2.2. Углерод, кремний.

У

6

C

углерод

глерод (С) и кремний (Si) входят в IVА подгруппу периодической системы Д.И.Менделеева. Атомы этих элементов имеют на внешнем электронном слое ns²np² – электроны, способные к образованию химических связей.

Углерод и кремний не образуют отрицательно заряженных ионов, вследствие малого сродства их атомов к электрону. Положительные ионы не образуются из – за большой энергии ионизации атомов. Характерной особенностью углерода и кремния, вследствие одинаково выраженной тенденции к потере и приобретению электронов, является их способность взаимодействовать со многими элементами, образуя неполярные соединения с ковалентными связями. В соединениях углероду и кремнию свойственны степени окисления +4 и –4, углерод проявляет и степень окисления +2. При химических реакциях они проявляют слабые восстановительные (в реакциях с окислителями) и окислительные (в реакциях с восстановителями) свойства:

Э – 4 е = Э ⁺⁴

Э – 2 е = Э⁺²

Э + 4 е = Э^-4

В нормальных условиях простые вещества углерод и кремний – твердые вещества с высокой температурой плавления. Структурной единицей кристаллической решетки являются атомы, образующие пространственную трехмерную каркасную решетку; в которой атомы связаны ковалентными связями за счет орбиталей в sp³-гибридном состоянии. Аллотропическое видоизменение углерода – графит, имеет слоистую структуру, в которой атомы углерода находятся в sp² – гибридном состоянии.

Благодаря атомной ковалентной – каркасной структуре этих веществ в обычных условиях они весьма инертны. При высоких температурах углерод становится активным по отношению к большинству металлов и многим неметаллам. Соединения углерода очень распространены и чрезвычайно разнообразны. В земной коре содержание углерода невелико, всего около 0,1% вес. Он входит в состав многих минералов, большей частью которых являются карбонаты (CaCO₃ – известняк, мрамор; [(CuOH)₂CO₃] – малахит). В атмосфере углерод содержится в виде CO₂, который в растворенном состоянии присутствует во всех природных водах. Углерод входит в состав веществ, образующих ткани живых организмов (органические соединения), и продуктов их разрушения (каменный уголь, торф, нефть и др.). Строение и свойства органических соединений рассматриваются в органической химии. С металлами углерод образует соединения – карбиды. Их получают прокаливанием металлов или их оксидов с углеродом:

4Al + 3C  Al₄C₃

Ca + 2C  CaC₂

Карбиды легко разлагаются водой:

Al₄C₃ + 12H₂O  4Al(OH)₃ + 3CH₄

метанид:

CaC₂ + 2H₂O  Ca(OH)₂ + C₂H₂

ацетиленид:

При нагревании углерод легко реагирует с кислородом воздуха:

C + O₂  CO₂

При недостатке кислорода и при высокой температуре идет реакция

2C + O₂ = 2CO

или

C + CO₂ = 2CO

Диоксид углерода (углекислый газ) СО₂ в обычных условиях газ без цвета и запаха, довольно инертный. При повышенных температурах взаимодействует с активными восстановителями:

CO₂ + Mg = 2MgO + C + 815 кДж

В лабораторных условиях получают диоксид углерода действием соляной кислоты на мрамор:

CaCO₃ + 2HCl  CaCl₂ + CO₂ + H₂O

В промышленных условиях CO₂ получается при обжиге известняка

CaCO₃  CaO + CO₂

Оксид углерода CО (угарный газ) очень ядовит, также не имеет цвета и запаха. Является сильным восстановителем и используется для восстановления металлов из руд, например, в доменном процессе:

Fe₃O₄ + 4 CO  3Fe + 4CO₂

Оксид углерода (II) не кислотообразующий оксид. Диоксид углерода растворяется в воде (1:1 по объему) и при растворении взаимодействует с ней с образованием угольной кислоты:

C O₂ + H₂O H₂CO₃

H₂CO₃ – кислота очень слабая и существует только в водных растворах. Как двухосновная кислота диссоциирует на ионы в две ступени:

1 . H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^- K₁ = 4,5  10^-7

2 . HCO₃^1- H⁺ + CO₃^2- K₂ = 4,8  10^-11

Угольная кислота образует два ряда солей – средние (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты). Карбонаты щелочных металлов (K₂CO₃ – поташ, Na₂CO₃ - сода) при нагревании не разлагаются. а CaCO₃ и MgCO₃ – разлагаются по уравнению:

t

MgCO₃  MgO + CO₂

Карбонаты щелочных металлов в водных растворах, подвергаясь гидролизу, имеют высокое значение рН (8,5 - 12).

