Углерод и кремний

Углерод и кремний являются элементами IV группы.

Рассмотрим основные свойства элементов углерода и кремния.

Углерод CКремний Si
Схема строения атома C+6)2 )4Si +14)2 )8 )4
Электронная конфигурация атомов в основном состояние 1s22s22p21s22s22p63s23p2
Электронная конфигурация атомов в возбужденном состояние 1s22s12p31s22s22p63s13p3
Валентные возможностиII — в основном состояниеIV — в возбужденном состояниеII — в основном состояниеIV — в возбужденном состояние
Степени окисления -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4-4, 0, +2, +4
Формула высшего оксидаCO2SiO2
Формула высшего гидроксидаН2CO3Н2SiO3
Водородное соединениеCH4SiH4
Нахождение в природеПриродные карбонаты — известняк, доломит. Горючие ископаемые — антрацит, бурые угли, каменные угли, горючие сланцы, нефть, торф. Природный газ — метан. В атмосфере и гидросфере в виде углекислого газа. Все органические вещества.Кремнезем, кварц, горный хрусталь, песок, кремень, полевые шпаты, силикаты, алюмосиликаты.
  1. Углерод и кремний почти во всех соединениях четырехвалентны, т.е. атомы данных элементов находятся в возбужденном состояние.
  1. В неорганических веществах углерод имеет степени окисления: -4,0,+2,+4. В органических соединениях разнообразность степеней окисления у углерода увеличивается.
  2. Характерным отличием углерода и кремния является способность углерода к образованию цепей. Атомы углерода, соединяясь друг с другом, образуют устойчивые соединения, аналогичные соединения кремния неустойчивы.

Углерод

Физические свойства углерода

Способность углерода к цепеобразованию связана с существованием огромного числа органических соединений.

К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды, соли, кислоты, карбиды, сульфиды, азотосодержащие производные, галогениды. Все остальные соединения углерода являются органическими.

Для углерода – характерна аллотропия. Наиболее известными аллотропными модификациями углерода являются: алмаз, графит, карбин, фуллерен. Сейчас существуют и другие аллотропные модификации углерода, которые ученым удалось создать в лабораторных условиях.

Аморфными разновидностями графита можно считать уголь и сажу.

Параметры сравнения АлмазГрафитКарбинФуллерен
Кристаллическая решеткаАтомнаяАтомнаяАтомнаяМолекулярная
Агрегатное состояние при обычных условияхТвердое ТвердоеТвердое 
ЦветПрозрачные кристаллыТемно-серыйЧерный
Твердость Самое твердое вещество среди природных соединенийМягкийТвердый
СтруктураТетраэдрСлоистаяЛинейнаяПолые сферы, поверхность которых образована пяти и шестиугольниками из атомов углерода
Оптические свойстваПреломляет светНепрозрачныйНепрозрачный
ЭлектропроводностьИзоляторИмеет высокую электропроводностьПолупроводник
Плотность 3.5 г/см32.5 г/см32 г/см3 

Химические свойства углерода

Углерод — малоактивен, на холоде реагирует только со фтором; химическая активность проявляется при высоких температурах.

1) Горение

С + O2 → CO2

при недостатке кислорода:

2C + O2 → 2CO 

2)    С водородом

C + 2H2 → CH4

3)    С металлами

2C + 2Na → Na2C2

2C + Ca → CaC2

4)    С неметаллами

С + 2F2 → CF4

С + S → CS2

С + Si → SiC

5)    Углерод выступает в качестве восстановителя для металлов из амфотерных и основных оксидов, образуя угарный газ и металл. 

Пирометаллургия — получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений.

С + MexOy = CO2 + Me

C + ZnO → Zn + CO

4C + Fe3O4  → 3Fe + 4CO

Взаимодействуя с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.

3С + CaO  → CaC2 + CO

9C + 2Al2O3 → Al4C3 + 6CO

6) С кислотами

C + 2H2SO4 (конц.) → CO2+ 2SO2 + 2H2O

С + 4HNO3(конц.) → CO2 + 4NO2 + 2H2O

С галогеноводородами реакция не идет! В отличие от азотной и серной кислоты они не способны окислять углерод до углекислого газа.

Оксиды Углерода

CO — “Угарный газ” — газ без цвета и запаха.

Молекула оксида имеет линейное строение. За счет дополнительной донорно-акцепторной связи, образуется тройная связь между атомами углерода и кислорода.

Получение CO

1) 2C + O2 → 2CO (при недостатке кислорода)

2) С + CO2 → 2CO

3) HCOOH→ CO + H2O (H2SO4 (конц.) )

4) СН4 + Н2O → СО + 3Н2

Химические свойства CO

1) Угарный газ горит на воздухе голубым пламенем. В результате реакции выделяется большое количество тепла.

 2CO+ O2 → CO2

2) Оксид углерода II от оксидов металлов отнимает кислород. В этом случает образуетс металл и углекислый газ.

 CO + CuO  → CO2 + Cu

3) Угарный газ реагирует с щелочами под давлением. В результате реакции образуется формиат — соль муравьиной кислоты.

 CO + NaOH → HCOONa

4) CO из оксидов восстанавливает металлы.

3CO  + Fe2O3  →  2Fe   + 3CO2

5) Оксид углерода II в присутсвии катализатора или под действием с света окислется хлором. В результате этого образуется фосген — ядовитый газ.

