Справочники / Оганесян Э.Т., Попков В.А. Химия, ЕГЭ

При температуре электрической дуги соединяется с водородом, образуя метан:

С + 2Н2 → СН4.

Если пропустить водяной пар через раскаленный уголь или кокс, то получается смесь оксида углерода (II) и водорода:

С + Н2О = СО + Н2, называемая водяным газом. Процесс протекает в газогенераторе при

температуре выше 1200 oС; ниже 1000 oС происходит окисление углерода до СО2:

С + 2Н2О = СО2 + 2Н2.

Эти две реакции лежат в основе конверсионного способа получения водорода.

Углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов. На этом основано получение металлов из руд:

С + ZnO = Zn + CO.

Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до СО2:

С + 2H2SO4 = СО2 + 2SO2 + 2Н2О; 3С + 4HNO3 = 3СО2 + 4NO + 2Н2О.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Укажите степень окисления и валентность углерода в свободном состо-

?2. янии.Составьте уравнения реакций образования карбида кальция, водяного газа; взаимодействия углерода с азотной кислотой, с серной кислотой.

3.Переход в возбужденное состояние атома углерода (1s22s2p2 → 1s22s1p3)

сопровождается поглощением энергии. Почему в таком случае в СН4 все связи равноценны?

4.Напишите примеры соединений элементов IV группы, в которых они проявляют степени окисления +4 и –4. Какова их валентность в этих соединениях? Ответ обоснуйте.

5.Сравните электронные конфигурации атомов элементов подгруппы

углерода и подгруппы азота. Почему для углерода возможен переход s2p2 → sp3?

6.Как исходя из строения атома объяснить, что при переходе от углерода к свинцу неметаллические свойства ослабевают и возрастают металлические?

§ 3. Карбид кальция. Оксиды углерода

Карбиды — соединения углерода с металлами, а также бором и кремнием.

Получают прямым взаимодействием углерода с металлами или их оксидами:

СаО + 3С = СаС2 + СО; 4А1 + 3С = Al4C3.

Состав большинства карбидов не соответствует степени окисления углерода –4. По характеру химической связи различают ковалентные, ионные и металлические карбиды.

Ковалентные карбиды образуют В и Si: характерно, что в этих соединениях атом углерода находится в разных валентных состояниях, что и обусловливает полимерную структуру SiC и В4С.

Ионные карбиды образуют преимущественно металлы главных подгрупп I и II групп, алюминий, а также редкоземельные элементы.

Металлические карбиды характерны для переходных металлов IV— VII групп, а также кобальта, никеля и железа.

Карбиды с ионным типом связи легко разлагаются водой с образованием метана, ацетилена, метилацетилена (или смеси углеводородов) и гидроксида металла:

А14С3 + 12H2O = 4А1(ОН)3 + 3СН4;

метан

СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + C2H2;

ацетилен

Na2C2 + 2Н2О = 2NaOH + С2Н2;

ацетилен

Mg2C3 + 4H2O = 2Mg(OH)2 + СН3—CCH.

метилацетилен

Ковалентные и металлические карбиды не разлагаются водой и большинством кислот и щелочей.

Оксид углерода (II) СО (угарный газ). В молекуле этого оксида атом углерода находится в невозбужденном состоянии. За счет двух р-элек- тронов он образует две связи с атомом кислорода. Третья связь образуется по донорно-акцепторному механизму, причем кислород является донором электронной пары, которую атом углерода акцептирует на свободную 2р-орбиталь.

Межатомное расстояние равно 0,113 нм. Поэтому для оксида углерода (II) справедлива следующая структурная формула:

: С=O :

СО — бесцветный газ, без запаха. Очень мало растворим в воде. Ядовит. Отравляющее действие состоит в том, что он необратимо взаимодействует с гемоглобином крови, вследствие чего прекращается перенос кислорода от легких к тканям.

В химическом отношении СО — инертное соединение. При повышении температуры до 200 oС и давлении 15 · 105 Па оксид углерода (II) реагирует с NaOH, образуя натриевую соль муравьиной кислоты:

O

CO + NaOH HC

ONa

Взаимодействие с водородом в зависимости от условий может идти либо с образованием метанола:

СО + 2Н2 CH3OH, либо происходит восстановление:

СО + Н2 С + Н2О. Окисление до СО2 происходит при 700 оС:

2CO + O2 = 2CO2↑.