Гидрокарбонаты щелочных металлов при нагревании разлагаются по схеме

2NaHCO₃  Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Тяжелые и менее активные металлы образуют в основном не растворимые в воде карбонаты.

При высоких температурах углерод взаимодействует с серой с образованием сероуглерода:

С + 2S  CS₂

Сероуглерод – хороший растворитель. С азотом реакция завершается образованием дициана (ядовитый газ) 2C + N₂  C₂N₂, который превращается в циановодород (синильную кислоту):

C₂N₂ + H₂  2HCN

В отличие от углерода атомы кремния имеют свободные атомные орбитали на 3d-подуровне, поэтому в комплексных соединениях координационное число кремния равно шести (например, H₂[SiF₆] – кремнийфтористоводородная кислота). Кремний является вторым (после кислорода) по распространенности элементом (27% вес от массы земной коры). Если углерод можно рассматривать как основной элемент для всей органической жизни, то кремний играет такую же роль для твердой оболочки Земли, которая представляет собой смесь различных соединений кремния с кислородом и другими элементами.

В свободном виде кремний в природе не встречается, получают его восстановлением двуокиси кремния углеродом или магнием при высоких температурах:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si

Кислоты на кремний при обычных условиях не действуют (за исключением смеси HF и HNO₃), щелочи переводят его в соли кремниевой кислоты (H₂SiO₃):

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂ 

Кремниевая кислота существует в виде нескольких форм:

H₄SiO₄ (2H₂O  SiO₂) – ортокремниевая кислота

H₂SiO₃ ( H₂O  SiO₂) – метакремниевая кислота

H₂Si₂O₅ (H₂O  2SiO₂) – дикремневая кислота

Все эти формы кремниевой кислоты неустойчивы и довольно легко образуют неорганические полимеры с общей формулой хSiO₂  y H₂O, называемые поликремниевыми кислотами.

Кремниевые кислоты слабее угольной. Метакремниевая кислота диссоциирует ступенчато:

1 . H₂SiO₃ H⁺ + HSiO₃^- К₁ = 2 10^-10

2 . H₂SiO₃^- H⁺ + SiO₃^2- К₂ = 1 10^-12

Так как SiO₂ не растворим в воде, кремниевые кислоты получают косвенным путем. Например: Na₂SiO₃ + H₂SO₄  H₂SiO₃ + Na₂SO₄ .

Соли кремниевых кислот называются силикатами. Получают их сплавлением SiO₂ с едкими щелочами и карбонатами калия или натрия:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂

Большинство солей метакремниевой кислоты не растворимо в воде. Силикаты натрия и калия растворимы в воде (растворимое стекло). Водные растворы силикатов щелочных металлов сильно гидролизованы и имеют рН  12. Силикаты входят в состав стекла – это аморфный прозрачный сплав, образующийся при нагревании смесей карбонатов с многими силикатами или с SiO₂ . Например, оконное стекло получают при сплавлении белого песка (SiO₂) с содой (Na₂CO₃) и мелом (или известняком (CaCO₃)):

t

CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂ 

t

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂ 

Состав стекла приближенно выражается формулой Na₂O  CaO  6SiO₂ .Силикаты также широко используются для производства строительной и декоративной керамики, цемента.

Лабораторная работа №12

Опыт 1. Образование угольной кислоты.

а) В пробирку налить дистиллированной воды до 1/4 её вместимости, внести раствор лакмуса (или метилоранжа) и пропустить ток углекислого газа из аппарата Киппа. Наблюдать изменение окраски индикатора.

Написать уравнение образования и диссоциации угольной кислоты в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

б) Прокипятить раствор до восстановления первоначального цвета индикатора. Объяснить причины изменения цвета.

Написать уравнение распада угольной кислоты.

Опыт 2. Свойства солей угольной кислоты.

а) В сухие пробирки поместить по 1 микрошпателю: CaCO₃, Na₂CO₃, NaHCO₃.. В каждую прибавить по 5-6 капель 1н раствора соляной кислоты.

Наблюдать характерное шипение выделяющегося газа. Написать уравнения реакции.

б) В пробирки внести по 4-5 капель растворов солей CaCl₂, BaCl₂, Pb(NO₃)₂. В каждую добавить такой же объем раствора Na₂CO₃. Что наблюдается? Составить уравнения реакций.

