22. Метан

Метан СН₄ (бесцветный газ) можно синтезировать по реакции, используя кроме нагрева еще и катализатор (Ni):

.

Однако на практике метан выделяют из природных газов (содержащих 60-90% СН₄), что гораздо дешевле.

Природные газы – это, например, рудничные, а также болотные. (Они получаются при разложении останков растений и животных в отсутствии кислорода.) Входит СН₄ и в состав коксового газа (образующегося при нагревании угля без доступа воздуха). Во многих странах действуют установки получения метана анаэробной тепловой (40-60°С) переработкой отходов животноводства. При этом одновременно гибнут болезнетворные микробы и исчезает неприятный запах навоза; таким образом, он превращается в безвредное и очень ценное удобрение для полей.

Молекула СН₄ является тетраэдром (sp³-гибридизация орбиталей углерода), т.е. симметричной частицей, поэтому (несмотря на полярность связей) неполярной. Как следствие, метан имеет низкую температуру сжижения (–162°С), практически не растворяется в воде и при об.у. химически достаточно инертен – не взаимодействует с растворами кислот и щелочей.

Однако его смеси с воздухом взрывоопасны, что часто бывает причиной несчастных случаев на угольных шахтах. Используется метан, в основном, как топливо, а также для получения водорода реакцией с парами воды (второй продукт – СО).

6.5. Кислородосодержащие соединения углерода

6.5.1. Общая характеристика и свойства

Из множества кислородосодержащих соединений углерода мы рассмотрим лишь СО (угарный газ, т.е. оксид углерода(II)), СО₂ (углекислый газ или оксид углерода(IV)), угольную кислоту и ее соли.

Молекулу угарного газа С формирует в s²p²-состоянии. При образовании же СО₂ атом углерода возбуждается, приобретая sp³-конфигурацию, т.е. имеет 4 неспаренных электрона на 4-х орбиталях. Две из них (s- и p_x-) дают две -связи с двумя О, а две другие (p_y- и р_z-) формируют два -перекрывания с р-орбиталями атомов кислорода. Но т.к. гибридизации подвергаются лишь орбитали, участвующие в-связях, то имеем sp-гибридизацию, а значит, молекула СО₂ линейна (рисунок 7) и потому (несмотря на полярность ХС в данной частице) она неполярна.

Тем не менее растворим в воде гораздо лучше углекислый газ (1 л в 1 л при 15°С), чем угарный (0,03 л в 1 л), хотя частица СО полярна. Бóльшая растворимость СО₂ объясняется тем, что его молекулы (в отличие от СО) при обычных условиях химически соединяются с водой, образуя угольную кислоту (отсюда название СО₂ – «углекислый газ»). Однако СО (в отличие от СО₂) при нагревании реагирует с водой по типу ОВР, проявляя восстановительные свойства:

.

Оксид углерода (II) восстанавливает также М из их оксидов (что используется в металлургии):

.

Угольная кислота. Слабая двухосновная кислота с химической формулой H2CO3. В чистом виде неустойчива. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде, в том числе и углекислого газа из воздуха. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды и др.

Карбонаты и их применение. Соли угольной кислоты гораздо устойчивее к отщеплению СО₂, чем сама кислота, и все выделены в свободном состоянии. Из средних солей хорошо растворимы лишь карбонаты ЩМ. Причем не только карбонаты, но и гидрокарбонаты ЩМ, гидролизуясь по аниону, создавают щелочную среду. Благодаря, в частности, этому, соли натрия и калия, выпускаемые содовым производством, находят широкое применение.

Например, питьевая сода (NaHCO₃) используется в медицине (от изжоги). В еще больших масштабах применяется поташ К₂СО₃ и особенно (как более дешевый продукт) кальцинированная сода Na₂CO₃ (получается кальцинацией, т.е. прокаливанием, NaHCO₃): в качестве стиральных порошков, для изготовления стекла, мыла и др. Поэтому содовое производство – одно из крупнейших в химической промышленности.

На практике широко используются и малорастворимые природные карбонаты кальция: известняк (для получения СаО и СО₂ и в качестве строительного камня), мрамор (как облицовочная плитка), мел (для побелки) и др.

24. Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты. Известны соли метакремниевой кислоты Н2SiO3 (SiO2•H2О) — силикаты, ортокремниевой кислоты H4SiO4 (SiO2•2H2O) — ортосиликаты и других кислот с различным числом SiO2•nH2О. Гидраты кремнезема с содержанием более 2Н2О на каждую молекулу SiO2 в индивидуальном состоянии, по-видимому, не существуют, однако известны многие их соли. В воде кремниевые кислоты образуют коллоидные растворы. Соли кремниевых кислот применяют в производстве бумаги, в текстильной промышленности, для обработки воды, как связующие материалы. Гели кремниевых кислот (силикагели) используют как адсорбенты и как отбеливающие материалы. Соли кремниевых кислот называют силикатами (силикаты широко распространены в природе). Оксид. Гидроксид. Соли

В отличие от газообразного СО₂ оксид кремния SiO₂ – твердое вещество (т.пл. выше 1700°С). Это объясняется большим (по сравнению с С) радиусом атома Si. Вследствие чего, во-1-ых, его p-орбитали не дают достаточно эффективного -перекрывания, а во-2-ых, «любимое» координационное число (к.ч.) кремния (т.е. число «соседей») равночетырем.

Поэтому все 4 валентных электрона каждого атома Si участвуют в образовании четырех -связей ( при sp³-гибридизации его орбиталей) с четырьмя атомами кислорода и т.о. к.ч.(Si) достигает 4. Это происходит благодаря обобществлению О соседними «молекулами» SiO₂, в результате чего формируются полимеры. Графическое изображение их фрагмента выглядит так:

Из-за стремления Si к четырехкратной координации свежеполученная растворимая кремниевая кислота H₂SiO₃ (в молекуле которой к.ч.(Si) всего лишь 3) тоже быстро полимеризуется. И как следствие, выпадает в осадок состава ²⁸(где n около 300). После его высушивания при об.у. получаетсясиликагель . Его можно обезводить (практически полностью), нагревая при 150°С.Силикагель очень инертен (недаром песок – конечный продукт выветривания²⁹горных пород). Он растворяется лишь во фтороводородной кислоте (из-за образованиялетучего SiF₄). А также реагирует со щелочью при сплавлении, давая т.н. «растворимое стекло» Na₂SiO₃. (Его водный раствор («жидкое стекло») – это силикатный (канцелярский) клей – очень щелочная среда).6.6.2. Нерастворимые стекла

Основа нерастворимых силикатных стекол – это тоже диоксид кремния. И сам SiO₂, если он имеет аморфную (неупорядоченную) структур, является стеклом, его называют кварцевым. Оно и механически прочное, и не трескается от перепада температур (раскаленный самовар, сделанный из этого стекла, бросали в холодную воду, и он оставался целым).

Однако кварцевое стекло имеет высокую т.пл. (>1500°), поэтому трудно из него готовить изделия. Чтобы этой трудности избежать, SiO₂ (песок) сплавляют (при 1400°С) с содой и известняком, получая обычное оконное стекло. Его примерный состав: Na₂O^.CaO^.6SiO₂, и такое стекло размягчается уже при 300°С.

Добавляя к нему окрашенные оксиды металлов (например, NiO зеленого цвета), создают цветные стекла; а вводя PbO – хрусталь. Небольшие количества селена или золота, равномерно распределенные в стекле, придают ему вид рубина.

При управляемой кристаллизации стекла образуется ситалл, который по прочности близок к чугуну, поэтому используется в строительстве вместо металла, керамики, бетона или дерева. Получено также пуленепробиваемое бронестекло (толщиной до 40 мм), оно состоит из нескольких слоев стекла, склеенных смолами.

Широко применяют и стеклянные волокна (в частности, оптические – в качестве световодов). В последнее время синтезированы светочувствительные стекла и стекла с саморегулирующейся светопроницаемостью (из них делают, например, светозащитные очки и глазные линзы); а также поглощающие радиацию и полупроводниковые стекла (с регулируемой проводимостью) и многие другие.