10. Напишите уравнения химических реакций, характерных для солей алюминия.

4. УГЛЕРОД И КРЕМНИЙ

Углерод и кремний можно назвать главнейшими среди всех остальных элементов. Углерод входит в состав тканей всех живых организмов, а также в состав продуктов их разложения (угли, сланцы, нефть, природный газ). В земной коре углерод содержится как в самородном состоянии, так и в составе карбонатных пород.

Если углерод – основа живых организмов, то кремний – основа неживой природы. Более половины всех минералов, составляющих земную кору, – это многочисленные силикаты, а также разновидности кремнезема: кристаллического, скрытокристаллического и аморфного (горный хрусталь, кварцевые пески, халцедон, агат, яшма, опал, диатомит, трепел и др.).

Углерод и кремний – типичные неметаллы. Это элементы главной подгруппы 4 группы периодической системы. На внешнем энергетическом уровне у них содержится по 4 электрона. Электронная конфигурация внешнего слоя в нормальном состоянии – s2p2, в возбужденном состоянии один s-электрон переходит на р-орбиталь и конфигурация становится s1p3. Для соединений углерода и кремния более характерна степень окисления +4 и –4. Степень окисления +2 и –2 встречается значительно реже. Так как число валентных электронов равно числу валентных орбиталей, связь С – С очень прочная. Это же является причиной склонности углерода к образованию цепей. Кремний, в отличие от углерода, имеет свободные d-орбитали, поэтому по свойствам отличается от углерода. В соединениях с кислородом и галогенами кремний образует более прочные связи, чем углерод, так как возникает связь между свободными d-орбиталями кремния и неподелёнными электронными парами связанных с ним элементов. Наоборот, связь Si – Si менее прочная, чем С – С. Кремний также склонен к образованию цепей.

В обычных условиях углерод и кремний достаточно инертны, но при высоких температурах они становятся химически активны и образуют ряд соединений с металлами и неметаллами. Соединение, в котором углерод связан с элементом с меньшим значением электроотрицательности, называется карбидом, подобное соединение кремния называется силицидом.

22

Солеподобные карбиды, характеризующиеся ионно-ковалентным типом связи, образуют карбиды активных металлов. Они реагируют с водой с образование гидроксидов и углеводородов:

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2;

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4.

Металлы с большим радиусом атома, такие как титан, цирконий, молибден, образуют карбиды внедрения, в которых атомы углерода занимают пустоты в плотноупакованных структурах металлов. Такие соединения отличаются большой твердостью и высокими температурами плавления.

Ковалентные карбиды – это соединения углерода с соседними кремнием (SiC) и бором (В4С)n. Химическая связь в них приближается к ковалентной неполярной, так как и по размеру атомов, и по значениям электроотрицательности эти элементы близки.

Силициды характеризуются высокой твердостью и жаростойкостью, реагируют с кислотами с выделением смеси легковоспламеняющихся силанов (кремневодородов):

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4 .

С водородом углерод образует целый ряд соединений – углеводородов. Для этих соединений характерна ковалентная связь, многие из них характеризуются большой устойчивостью и незначительной реакционноспособностью. Кремний непосредственно с водородом не реагирует. Силаны (SiH4, Si2H6, Si3H8) получают косвенным путем (см. предыдущую реакцию). Силаны – легколетучие ядовитые вещества, они менее стойки по сравнению с углеводородами, являются весьма реакционноспособными, хорошие восстановители:

3SiH4 + 8KMnO4 =8MnO2 + 3SiO2 +8KOH + 2H2O.

При нагревании углерод и кремний горят, образуя соответствующие оксиды СО2 и SiO2 , а при недостатке кислорода – СО. Окись углерода СО – очень ядовитое, химически активное вещество, горит, является хорошим восстановителем. Двуокись углерода СО2 более инертна, горения не поддерживает, при высоких температурах проявляет окислительные свойства. Оксид кремния SiO2 имеет несколько модификаций (кварц, диатомит, кристобалит). Оксид кремния способен образовывать полимеры, поэтому является твердым нелетучим веществом, тогда как двуокись углерода при нормальных условиях – это газ.