При взаимодействии с парами воды образуются СО2 и Н2:

СО + Н2О = СО2↑ + H2↑.

СО — энергичный восстановитель. Он восстанавливает многие металлы из их оксидов, что используется в металлургии при получении металлов из их руд:

FeO + CO = Fe + CO2↑; Fe2O3 + 3СО = 2Fe + 3CО2↑.

При взаимодействии с хлором образуется ядовитый газ — фосген: СО + С12 = СОС12.

Оксид углерода (IV) СО2 (углекислый газ) имеет линейную структуру. Связи в молекуле образованы за счет четырех электронных пар:

O=С=O

Каждая из связей углерод–кислород является полярной, поэтому на каждом из атомов кислорода должен быть некоторый отрицательный заряд, а на углероде сосредоточен положительный заряд. Поскольку атомы кислорода расположены на одной прямой по обе стороны от атома углерода на равных расстояниях, центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Вследствие этого

заряд на углероде полностью нейтрализуется. Поэтому, хотя каждая из связей углерод–кислород полярна, молекула СО2 в целом является неполярной, и причиной того является ее линейное строение.

СО2 образуется при термическом разложении карбонатов. В промышленности СО2 получают при обжиге известняка:

СаСО3 = СаО + СО2.

В лаборатории его можно получить действием разбавленных кислот на карбонаты:

СаСО3 + 2НС1 = СаС12 + СО2 + Н2О.

В обычных условиях СО2 — бесцветный газ, в 1,5 раза тяжелее воздуха; растворим в воде (при 0 oС 1,7 л СО2 в 1 л Н2О).

С повышением температуры растворимость СО2 сильно уменьшается, и его избыток удаляется из раствора в виде пузырьков, образующих пену.

При сильном охлаждении СО2 кристаллизуется в виде белой снегообразной массы, которая в спрессованном виде испаряется очень медленно, понижая температуру окружающей среды. Этим и объясняется ее применение в качестве «сухого льда». Не поддерживает дыхания, но служит источником питания зеленых растений (фотосинтез).

Свойство СО2 ингибировать горение используют в противопожарных устройствах.

При высоких температурах оксид углерода (IV) может реагировать с металлами, сродство которых к кислороду выше, чем у самого углерода (например, с магнием):

СО2 + 2Mg = 2MgO + С. Оксид углерода (IV) окисляет углерод и водород:

С + СО2 = 2СО;

Н2 + СО2 = СО + Н2О.

В водных растворах СО2 имеет место равновесие между исходными веществами и угольной кислотой:

СО2 + Н2О Н2СО3. СО2 — типичный кислотный оксид.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Каковы валентность и степень окисления углерода и кислорода в СО?

?2. оксида.Составьте уравнения реакций, характерных для СО2 как кислотного

по термохимическому уравнению:

C + O2 = СО2; H = –393,5 кДж.

Ответ: 65,6 кДж.

5.Какой объем СО2 можно получить из 600 кг известняка, содержащего 30% примесей?

6.Оксид углерода (IV), полученный при разложении 12,5 г известняка, пропустили в раствор, содержащий 5 г гидроксида кальция. Какая соль

и сколько ее получено, если массовая доля СаСО3 в известняке составляет 80%?

Ответ: 10,94 г Са(НСО3)2.

7.Смесь СО и СО2 массой 10 г занимает объем 6,72 л. Определите объемную долю (%) газов в смеси.

Ответ: 66,66% СО и 33,34% СО2.

8.Смешали с кислородом 8,96 мл смеси СО и СО2 и взорвали. Объем газов уменьшился на 3,36 мл. Какова объемная доля (%) компонентов исходной смеси?

Ответ: 25% СО2.

9.Смесь СО и СО2 имеет плотность по водороду 16. Какова объемная доля (%) газов?

Ответ: 75% СО и 25% СО2.

10.Смесь СО и СО2 объемом в 1 л пропустили через 50 г раствора гидроксида калия с массовой долей 3,32%. При этом образовалась кислая соль. Какова объемная доля (%) газов в смеси?

Ответ: 33,6% СО и 66,4% СО2.

11.Для восстановления 2,4 г смеси оксидов Fe2O3 и CuO израсходовано 0,784 л СО. Определите массовую долю (%) оксидов в смеси.

Ответ: 33,33% Fe2O3; 66,67% CuO.

12.Смесь карбидов алюминия и кальция массой 2,75 г прогидролизовали водой. Объем выделившихся газов равен 1,225 л. Определите состав исходной смеси в массовых долях (%).

