С, Si – неметаллы, Ge, Sn, Рb – металлы. Эти элементы образуют оксиды типа ЭО и ЭО2, водородные соединения ЭН4. Высшие оксиды углерода и кремния обладают кислотными свойствами, оксиды остальных элементов амфотерны.

Проявляет высшую степень окисления +4, низшую степень окисления -4.

В природе в виде соединений CaCO3 – мел, CaCO3∙MgCO3 – доломит и др. Аллотропные модификации: аморфные – уголь, сажа, нанопен; кристаллические – алмаз, графит, фуллерен, нанотрубка, лонсдейлит, церафит. Углерод и его соединения входят в состав каменного угля, нефти и природного газа.

При обычной температуре углерод малоактивен, при нагревании взаимодействует со многими простыми и сложными веществами, может проявлять окислительно-восстановительные свойства.

51

Химические свойства

1.Восстановительные свойства проявляются при взаимодействии

снеметаллами.

С+ О2 → CO2↑ – углекислый газ; 2С + О2 → 2СО↑ – угарный газ;

С+ 2S → СS2↑ – сероуглерод; 2С + N2 → (CN)2↑ – дициан;

С+ СО2 → 2СО↑.

Углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов (это свойство применяется в металлургии).

С+ СuO → Cu + CO↑; 2C + РbO2 → Рb + 2СО↑.

При взаимодействии с водой образуется водяной газ.

С+ Н2Опар → СО + H2 – водяной газ.

2. Окислительные свойства проявляются при взаимодействии с металлами с образованием карбидов, оксидами металлов и водородом.

4Al + 3C → Al4С −4 ;

3

Ca + 2C → CaС −2 ;

CaO + 3C → CaC2 + CO↑;

C + 2H2 → С–4Н4↑.

Применение

Углерод широко используется в производстве чугуна, стали, для получения кремния, металлов, карбидов. Сажа применяется в производстве резины, пластмасс; графит – в изготовлении электродов, нагревательных элементов. Алмазы – драгоценные камни, применяются для изготовления режущего и шлифовального инструмента. С

– хороший адсорбент. Активированный уголь широко используется в медицине.

Оксиды углерода (II) и (IV)

CO – оксид углерода (II) (угарный газ). Бесцветный газ, без запаха, токсичен.

52

СО2 – оксид углерода (IV) (углекислый газ). Бесцветное вещество, без запаха, обладает легким наркотическим воздействием.

Получение

тельно-восстановительные реакции с простыми и сложными веществами.

2СО + О2 → 2СО2↑; СО + Сl2 → COCl2↑;

3CO + Fe2O3 → 3CO2 + 2Fe;

Ni + 4CO → Ni(CO)4 – тетракарбонил никеля; СО + NH3 → HCN + H2O.

циановодородная кислота СО2 – кислотный оксид. При взаимодействии с водой образует

неустойчивую слабую угольную кислоту. СО2 + Н2О → Н2СО3;

При взаимодействии с металлами образуется углерод. CO2 + 2Mg → 2MgO + C.

Угольная кислота Н2СО3 – слабая, двухосновная кислота. Диссоциирует в 2 ступени, образует средние и кислые соли.

53

Средние соли – карбонаты. Na2CO3, K2CO3, (NH4 )2СО3 – растворимые в воде. СаСО3, MgCO3, BaCO3 – нерастворимые.

MgCO3¾¾t® MgO + CO2↑;

CaCO3(кр) + 2HCl(конц.) → CaCl2 + H2O + CO2↑.

Кислые соли – гидрокарбонаты. NaHCO3, Mg(HCO3)2, Са(HCO3)2

– растворимые в воде:

Ca(HCO3)2 ¾¾t® СаСО3↓+ H2O + CO2↑; NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2↑; Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ +2H2O.

Применение

Li2CO3 используется при отложении солей, NaHCO3 – пищевая сода, Na2CO3, K2CO3, СаСО3 – в химической и пищевой промышленности, медицине, в быту, строительстве, производстве стекла, мыла и др.

Задача 1. Для сжигания 10 м3 угарного и углекислого газов израсходовали 20 м3 воздуха. Определите объемную долю (в %) угарного газа в исходной смеси.