Оксиды углерода и кремния обладают кислотными свойствами. Двуокись углерода при растворении в воде образует слабую, неустойчивую кислоту, которой соответствуют достаточно устойчивые соли –

23

карбонаты и гидрокарбонаты. Эти соли можно получить при действии углекислого газа на водные растворы щелочей:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O.

При дальнейшем пропускании углекислого газа создается избыток угольной кислоты, образуется кислая соль, осадок растворяется:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2.

Оксид кремния непосредственно с водой не реагирует, а кремниевую кислоту получают, действуя сильными минеральными кислотами (например, соляной) на раствор силиката натрия или калия. Кремниевые кислоты, являясь типичными изополикислотами, могут быть записаны в общем виде как x SiO2 y H2O. Простейшей из кремниевых кислот является метакремниевая кислота H2SiO3. Угольная и кремниевая кислоты – слабые электролиты, но угольная кислота несколько сильнее, поэтому она разрушает силикаты с выделением аморфных гидратов оксида кремния:

CaSiO3 + CO2 + H2O = CaCO3 + H2SiO3 .

Соли кремниевой и угольной кислот подвергаются гидролизу: Na2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOH;

Na2SiO3 + H2O = NaHSiO3 + NaOH.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Восстановительные свойства углерода.

В пробирку поместите 2 г измельченного активированного угля. Добавьте 2 – 3 мл раствора хлорида железа FeCl3. Перемешайте содержимое пробирки и через несколько минут слейте раствор с осадка в другую пробирку. Добавьте к раствору несколько капель раствора красной кровяной соли K3[Fe(CN)6]. Появилось ли темно-синее окрашивание раствора? О наличии каких ионов в растворе это свидетельствует? Какие свойства – восстановительные или окислительные – проявляет углерод в реакции с ионами трехвалентного железа?

Опыт 2. Адсорбционные свойства угля.

В пробирку поместите около 0,5 г измельченного активированного угля и прилейте примерно 2 мл раствора органического красителя (фуксина или индиго). Тщательно перемешайте смесь. Через 4 – 5 мин отфильтруйте уголь из раствора. Как изменилась окраска раствора? Почему?Где применяется активированный уголь вкачествеадсорбента?

24

Опыт 3. Водородные соединения углерода. Получение и свой-

ства ацетилена (опыт выполняется в вытяжном шкафу).

В пробирку положите маленький кусочек карбида кальция и добавьте несколько капель воды. Быстро закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Через минуту подожгите выделяющийся газ у стеклянного наконечника газоотводной трубки. Ацетилен горит на воздухе ярким коптящим пламенем. Пропустите выделяющийся газ через подкисленный раствор перманганата калия. Почему обесцвечивается раствор? Запишите уравнения протекающих реакций.

Опыт 4. Кислородные соединения углерода.

1.В сухой пробирке с газоотводной трубкой прокалите около 1 г малахитовой зелени (CuOH)2CO3 или бикарбоната натрия NaHCO3. Выделяющийся газ пропустите через известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция). Объясните, почему мутнеет известковая вода. Напишите уравнения реакций.

2.Продолжайте пропускать газ через известковую воду. Почему образовавшийся осадок вновь растворяется? Какая соль образуется в данном случае? Напишите уравнение реакции.

3.Теперь пропустите углекислый газ через раствор силиката натрия. Что образуется? Напишите уравнения реакций в ионной и молекулярной формах. Сделайте вывод о сравнительной силе обеих кислот – угольной и кремниевой.

Опыт 5. Выщелачивание стекла водой.

Мелко истолченное стекло положите в фарфоровую ступку или чашку, добавьте немного воды и 2 – 3 капли раствора фенолфталеина. Объясните появление окраски. Какая химическая реакция происходит?

Опыт 6. Уменьшение горючести при пропитке материалов солями кремниевой кислоты (опыт групповой).

В растворе силиката натрия пропитайте небольшой кусочек фильтровальной бумаги. Высушите его осторожным нагреванием на асбестовой сетке. Высохшую бумагу внесите в пламя спиртовки. Изменилась ли горючесть материала по сравнению с обычной бумагой?

25