Ответ: 81,82% Al4C3; 18,18% CaC2.

13.Оксид углерода (IV) объемом 100 мл пропустили над раскаленным углем, после чего объем стал равен 133,6 мл. Определите объемный состав газовой смеси после реакции.

Ответ: 67,2 мл СО; 66,4 мл СО2.

14.При обработке смеси оксидов кальция и бария массой 3,67 г оксидом углерода (IV) получено 5,3 г карбонатов. Каков процентный состав исходной смеси?

Ответ: 68,58% BaO; 31,42% CaO.

§ 4. Угольная кислота и ее соли

Угольная кислота очень слабая, существует только в водных растворах и незначительно диссоциирует на ионы. Поэтому водные растворы СО2 обладают слабыми кислотными свойствами:

СО2 + НОН Н2СО3.

Структурная формула угольной кислоты: OH—C—OH

O

Как двухосновная кислота она образует два типа солей: средние соли — карбонаты; кислые соли — гидрокарбонаты. Из карбонатов

растворимы только Na2CO3, К2СО3, Rb2CO3, Cs2CO3 и (NH4)2CO3, гидрокарбонаты же в воде легкорастворимы, за исключением NaHCO3.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут быть получены взаимодействием СО2 с растворами оснований или же путем обменных реакций:

NaOH + СО2 = NaHCO3;

КНСО3 + КОН = К2СО3 + Н2О; ВаСl2 + Na2CO3 = BaCO3↓ + 2NaCl.

При сильном нагревании карбонаты щелочных металлов плавятся, не разлагаясь, а остальные карбонаты при нагревании легко разлагаются на оксид соответствующего металла и СО2:

СаСО3 = СаО + СО2. Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

2NaHCO3 = Na2CO3 + CO2↑ + Н2О.

Карбонаты щелочных металлов в водных растворах имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза:

Na2CO3 + Н2О NaHCO3 + NaOH.

Гидрокарбонаты в водных растворах имеют слабощелочную реакцию, поскольку гидрокарбонат-анион HCO3–, частично диссоциируя, высвобождает ионы Н+, которые связывают гидроксид-анионы:

NaHCO3 Na+ + HCO3–;

HCO3– + НОН H2CO3 + ОН–;

НСO3– Н+ + CO32–.

Качественной реакцией на карбонат-ион CO32– и гидрокарбонатион НСO3– является их взаимодействие с более сильными кислотами. Выделение с характерным «вскипанием» оксида углерода (IV) указывает на наличие этих ионов:

СаСО3 + 2НС1 = СаС12 + СО2↑ + Н2О.

Пропуская выделяющийся СО2 через известковую воду, можно наблюдать помутнение раствора вследствие образования карбоната кальция:

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О.

При длительном пропускании СО2 раствор становится снова прозрачным вследствие образования гидрокарбоната:

СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2. Растворимые соли гидролизуются по аниону.

Из солей угольной кислоты важное значение имеют следующие. Карбонат кальция СаСО3 в природе встречается в виде минерала

кальцита. Является важной составной частью мела, мрамора, известняка.

Карбонат натрия Na2CO3 . 10Н2О — важнейший продукт основной химической промышленности. Используют практически во всех сферах химического производства. Безводная соль называется кальцинированной содой.

Карбонат калия К2СО3, или поташ, применяют в производстве тугоплавкого стекла.

Гидрокарбонат натрия NaHCO3 (питьевая сода) находит применение в кулинарии, медицине и производстве пекарского порошка.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Объясните с точки зрения теории химического равновесия, почему

?при рН > 8 гидратация СО2 облегчается.

2.Как получить Na2CO3 разными способами? Ответ поясните.

3.Объясните гидролиз Rb2CO3. Какова реакция среды при растворении этой соли?

4.При взаимодействии карбоната калия с 14 г раствора НСl с массовой

долей 29,57% выделилось 2,2 г СО2. Какова масса К2СО3, вступившего в реакцию? Полностью ли израсходована кислота?

Ответ: 6,9 г; 0,489 г НСl в избытке.

5.Образец карбоната натрия массой 10 г растворили в воде и к полученному раствору прибавили 20 г раствора серной кислоты с массовой долей 49%. Раствор нагревали до полного удаления СО2, затем избыток

?кова массовая доля (%) Na2CO3 в образце?

Ответ: 79,5%.