Решение:

Найдем объем кислорода, необходимый для сжигания (объемная доля кислорода в воздухе ϕO2 = 21% )

VO2 = ϕO2 × Vвозд. = 0,21× 20 = 4,2 м3 .

В реакцию с кислородом вступает только угарный газ СО. За-

Найдем объемную долю угарного газа в смеси

54

Ответ: 84 %.

Задача 2. Определите химическую формулу вещества, в состав которого входят 62,5 % кальция и 37,5 % углерода (по массе).

Решение:

Обозначим формулу соединения СахСу. Возьмем массу соединения равную mв-ва= 100 г. Тогда масса кальция и углерода будет равна соответственно

mCa = ωCa × mв−ва = 0,625×100 = 62,5 г;

mC = ωC × mв−ва = 0,375×100 = 37,5 г .

Количества веществ кальция и углерода составят:

Найдем отношение количеств веществ кальция и углерода:

nСa : nС = 1,56 : 3,12 .

Разделив правую часть на меньшее число (1,56), получаем:

nСa : nС = 1: 2 .

Следовательно, формула соединения СаС2.

Ответ: СаС2.

Задача 3. При пропускании оксида углерода (IV) через раствор массой 200 г с массовой долей гидроксида кальция 0,148 % вначале выпал осадок, а затем он начал растворяться. Какой минимальный объем СО2 (н.у.) надо пропустить через раствор для образования и полного растворения осадка? Какая масса твердого вещества выпадет в осадок при кипячении полученного раствора?

Решение:

При пропускании СО2 через раствор Са(ОН)2 образуется осадок карбоната кальция СаСО3, который при дальнейшем пропускании СО2

55

будет растворяться, так как образуется кислая соль – гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2.

Запишем уравнение реакции:

Найдем массу Са(ОН)2, содержащегося в растворе

mCa(OH)2 = ωCa(OH)2 × mр−ра = 0,00148× 200 = 0,296 г .

Составим пропорцию:

74 г Са(ОН)2 → 44,8 л СО2

0,296 г Са(ОН)2 → х л СО2

Отсюда x = 0,296 × 44,8 = 0,1792 л =179,2 мл. 74

Найдем массу Са(НСО3)2:

74 г Са(ОН)2 → 162 г Са(НСО3)2 0,296 г Са(ОН)2 → х г Са(НСО3)2

Отсюда x = 0,296 ×162 = 0,648 г. 74

При кипячении полученного раствора образуется осадок СаСО3: 0,648 г х г

Са(НСО3)2 ¾¾t0® СаСО3↓ + Н2О + СО2↑

56

Кремний и его соединения

Кремний – темно-серое вещество со стальным блеском, твердое (царапает стекло), проявляет полупроводниковые свойства.

В природе встречается в виде кремнезема SiO2 (минерал кварц, кварцевый песок, горный хрусталь, кремень, яшма, агат, хрусталь, основной компонент любого песка), соли-силикаты (асбест, тальк), алюмосиликаты (полевой шпат, каолин, слюда, нефелин).

Химические свойства

1.Взаимодействие с простыми веществами:

– с галогенами (галогениды) Si + 2Cl2 ¾¾t® SiCl4;

– с кислородом (оксиды) Si + O2 ¾¾t® SiO2;

– с азотом ( нитриды) 3Si + 2N2 ¾¾t® Si3N4;

– с углеродом (карбид) Si + C ¾¾t® SiC (карборунд);

– с металлами (силициды) Si + 2Mg → Mg2Si. Силициды разлагаются кислотами:

Mg2Si + 2H2SO4 → 2MgSO4+ SiH4↑(силан).

2.Взаимодействие со сложными веществами:

–с плавиковой кислотой

Si + 4HF → SiF4 + 2H2↑;

3Si + 12HF + 4HNO3 → 3SiF4 + 4NO↑ + 8H2O. Хранить HF в стеклянной посуде нельзя.

–со щелочами Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2↑;

–с оксидами Si + 2MgO → 2Mg + SiO2.

Оксид кремния и кремниевая кислота. Оксид кремния (IV) SiO2 (кремнезем) – твердое тугоплавкое вещество (tпл.=1713°С), нерастворимо в воде, кислотный оксид, реагирует при нагревании или сплавлении, образуя силикаты:

SiO2 + Na2O → Na2SiO3;

SiO2 + Ca(OH)2 → CaSiO3 + H2O;

SiO2 + CaCO3 → CaSiO3 + CO2↑.

