IV a группа (углерод, кремний).

Углерод. Соединения углерода.

I. Углерод.

Углерод может проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства. Восстановительные свойства углерод проявляет с простыми веществами, образованными неметаллами с большим по сравнению с ним значением электроотрицательности (галогенами, кислородом, серой, азотом), а также с оксидами металлов, водой и другими окислителями.

При нагревании с избытком воздуха графит горит, образуя оксид углерода (IV):

C + O₂ = CO₂

при недостатке кислорода можно получить СО

2C + O₂ = 2CO

Аморфный углерод уже при комнатной температуре реагирует с фтором.

С + 2F₂ = CF₄

При нагревании с хлором:

С + 2Cl₂ = CCl₄

При более сильном нагревании углерод реагирует с серой, кремнием:

C + 2S = CS₂

C + Si = SiC

При действии электрического разряда углерод соединяется с азотом, образуя диацин:

2С + N₂ → N ≡ C – C ≡ N

В присутствии катализатора (никель) и при нагревании углерод реагирует с водородом:

С + 2Н₂ = СН₄

С водой раскаленный кокс образует смесь газов:

С + H₂O = CO + H₂

Восстановительные свойства углерода применяются в пирометаллургии:

C + CuO = Cu + CO

При нагревании с оксидами активных металлов углерод образует карбиды:

3С + СаО = СаС₂ + СО

9С + 2Al₂O₃ = Al₄C₃ + 6CO

2C + Na₂SO₄ = Na₂S + CO₂

2C + Na₂CO₃ = 2Na + 3CO

Углерод окисляют такие сильные окислители, как концентрированные серная и азотная кислоты, другие окислители:

C + 4HNO_3(конц.) = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

С + 2H₂SO_{4 (конц.)} = 2SO₂ + CO₂ + 2H₂O

3C + 8H₂SO₄ + 2K₂Cr₂O₇ = 2Cr₂(SO₄)₃ + 2K₂SO₄ + 3CO₂ + 8H₂O

В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:

4C + 3Al = Al₄C₃

2C + Ca = CaC₂

Карбиды подвергаются гидролизу, образуя при этом углеводороды:

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

II. Соединения углерода.

1. Оксиды.

Оксид углерода (II).

Оксид углерода (II) несолеобразующий оксид. Очень ядовит!

В лаборатории получают действием концентрированной серной кислоты на муравьиную кислоту:

НСООН CO + H₂O

Химическая активность угарного газа крайне мала. При обычных условиях он не реагирует ни с водой, ни с кислотами, ни со щелочами. При высоких температурах вступает в окислительно-восстановительные реакции в роли восстановителя.

СО горит синим пламенем:

2СO + O₂ = 2CO₂

Восстанавливает металлы из их оксидов:

3CO + Fe₂O₃ = 2Fe + 3CO₂

СО + CuO = Cu + CO₂

СО + NiO = Ni + CO₂

Взаимодействует с парами воды:

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂

В присутствии катализатора или при облучении СО окисляется хлором, образуя ядовитый газ фосген:

CO + Cl₂ = COCl₂

СО окисляется пероксидом натрия:

CO + Na₂O₂ = Na₂CO₃

При нагревании с водородом при повышенном давлении образуется метиловый спирт:

CO + 2H₂ ↔ CH₃OH

При пропускании СО в расплав щелочи при высоком давлении образуется соль (формиат натрия) в результате протекания окислительно-восстановительной реакции:

CO + NaOH = HCOONa

Оксид углерода (IV).

Как кислотный оксид взаимодействует с водой (реакция обратима), основными оксидами и растворами щелочей:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

CO₂ + CaO = CaCO₃

CO₂ + 2NaOH _{(избыток)} = Na₂CO₃ + H₂O

CO_{2(избыток)} + NaOH = NaHCO₃

При пропускании СО₂ через раствор карбоната образуется гидрокарбонат:

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O = 2NaHCO₃

В реакциях СО₂ способен выступать только в роли окислителя. При высоких температурах он взаимодействует с углем и с активными металлами:

CO₂ + C = 2CO

CO₂ + 2Mg = 2MgO + C

2CO₂ + 2Na₂O₂ = 2Na₂CO₃ + O₂

Na₂SiO₃ + 2CO₂ + 2H₂O = 2NaHCO₃ + H₂SiO₃↓

2. Соли (карбонаты, гидрокарбонаты).

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).

CaCO₃ CaO + CO₂

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

(NH₄)₂CO₃ 2NH₃ + 2H₂O + CO₂

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

2NaHCO₃ Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Качественной реакцией на ионы СО₃^2─ и НСО₃⁻ является их взаимодействие с более сильными кислотами, последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО₂

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

NaHCO₃ + HCl = NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

При смешивании растворов будет происходить гидролиз и по аниону слабой кислоты и по катиону слабого основания:

3Na₂CO₃ + 2FeCl₃ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃ + 6NaCl + 3CO₂

Кремний. Соединения кремния.

1. Кремний.

При низких температурах кремний химически инертен, при высоких температурах реагирует как с неметаллами, так и с некоторыми металлами. В большинстве случаев кремний является восстановителем, в реакциях с более сильными восстановителями (активными металлами) выступает в роли окислителя.

При нагревании выше 400°С кремний взаимодействует с кислородом:

Si + O₂ = SiO₂

При взаимодействии с галогенами (с фтором при комнатной температуре), при нагревании с хлором, бромом, иодом образуются галогениды кремния:

Si + 2Cl₂ = SiCl₄

Si + 2Br₂ = SiBr₄

При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:

Si + 2S = SiS₂

При температуре около 2000°С кремний соединяется с углеродом с образованием карбида кремния (карборунда):

Si + С = SiС

При взаимодействии с активными металлами образуются силициды металлов:

Si + 2Mg = Mg₂Si

Si + 2Са = Са₂Si

Si + 2MgO = Mg₂Si + 2SiO

Силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния разлагаются водой, щелочами и разбавленными кислотами с образованием силана:

Mg₂Si + 4H₂O = 2Mg(OH)₂ + SiH₄↑

2Ca₂Si + 4NaOH + 10H₂O = 2Na₂SiO₃ + 4Ca(OH)₂ + SiH₄↑

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄↑

В водных растворах щелочей кремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты :

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂

Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот, но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте:

Si + 6HF = H₂[SiF₆] + 2H₂

(Si_(тв.) + 4HF_(г.) = SiF₄ + 2H₂)

Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот:

3Si + 4HNO₃ + 12HF = 3SiF₄ + 4NO + 8H₂O

2. Соединения кремния.