Print bookPrint book

§ 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 23 May 2024, 10:23 PM

Углерод и кремний как химические элементы

Углерод 6С и кремний 14Si являются химическими элементами IVА-группы периодической системы, относятся к неметаллам. Кроме них группа включает также германий 32Ge, олово 50Sn, свинец 82Pb и флеровий 114Fl.

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

6C img
14Si img
32Ge img

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:

img,
img и др.

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).

img

Графен — аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом.

Материал, обладающий уникальными свойствами — высокой проводимостью и прочностью, гидрофобностью, особыми оптическими свойствами, — вызвал интерес не только учёных, но и технологов, связанных с производством процессоров.

Имеют большое значение и находят широкое применение аморфные формы углерода — древесный уголь, активированный уголь, сажа.

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 straight C with 0 on top space plus space straight O subscript 2 stack space equals space with t on top straight C with plus 4 on top straight O subscript 2 Si with 0 on top space plus space straight O subscript 2 space stack equals space with t on top Si with plus 4 on top straight O subscript 2
3 stack straight C space with 0 on top plus space 2 Fe subscript 2 straight O subscript 3 stack space equals with t on top space 4 Fe space plus space stack 3 straight C with plus 4 on top straight O subscript 2 3 stack Si space with 0 on top plus space 2 Fe subscript 2 straight O subscript 3 stack space equals space with t on top 4 Fe space plus space stack 3 Si with plus 4 on top straight O subscript 2
Окислительные stack 4 Al space plus space with металл below 3 stack straight C with 0 on top stack space equals with t on top space Al subscript 4 straight C with negative 4 on top subscript 3 number space number space number space with карбид space space алюминия below stack 4 Mg space plus with металл below stack stack space Si space with 0 on top equals with t on top space Mg subscript 2 Si with negative 4 on top number space number space number space with силицид space space магния below
stack straight C space with 0 on top plus space 2 straight H subscript 2 stack space equals space with t comma space кат. on top stack straight C with negative 4 on top straight H subscript 4 with метан below С водородом не взаимодействует
img

Также вспомним, что углерод вступает в реакцию с оксидом кальция:

begin mathsize 14px style СаО space plus space 3 stack straight С space with 0 on top equals space straight С аС with space space minus 1 on top subscript 2 space end subscript plus space stack straight С space with plus 2 on top straight О end style,

а образующийся при этом карбид используют для получения ацетилена (например, для газовой сварки):

begin mathsize 14px style СаС subscript 2 space plus space 2 straight Н subscript 2 straight О space equals space Са left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 not stretchy downwards arrow space plus space straight С subscript 2 straight Н subscript 2 not stretchy upwards arrow end style.

ul

Второй важной реакцией, известной вам из курса химии 9-го класса, является взаимодействие углерода и кремния при высоких температурах:

Si with 0 on top space space plus straight C with 0 on top space equals with t on top space Si with plus 4 on top straight C with negative 4 on top.

Продукт реакции — карборунд SiC обладает высокой твёрдостью и термостойкостью, вследствие чего широко используется как абразивный и режущий материал, конструкционный материал в автомобилестроении, химической промышленности, ядерной энергетике. Полупроводниковые свойства обеспечивают его применение в электронике и электротехнике, оптические — в точной оптике и ювелирных изделиях (рис. 97.1).

img
Рис. 97.1.. Инструмент для абразивной обработки и огнеупорные керамические изделия из карбида кремния
img

В промышленных масштабах карборунд получают при температуре 1600−2500 °С, используя в качестве сырья оксид кремния(IV) и углерод:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO↑.

Оксиды углерода — углекислый и угарный газы

Особенности строения и физические свойства. Оксид углерода(IV), или углекислый газ straight C with plus 4 on top straight O subscript 2, 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).

img
Рис. 98. Структурная формула и масштабная модель молекул: а — оксида углерода(IV), б — оксида углерода(II), в — схема образования связей в молекуле СО

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:

СO subscript 2 space space plus straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H subscript 2 СO subscript 3.

2. Реакция с растворами щелочей приводит к образованию солей.