57

Полученные искусcтвенным путем Na2SiO3 и K2SiO3 – растворимое стекло – сильно гидролизованы. Их концентрированный раствор (жидкое стекло) имеет сильнощелочную реакцию.

Жидкое стекло применяют для изготовления несгораемых тканей, пропитки дерева, изготовления клея и т.д.

Из SiO2 получают карборунд SiC: SiO2 + 3C → SiC + 2CO↑.

Благодаря твердости карборунд применяют для изготовления точильных камней и шлифовальных кругов.

Кремниевая кислота Н2SiO3 – очень слабая кислота. В воде нерастворима, но легко образует коллоидные растворы. Получают ее из растворимых силикатов, действуя более сильной кислотой, даже угольной:

K2SiO3 + 2HCl → H2SiO3↓ + 2KCl; Na2SiO3 + H2O + CO2 → H2SiO3↓ + Na2CO3.

H2CO3

При обычных условиях медленно, а при нагревании быстрее разлагается на воду и SiO2:

H2SiO3 ¾¾t® H2O + SiO2.

Применение

Из природных соединений кремния получают стекло, керамику, цемент.

Стекло. Сырьем для стекла служит сода Na2CO3, известняк CaCO3 и песок SiO2. Получают обычное оконное стекло по реакции:

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2O∙СaO∙6SiO2 + 2CO2↑.

Для получения огнеупорного стекла добавляют BaO, РbО, В2О3; синего стекла – СoО; зеленого стекла – Cr2O3; хрустального стекла – РbО.

Цемент – смесь силикатов кальция, алюминия, железа (III). В промышленности цемент получают спеканием глины и известняка СаСО3. При добавлении песка или щебня получают бетон, при добав-

58

лении каркаса из железных прутьев – железобетон (железобетонные панели, блоки перекрытий – основа современного строительства).

Задача 1. Смесь кремния и угля массой 20 г обработали избытком концентрированного раствора щелочи. В результате реакции выделился водород объемом 13,44 л (н.у.). Определите массовую долю кремния в исходной смеси.

Решение:

В растворе щелочи растворяется только кремний. Запишем

Ответ. 42 %.

Задача 2. Представьте с помощью химических уравнений следующие превращения

¾¾1® Si¾¾2® Mg2Si¾¾3® SiH4

SiO2

¾¾4® K2SiO3¾¾5® H2SiO3.

Решение:

1. Для получения кремния используют кокс в качестве восстановителя:

59

SiO2 + 2C → Si + 2CO↑.

2.При нагревании с магнием образуется силицид магния Si + 2Mg ¾¾t® Mg2Si.

3.При разложении Mg2Si кислотами образуется газ – силан SiH4: Mg2Si + 2H2SO4 → 2MgSO4 + SiH4↑.

4.При сплавлении или нагревании с концентрированными щелочами кремнезем образует соли (силикаты)

2КOH + SiO2 → К2SiO3 + H2O.

5.При взаимодействии силикатов с растворами кислот (даже

угольной) образуется кремниевая кислота: К2SiO3 + 2HCl → 2КCl + H2SiO3↓.

Задача 3. Почему концентрированные растворы Na2SiO3 и K2SiO3 (жидкое стекло) имеют сильнощелочную реакцию?

Решение:

Растворимые силикаты натрия и калия в водном растворе сильно гидролизованы, так как они образованы сильным основанием (NaOH, KOH) и слабой кислотой. Гидролиз идет по иону слабого электролита, т.е. по аниону. Гидролиз идет по I ступени.

NaOH – сильный электролит

Na2SiO3

H2SiO3 – слабый электролит

Na2SiO3 →2Na+ + SiO32–

←

В ионном виде уравнение реакции гидролиза по I ступени имеет вид:

I. SiO32– + HOH →HSiO3– + OH–.

←

Полное ионное уравнение:

2Na+ + SiO32– + HOH →2Na+ + HSiO3– + OH–.

←

В молекулярном виде: Na2SiO3 + H2O →NaHSiO3 + NaOH.

←

Как видно из уравнений гидролиза, в растворе образуются гид- рокисд-ионы, которые и обуславливают щелочную среду (pH >7).

60