 CO + Cl2 → COCl2

6)  При высоком давлении CO взаимодействует с водородом. Смесь оксида углерода II и водорода — синтез — газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить различные углеводороды.

CO + 2H2 → CH3OH

В данном примере реакция идет под давлением больше 20, при температуре 350॰C и под действием катализатора образуется метанол.

CO2 — “Углекислый газ” — газ без цвета и запаха. Также называют “сухой лед”.

Молекула оксида имеет линейное строение. Атом углерода образует с атомом кислорода две двойные связи (sp-гибридизации у атома углерода).

Получение CO2 

1) CaCO3+ 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

2) CaCO3 → CaO + CO2

Химические свойства CO2

1) Оксид углерода IV относится к классу кислотных оксидов и при взаимодействии с водой, образуется угольная кислота.

CO2  + H2O  →  H2CO3

2) В реакциях с избытком углекислого газа образуются гидрокарбонаты.

CO2 + NaOH  → NaHCO3 

3) В реакциях с щелочами оксид углерода IV образуются карбонаты.

CO2 + 2NaOH  → Na2CO3 + H2O

4) Реакция взаимодействия углекислого газа с гидроксидом кальция является качественной реакцией. При этом образуется белый осадок — карбонит кальция.

CO2 + Ca(OH)2  → CaCO3 + H2O

5) В результате пропускания CO2 через водный раствор CaCO3 происходит образование гидрокарбоната кальция.

CO2  +  CaCO3  + H2O → CaHCO3

6) Оксид углерода IV не поддерживает горения. Только активные металлы горят в нем.

 CO2 + 2Мg → C + 2MgO

Карбонаты и гидрокарбонаты

1) В промышленности для получения углекислого газа используют прокаливание известняка.

CaCO3   →   CaO   +   CO2

2) Реакция термического разложения карбоната аммония, в результате которой получают углекислый газ, аммиак и воду.

(NH4)2CO3 →  2NH3  +  2H2O  +  CO2

3) При нагревании гидрокарбонаты переходят в карбонаты, при этом образуется вода и выделяется углекислый газ.

2NaHCO3  →   Na2CO3   +  CO + H2

4) Взаимодействие гидрокарбоната с кислотой — качественная реакция. Вследствие выделяется углекислый газ.

 NaHCO3   +  HCl   →  NaCl   +  CO2 ↑  +  H2O

5) Взаимодействие карбоната с кислотой — качественная реакция. Вследствие выделяется углекислый газ.

Na2CO3   +  2HCl   →  2NaCl   +  CO2 ↑  +  H2O

Гидролиз

1) Гидрокарбонат натрия – кислая соль, образованная сильным основанием – гидроксидом натрия (NaOH) и слабой кислотой – угольной (H2CO3).

 6NaHCO3 + Al2(SO4)3  → 2Al(OH)3  +  6CO2  +  3Na2SO4

2) Карбонат натрия – средняя соль, образованная сильным основанием – гидроксидом натрия (NaOH) и слабой кислотой – угольной (H2CO3).

 3Na2CO3  + 2AlBr3  + 3H2O →  2Al(OH)3↓  +  CO2↑ +  6NaBr

3) Карбонат калия – средняя соль, образованная сильным основанием – гидроксидом калия (KOH) и слабой кислотой – угольной (H2CO3).

3K2CO3  + Al2(SO4)3 +  3H2O →  2Al(OH)3↓  +  3CO2↑  +  3K2SO4

Кремний

Физические свойства кремний

В 1823 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус получил, а следовательно и открыл кремний. Кремний является вторым по распространенности элемент в земной коре после кислорода (27,6% по массе). 

Кремний – твердый темно-серый элемент с металлическим блеском. Обладает атомной кристаллической решеткой. Является полупроводником. Обладает одной модификацией, которая схожа по структуре с аллотропной модификацией углерода – алмазом. Хотя связи между атомами кремния менее прочные, чем между атомами углерода.

Аморфный — гигроскопичный бурый порошок, с алмазоподобной структурой, ρ = 2 г/см3, является более реакционноспособным.

Химические свойства кремния 

1) Горение

Si + O2 → SiO2

2) С металлами

Si + 2Mg → Mg2Si

Si + 4Na → Na4Si

3)    С неметаллами

Реакции возможны только при сильном нагревании. При нормальных условиях реакций идет только с фтором. 

Si + 2F2 →  SiF4

Si + C → SiC ( Т = 2000°C)

С водородом кремний не реагирует из-за неустойчивости водородного соединения силана SiH4

4)    С кислотами

Реагирует только с плавиковой кислотой!

Si+4HF → SiF4+2H2

5)    С щелочами (при нагревании):

Si + 2NaOH + H2O →  Na2Si+4O3+ 2H2

Соединения кремния

SiO2 — “Кремнезем” — бесцветные кристаллы, обладающие высокой прочностью и твердостью. 

Химические свойства SiO2

1) SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O

2) SiO2 + CaO → CaSiO2

3) SiO2 + 4HF →  SiF4 + 2H2

4) SiO2 +  Na2CO3  →   Na2SiO3   +  CO2

H2SiO3— Кремниевая кислота — не растворимая кислота.

Получение H2SiO3 

1) Na2SiO3 +  HCl   →  NaCl  +  H2SiO3

2) Na2SiO3 +  CO + H2O →  Na2CO3  + H2SiO3

Химические свойства H2SiO3

1) 2NaOH + H2SiO3 →  Na2SiO3+ 2H2

2) H2SiO3 → H2O + SiO2