в) В пробирки налить по 2 мл дистиллированной воды и по 2-3 капли раствора фенолфталеина. Затем в каждую внести по одному микрошпателю сухих солей: в одну - NaHCO₃, в другую - Na₂CO₃. Отметить различие в интенсивности окраски индикатора. Объяснить наблюдения, используя табличные значения констант диссоциации (К_дис.) угольной кислоты. Составить уравнения гидролиза солей, рассчитать константы гидролиза.

г) В одну пробирку налить 3-4 капли раствора соли меди, в другую - столько же соли алюминия. Затем в каждую добавить по 2-3 капли карбоната натрия. Наблюдать выпадение в осадок соответственно (CuOH)₂CO₃ и Al(OH)₃, а также выделение углекислого газа в обеих пробирках. Объяснить наблюдения. Составить уравнения реакций, зная, что вода является участником реакции.

д) Собрать прибор из пробирки и газоотводной трубки. В пробирку поместить 2-3 микрошпателя малахита (карбоната гидроксомеди (II) [CuOH]₂CO₃). Газоотводную трубку опустить в пробирку с 7-10 каплями известковой воды и осторожно нагреть пробирку с малахитом. Наблюдать выделение газа, изменение цвета соли, появление капель воды на выходе из пробирки с солью и помутнение известковой воды.

Объяснить происходящие явления, написать уравнения реакций.

Опыт 3. Получение кремниевой кислоты.

а) В пробирку налить концентрированный раствор метасиликата натрия 5 мл и добавить 3 мл 20%-ного раствора соляной кислоты. Хорошо перемешать стеклянной палочкой. Вследствие образования кремниевой кислоты содержимое пробирки через некоторое время превращается в студнеобразную массу. Составить уравнения реакции. Сделать вывод о свойствах кремниевой кислоты.

б) В пробирку налить 5 мл концентрированного раствора метасиликата натрия и пропустить в него углекислый газ из аппарата Киппа до появления студнеобразного осадка. Составить уравнение реакции.

Опыт 4. Гидролиз силикатов.

В пробирку с 1 мл раствора метасиликата натрия внести 1-2 капли раствора фенолфталеина. Наблюдать изменение окраски индикатора. Какая среда в растворе соли? Составить уравнение реакции гидролиза по первой ступени.

Контрольные вопросы:

1. Написать электронные формулы атомов углерода и кремния. Какие степени окисления характерны для этих элементов ?

2. В чем сходство и различие в свойствах углерода и кремния?

3. Какого типа химические связи образует углерод в органических соединениях? В каком гибридном состоянии может находиться углерод?

4. Какие простые вещества образует углерод? Чем различаются их структуры?

5. Какие оксиды образуют углерод и кремний? Какие кислоты и соли им соответствуют?

6. Какую среду имеют водные растворы карбоната и гидрокарбоната натрия? Дать объяснение, составить уравнения реакций гидролиза.

7. Какая среда в водном растворе силиката натрия? Составить уравнение гидролиза.

8. Какие соединения углерода входят в состав: воздуха, горных пород, подземных вод?

9. Какие из следующих солей растворяются в соляной кислоте: хромат бария, карбонат бария, сульфат бария? Почему?

10. Какая из солей образует осадок при взаимодействии с соляной кислотой: силикат натрия, карбонат натрия, сульфат натрия?

11. С какими из указанных веществ будет взаимодействовать оксид углерода (П): MgO, O₂, H₂, Cl₂, KOH? Написать уравнения происходящих реакций.

12. Составить уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: CaCO₃  CaO  Ca(OH)₂  Ca₃(PO₄)₂

13. Составить уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: а).CO  CO₂  Na₂CO₃  CaCO₃ ; б) Si SiO₂  H₂SiO₃ Na₂SiO₃

14. Coставить уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: а) CH₄  CO₂  MgCO₃  MgCl₂ ; б) Na₂SiO₃  H₂SiO₃  SiO₂  CaSiO₃

15. Какие полимерные кислоты образует кремний?

16. Приведите формулу оконного стекла. Написать уравнение реакции получения оконного стекла.

17. В колбах без этикеток находятся следующие соли: хлорид натрия, карбонат натрия и сульфат натрия. Как определить: в какой колбе какая соль?

18. Имеются три цилиндра, наполненные газами: оксидом азота (II), оксидом углерода (II), оксидом углерода (IV). Как определить: какой газ находится в каждом цилиндре?

19. Как доказать кислотный характер диоксида кремния ?

20. Какой осадок образуется при добавлении к силикату натрия раствора нитрата аммония?