Углерод и кремний

Углерод и кремний являются элементами IV группы.

Рассмотрим основные свойства элементов углерода и кремния.

	Углерод C	Кремний Si
Схема строения атома	C+6)2 )4	Si +14)2 )8 )4
Электронная конфигурация атомов в основном состояние	1s22s22p2	1s22s22p63s23p2
Электронная конфигурация атомов в возбужденном состояние	1s22s12p3	1s22s22p63s13p3
Валентные возможности	II — в основном состояниеIV — в возбужденном состояние	II — в основном состояниеIV — в возбужденном состояние
Степени окисления	-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4	-4, 0, +2, +4
Формула высшего оксида	CO2	SiO2
Формула высшего гидроксида	Н2CO3	Н2SiO3
Водородное соединение	CH4	SiH4
Нахождение в природе	Природные 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.

2. В неорганических веществах углерод имеет степени окисления: -4,0,+2,+4. В органических соединениях разнообразность степеней окисления у углерода увеличивается.
3. 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	Алмаз	Графит	Карбин	Фуллерен
Кристаллическая решетка	Атомная	Атомная	Атомная	Молекулярная
Агрегатное состояние при обычных условиях	Твердое	Твердое	Твердое
Цвет	Прозрачные кристаллы	Темно-серый	Черный
Твердость	Самое твердое вещество среди природных соединений	Мягкий	Твердый
Структура	Тетраэдр	Слоистая	Линейная	Полые сферы, поверхность которых образована пяти и шестиугольниками из атомов углерода
Оптические свойства	Преломляет свет	Непрозрачный	Непрозрачный
Электропроводность	Изолятор	Имеет высокую электропроводность	Полупроводник
Плотность	3.5 г/см3	2.5 г/см3	2 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 + Me_xO_y = 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 + 2H₂SO_{4 (конц.)} → CO₂+ 2SO₂ + 2H₂O

С + 4HNO_3(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 (H₂SO_{4 (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   +  CO₂   + H₂O 

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 + 2H₂O 

4) SiO₂ +  Na₂CO₃  →   Na₂SiO₃   +  CO₂

H₂SiO₃— Кремниевая кислота — не растворимая кислота.

Получение H₂SiO₃ 

1) Na₂SiO₃ +  HCl   →  NaCl  +  H₂SiO₃

2) Na₂SiO₃ +  CO₂   + H₂O →  Na₂CO₃  + H₂SiO₃

Химические свойства H₂SiO₃

1) 2NaOH + H₂SiO₃ →  Na₂SiO₃+ 2H₂O 

2) H₂SiO₃ → H₂O + SiO₂