Вопрос 4. Оксиды углерода; кремний, силикаты, стекло.

Углерод образует два оксида: CO (угарный газ) и CO2 (углекислый газ).

Оксид углерода (IV).

Оксид углерода (IV) – легко сжижающийся под давлением бесцветный газ. Твёрдая углекислота при атмосферном давлении и температуре минус 78,5 °C без плавления переходит в газообразное состояние.

CO2 – ангидрид слабой (K1 = 4,5×10^–7 , K2 = 4,7×10^–11) неустойчивой угольной кислоты H2CO3 (соли – карбонаты). Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, при нагревании разлагаются с выделением диоксида углерода. Это свойство используется для промышленного получения углекислого газа:

CaCO3→ CaO + СО₂↑ (t > 1000 °C).

Углекислый газ также получается в качестве побочного продукта при горении угля и органических веществ: C + O2 → CO2 .

В лаборатории CO2 получают, действуя на мрамор соляной кислотой:

СaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO₂↑ + H2O

Оксид углерода (II)

Оксид углерода (II) – несолеобразующий оксид; это бесцветный ядовитый газ, образуется при сгорании угля при недостатке кислорода вследствие протекания реакций:

Оксид углерода (II) является восстановителем, способен при высокой температуре восстанавливать металлы из оксидов, что используется в доменном процессе:

Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2 .

Оксид углерода (II) в смеси с водородом образуется также при восстановлении водяного пара углём при высокой температуре:

C + H2O H2 + CO .

При нагревании на воздухе CO сгорает голубым пламенем:

2 CO + O2 2 CO2 .

В лабораторных условиях CO получают, отщепляя воду от муравьиной кислоты нагретой серной кислотой:

HCOOH CO + H2O

Оксид углерода (II) иногда ошибочно рассматривают как ангидрид муравьиной кислоты, однако муравьиную кислоту невозможно получить взаимодействием CO и H2O. Хотя соли муравьиной кислоты и образуются при взаимодействии CO и щелочей при 150 – 200 °C, эти реакции не являются реакциями кислотно-основного взаимодействия:

NaOH + CO HCOONa .

При ультрафиолетовом облучении или в присутствии катализатора (активированный уголь) оксид углерода (II) соединяется с хлором, образуя чрезвычайно ядовитый газ фосген:

CO + Сl2 COCl2 .

Фосген относится к боевым отравляющим веществам; он используется также в производстве органических красителей.

Оксид углерода (II) может соединяться со многими металлами с образованием карбонилов металлов:

Fe + 5 CO Fe(CO)5 – пентакарбонил железа;

Ni + 4 CO Ni(CO)4 – тетракарбонил никеля

Химические связи в карбонилах образованы по донорно-акцепторному механизму. Ni(CO)4 – бесцветная жидкость; Fe(CO)5 – летучая жидкость жёлтого цвета.

Карбонилы металлов ядовиты. При высокой температуре они разлагаются с выделением металла и CO, что используется для получения высокочистых металлов.

Кремний – один из самых распространённых в земной коре элементов. В природе кремний встречается в виде диоксида (кремнезём, песок, кварц) или в виде различных алюмосиликатов, например каолина (Al2O3×2SiO2×2H2O), составляющего основу различных глин.

Чистый кремний – кристаллическое вещество со стальным блеском. Область применения – радиоэлектроника (полупроводниковая техника).

Свободный кремний можно получить восстановлением диоксида кремния магнием:

SiO2 + 2 Mg → 2 MgO + Si .

При высокой температуре кремний вступает во взаимодействие со многими металлами, образуя силициды. Поэтому, при нагревании SiO2 с избытком магния образуется силицид магния:

SiO2 + 4 Mg → Мg2Si + 2 MgO .

В промышленности кремний получают восстановлением диоксида кремния углём при высокой температуре:

SiO2 + 2 C → Si + 2 CO .

При другом соотношении песка и углерода получается карбид кремния SiC – карборунд – очень твёрдое и огнеупорное вещество, имеющее структуру алмаза:

SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO

Кремний (в виде аморфного порошка) легко реагирует при нагревании с кислородом, галогенами и серой. Кислоты, за исключением смеси HNO3 и HF, на кремний не действуют:

3 Si +4 HNO3 + 18 HF → 3 H2[SiF6] + 4 NO­ + 8 H2O .

Кремний энергично взаимодействует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:

Si + 2 KOH + H2O K2SiO3 + 2 H2.

При действии кислот на силициды образуется кремневодород силан:

Mg2Si + 4 HCl 2 MgCl2 + SiH4.

SiH4 самовоспламеняется на воздухе:

SiH4 + 2 O2 SiO2 + 2 H2O .

Диоксид кремния – SiO2 – кислотный оксид, непосредственно с водой не взаимодействующий. Ему соответствуют слабые малорастворимые в воде кремниевые кислоты nSiO2×mH2O . В свободном состоянии, например, выделены ортокремниевая кислота H4SiO4 (n = 1; m = 2) и метакремниевая (или кремниевая) кислота H2SiO3 (n = 1; m = 1). Большинство солей кремниевых кислот (силикатов) нерастворимо в воде; растворимы лишь силикаты калия и натрия; они получаются при сплавлении SiO2 со щелочами или карбонатами:

SiO2 + 2 NaOH Na2SiO3 + H2O;

SiO2 + K2CO3 K2SiO3 + CO2.

При сплавлении смесей силикатов нескольких металлов (или смесей силикатов металлов с диоксидом кремния) получаются аморфные (т.е. не имеющие кристаллической структуры) прозрачные сплавы, называемые стёклами. Состав обычного оконного стекла приближённо выражается формулой Na2O×CaO×6SiO2. Исходные материалы для его получения – песок, сода и мел:

SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2;

SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2.

Часто соду заменяют сульфатом натрия и углём:

2 Na2SO4 + 2 SiO2 + C 2 Na2SiO3 + 2 SO2+ CO2