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

2 NaOH space plus space СO subscript 2 space equals space Na subscript 2 СO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O

2 : 1 или избыток щёлочи

2 OH to the power of – space plus space СO subscript 2 space equals space СO subscript 3 superscript 2 minus space end superscript plus space straight H subscript 2 straight O

(карбонат, средняя соль)

NaOH space plus space СO subscript 2 space equals space NaHСO subscript 3

1 : 1 или избыток кислотного оксида

OH to the power of – space plus space СO subscript 2 space equals space НСO subscript 3 superscript minus

(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.

img

Реакции с изменением степени окисления — это, как было отмечено выше, реакции углекислого газа с восстановителями:

begin mathsize 14px style stack stack number space number space number space space straight C with space space space space space space space space space plus 4 on top straight O subscript 2 space plus with окислитель below space 2 Mg space equals space stack straight C space with 0 on top plus space 2 MgO semicolon
stack space straight С with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space straight С space equals space stack 2 straight C with plus 2 on top straight O. end style

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:

Fe subscript 2 straight O subscript 3 space plus stack space 3 straight C with space space plus 2 on top straight O space stack equals space with t on top 2 Fe space plus stack space 3 straight С with space space space plus 4 on top straight O subscript 2,

при сгорании в кислороде:

stack 2 straight C with space plus 2 on top straight O space plus space straight O subscript 2 space equals with t on top space stack 2 straight С with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space 566 space кДж..

ul
img

Угарный газ не реагирует при комнатной температуре с раствором гидроксида натрия.

С расплавом этого гидроксида образует формиат натрия:

NaOH + СO equals with t italic comma italic space p on top HСООNa,

из которого действием серной кислоты получают муравьиную кислоту.

Реакция 2CO + O2 = 2CO2 начинается при температуре выше 500 °С, а в присутствии оксида марганца(IV) MnO2 как катализатора протекает уже при комнатной температуре.

Понижение степени окисления происходит в реакциях с восстановителями, а оксид углерода(II) при этом проявляет свойства окислителя. Пример такого превращения вам известен из курса органической химии: взаимодействие угарного газа с водородом (восстановителем) — важнейший способ получения спирта метанола:

begin mathsize 14px style stack space straight C with space plus 2 on top straight О space plus space 2 straight Н subscript 2 space not stretchy rightwards arrow with t comma space p comma space кат. on top space straight C with negative 2 on top straight Н subscript 3 ОН end style.

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).

img
Рис. 99. Оксид кремния(IV): а — структурная единица, б — кварцевый песок, в — кристаллы кварца

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

SiO subscript 2 space plus space 2 KOH space stack equals space with t on top straight K subscript 2 SiO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O semicolon
SiO subscript 2 space plus space СaO stack space equals with t on top space СaSiO subscript 3.

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:

Si with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space 2 straight C with 0 on top stack space equals space with t on top stack Si space with 0 on top plus stack 2 straight C space with plus 2 on top straight O subscript 2 not stretchy upwards arrow.

Одно из значимых направлений применения оксида кремния(IV) — получение стекла спеканием песка SiО2, соды Na23 и известняка СаСО3:

Na subscript 2 CО subscript 3 space plus space СаСО subscript 3 space plus space 6 SiO subscript 2 stack space equals space with t on top Na subscript 2 straight О space bold times space СаО space bold times space 6 SiО subscript 2 space plus space 2 СО subscript 2 not stretchy upwards arrow.

Углерод и кремний являются окислителями в реакциях с металлами, но восстановителями в реакциях с кислородом. Оксид углерода(IV) — кислотный оксид и окислитель. Оксид углерода(II) — несолеобразующий оксид и проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства. Оксид кремния(IV) применяют в производстве стекла.

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 2 СО subscript left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space straight О subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript stack space equals space with t on top 2 СO subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space 566 space кДж 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.

8. В сосуд, заполненный раствором гидроксида натрия, пропустили смесь угарного и углекислого газов. Почему наблюдается уменьшение размера пузырьков газа по мере их движения в растворе? Какое вещество собирается в пробирке над водным раствором? Какие вещества присутствуют в растворе?

9. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

  • а) СH subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 1 on top СO not stretchy rightwards arrow with 2 on top СO subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 3 on top СO not stretchy rightwards arrow with 4 on top CН subscript 3 ОН not stretchy rightwards arrow with 5 on top CН subscript 3 ОNa;
  • б) Fe subscript 3 straight O subscript 4 not stretchy rightwards arrow with 1 on top СO subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 2 on top KНCO subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 3 on top straight K subscript 2 CO subscript 3 not stretchy rightwards arrow with 4 on top СO subscript 2 not stretchy rightwards arrow with 5 on top СаСО subscript 3.

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) СuSO4(безводный);
  • г) Н2SO4(конц.).

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

  • а) СO2 + H2O rightwards arrow over leftwards arrow H2СO3;
  • б) 2NaOH + СO2 = Na2СO3 + H2O;
  • в) 6СО2 + 6Н2О = C6Н12O6 + 6O2Q;
  • г) СO2 + 2Mg equals with t on top C + 2MgO.