6.Смесь карбонатов магния и кальция массой 14,2 г обработали избыт-

ком серной кислоты. Масса выделившегося СО2 равна 6,6 г. Какова массовая доля (%) кальция в смеси?

Ответ: 28,17%.

7.К 50 г раствора хлорида кальция прибавили избыток раствора карбоната натрия. Выделившийся осадок отфильтровали, высушили и про-

калили. Масса полученного остатка равна 1,4 г. Какова массовая доля

(%) СаСl2 в исходном растворе?кислоты нейтрализовали 56 г раствора КОН с массовой долей 5%. Ка-

Ответ: 5,55%.

8.Смесь карбоната и гидрокарбоната натрия массой 19 г нагревали до прекращения выделения газа. Масса остатка равна 15,9 г. Определите массовую долю (%) компонентов смеси.

Ответ: 55,79% Na2CO3; 44,21% NaHCO3.

9.Смесь карбоната и гидрокарбоната натрия массой 4,42 г нагревали до

прекращения выделения СО2, который пропустили через известковую воду. Образовавшийся осадок отделили и прокалили до постоянной массы, равной 1,12 г. Каковы массовые доли (%) карбоната и гидрокарбоната в смеси?

Ответ: 23,98% Na2CO3; 76,02% NaHCO3.

10.Образец карбоната кальция массой 5,84 г, содержащий примесь карбоната магния, обработали избытком раствора хлороводородной кис-

лоты. Объем выделившегося СО2 равен 1,344 л. Определите массовую долю (%) карбоната магния.

Ответ: 14,38%.

11.Смесь карбида кальция и карбида алюминия массой 2 г прогидролизовали водой, а выделившиеся газы пропустили через аммиачный раствор нитрата серебра. Масса образовавшегося осадка равна 4,8 г. Какова массовая доля (%) компонентов смеси?

Ответ: 64% CaC2; 36% Al4C3.

12.Осуществите следующие превращения:

Ca → CaO → CaC2 → C2H2 → CO2 → CO → HCOONa →

→ HCOOH → CO2 + H2O.

§ 5. Кремний

По распространенности кремний занимает второе место после кислорода. В природе наиболее распространен оксид кремния SiO2, называемый также кремнеземом, который встречается в виде песка, кварца. Другую группу природных соединений кремния составляют силикаты — производные кремниевой кислоты. Наиболее распространены алюмосиликаты, к которым относятся полевой шпат

(альбит) NaAlSi3O8, полевой шпат (ортоклаз) KAlSi3O8, глина (каолин) Al2O3 . 2SiO2 . 2Н2О, нефелин NaAlSiО4 и др.

Кремний — аналог углерода, но его неметаллические свойства выражены слабее, чем у углерода. Для него более характерно sp2- гибридное состояние, поэтому в соединениях кремний может проявлять степени окисления +4 и –4.

Кремний получают восстановлением SiO2 магнием: SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si

или цинком из SiCl4:

SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2.

В промышленности получают электрохимическим восстановлением оксида кремния (IV) коксом:

2С + SiO2 = Si + 2CO↑.

Свойства кремния и его соединений. Кремний образует два аллотропных видоизменения. В соответствии с sp3-гибридизацией у кремния наиболее устойчива алмазоподобная (кубическая) модификация. Кристаллы этой модификации имеют темно-серый металлический блеск, проводят электрический ток. Аморфный кремний — бурый порошок.

Кристаллический кремний химически сравнительно инертен, а аморфный более реакционноспособен.

Кремний реагирует только с сильными окислителями и восстановителями.

С фтором реакция протекает уже при обычных условиях, с кислородом и хлором — при 400–600 oС:

Si + 2F2 = SiF4; Si + 2С12 = SiCl4; Si + O2 = SiO2.

При очень высоких температурах способен соединяться с углеродом и азотом:

Si + С = SiC; 3Si + 2N2 = Si3N4. Щелочи окисляют кремний до солей кремниевой кислоты:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiО3 + 2H2↑.

С водой кремний взаимодействует при высоких температурах:

Si + 3Н2О(г) = H2SiO3 + 2H2↑.

Кремний растворим во многих металлах. С некоторыми из них — Sn, Al, Zn, Pb, Au, Ag — химически не взаимодействует. С другими же металлами, например с Mg, Ca, Cu, Fe, Pt, Bi, реагирует с образованием силицидов:

2Са + Si = Ca2Si.