочи	(карбонат, средняя соль)
1 : 1 или избыток кислотного оксида	(гидрокарбонат, кислая соль)

Реакция углекислого газа с известковой водой наглядно демонстрирует последовательность образования солей при пропускании газа через раствор щёлочи. Вначале образуется осадок средней соли (качественная реакция на СО₂, Приложение 3):

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃↓ + Н₂О.

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется вследствие образования более растворимой кислой соли:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ = Са(НСО₃)₂.

3. С основными оксидами углекислый газ образует соли:

СаО + СO₂ = СаСO₃.

Химические свойства оксида углерода(II). Оксид углерода(II), или угарный газ СО, относят к несолеобразующим оксидам. С другой стороны, атом углерода, имея степень окисления +2, может её как повышать, так и понижать. При повышении степени окисления он проявляет свойства восстановителя. Такие процессы протекают при выплавке металлов:

,

при сгорании в кислороде:

.

Как углекислый, так и угарный газы загрязняют атмосферу. Напомним, что оксид углерода(II) не случайно называется угарным газом. Этот оксид очень ядовит. Образуясь при неполном сгорании топлива, он может привести к сильному отравлению или летальному исходу. Отсутствие запаха делает его ещё более опасным. Токсическое действие связано с тем, что молекулы угарного газа образуют прочное соединение с молекулами гемоглобина в крови. Таким образом они блокируют доступ кислорода, перекрывают клеточное дыхание.

Основной источник СО в атмосфере — выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, источник СО₂ — топливно-энергетический комплекс и металлургическая промышленность. Накопление углекислого газа способствует глобальному потеплению на Земле («парниковый эффект»). Вспомним, что СО₂ поглощается в процессе фотосинтеза. Поэтому вырубка лесов приводит к снижению поглощения углекислого газа зелёными растениями и негативно влияет на состояние атмосферы Земли.

Оксид кремния(IV)

Оксид кремния(IV) — вещество немолекулярного строения, в его кристаллах каждый атом кремния окружён четырьмя атомами кислорода (рис. 99). Он имеет довольно высокую твёрдость; широко распространен в природе (табл. 26, Приложение 2).

Химические свойства. Оксид кремния(IV) как кислотный оксид реагирует со щелочами и основными оксидами:

С водой оксид кремния(IV) не реагирует.

Имея высшую степень окисления, кремний в составе оксида может проявлять окислительные свойства. Так, процесс восстановления кремния(IV) углеродом используют для получения технического кремния в производстве полупроводниковых материалов:

Одно из значимых направлений применения оксида кремния(IV) — получение стекла спеканием песка SiО₂, соды Na₂CО₃ и известняка СаСО₃:

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите аллотропные модификации углерода и области их использования. Прокомментируйте с химической точки зрения следующий текст: «Разнообразие его свойств поражает: самый мягкий и сверхтвёрдый, эталон прозрачности и абсолютной черноты, теплоизолятор и один из лучших проводников тепла, диэлектрик, проводник и полупроводник».

2. Составьте формулу электронной конфигурации и электронно-графическую схему кремния в основном и в одном из возбуждённых состояний.

3. Запишите для элементов с атомными номерами 6, 14, 32, 50 формулы:

• а) высших оксидов;
• б) летучих водородных соединений.

4. Составьте уравнения реакций:

• а) углерода с кислородом, водородом, бериллием (указывая степени окисления);
• б) углекислого газа с водой, оксидом бария, гидроксидом калия;
• в) оксида кремния(IV) с гидроксидом калия, оксидами кальция и бария.

5. Почему в атмосфере кислорода оксид углерода(IV) не горит, а оксид углерода(II) сгорает? Рассчитайте объём кислорода (н. у.), необходимый для сжигания угарного газа (н. у.) объёмом 15 м³.

6. По термохимическому уравнению вычислите количество теплоты, выделившейся при сгорании угарного газа объёмом 1 м³ (н. у.).

7. Предложите физический и химический способы разделения смеси оксидов углерода так, чтобы каждый из них был получен отдельно.

9. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

• а) ;
• б) .

10. Углекислый газ объёмом 0,784 дм³ (н. у.) был полностью поглощён раствором, содержащим гидроксид натрия химическим количеством 0,04 моль. Определите массы полученных солей.

*Самоконтроль

1. Аллотропными модификациями углерода являются:

• а) сажа;
• б) графит;
• в) древесный уголь;
• г) алмаз.

2. Относительно кремния справедливы утверждения:

• а) существует в виде алмазоподобной кристаллической модификации;
• б) используется в качестве полупроводника;
• в) в карборунде SiC его атомы проявляют положительную степень окисления;
• г) первый по распространённости элемент в земной коре.

3. Угарный газ реагирует с:

• а) НСl;
• б) С;
• в) О₂;
• г) Н₂.

4. Поглотить углекислый газ можно, пропуская его через сосуд с:

• а) Р₂О₅;
• б) NaOH;
• в) СuSO_{4(безводный)};
• г) Н₂SO_4(конц.).

5. Кислотные свойства углекислого газа характеризуют реакции, выражаемые уравнениями:

• а) СO₂ + H₂O H₂СO₃;
• б) 2NaOH + СO₂ = Na₂СO₃ + H₂O;
• в) 6СО₂ + 6Н₂О = C₆Н₁₂O₆ + 6O₂ – Q;
• г) СO₂ + 2Mg C + 2MgO.