V. Элементы группы iva. Углерод. Кремний

V.1. Углерод

Элементы IV A имеют внешнюю электронную оболочку ns²np². Углерод в своих соединениях проявляет степени окисления – (-4), ( +2) и (+4), кремний – (–4) и (+4).

Важнейшее применение углерода – использование его в качестве восстановителя для получения металлов из оксидов, например:

2СuO + C = 2Cu + CO₂.

Кроме того, углерод находит широкое применение в качестве адсорбента в виде специальным образом приготовленного активированного угля. Оксид углерода (IV) – бесцветный газ. В лабораторных условиях его получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами.

Сильные восстановители, например Мg, при нагревании могут окисляться диоксидом углерода:

2Мg + СО₂ = 2МgО + С.

Растворяясь в воде, углекислый газ взаимодействует с ней, образуя угольную кислоту, существующую только в водных растворах. Раствор представляет собой обратимую равновесную систему:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-↔ 2Н⁺ + СО₃^2-.

При нагревании равновесие смещается в сторону образования СО₂, в присутствии щелочей – в сторону образования карбонат-ионов. Двухосновная угольная кислота является слабой и образуют два вида солей – карбонаты и гидрокарбонаты. Карбонаты щелочных металлов, (кроме лития) и аммония, хорошо растворимы в воде. Карбонаты щелочноземельных металлов в воде малорастворимы. При пропускании через суспензию карбонатов щелочноземельных металлов углекислого газа образуются растворимые гидрокарбонаты:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Гидрокарбонаты при кипячении или упаривании растворов превращаются в карбонаты:

Са(НСО₃)₂ → СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂↑.

Растворимые соли угольной кислоты подвергаются гидролизу:

СО₃^2- + Н₂О ↔ НСО₃↓ + ОН^-.

В настоящей работе восстановительные свойства углерода изучаются при его взаимодействии с оксидом меди (II) (опыт 2). Адсорбционные – при взаимодействии с красителем индигокармином (опыт 1). Окислительные свойства углерода (IV) иллюстрируются реакцией горения магния в атмосфере СО₂ с образованием белого порошка MgO и черных крупинок углерода (опыт 3).

Растворимость карбонатов и гидрокарбонатов щелочноземельных металлов и гидролиз средних и кислых карбонатов натрия исследуются в опыте 4.

Опыт 1. Адсорбционные свойства угля. Заполните делительную воронку активированным углем и закрепите ее в лапке штатива. В стакан с водопроводной водой добавьте 2-3 капли раствора красителя индигокармина. Полученный раствор пропустите через воронку. Объясните, почему фильтрат не окрашен? Чем отличается активированный уголь от обычного?

Опыт 2. Восстановительные свойства углерода. В фарфоровой ступке тщательно разотрите примерно по 2 г CuO и угля. Поместите смесь в сухую пробирку и нагрейте докрасна в течение 10 минут. Охладив пробирку, высыпьте содержимое на бумагу.

Опыт 3. Свойства оксида углерода (IV). Из аппарата Киппа заполните коническую колбу емкостью 100 мл диоксидом углерода. С помощью горящей лучинки убедитесь, что колба заполнена. Возьмите тигельными щипцами небольшой кусочек ленты магния, зажгите ее и опустите в колбу с диоксидом углерода.

Опыт 4. Свойства солей угольной кислоты

4.1. Растворимость карбоната и гидрокарбоната кальция. В цилиндрическую пробирку на ⅓ ее объема налейте насыщенный раствор Ca(OH)₂ (известковую воду). Пропускайте в раствор ток углекислого газа из аппарата Киппа. Наблюдайте выпадение, а затем растворение осадка. Нагрейте пробирку с полученным раствором и наблюдайте выпадение осадка. Напишите уравнение реакции взаимодействия известковой воды с CO₂.

4.2. Гидролиз солей. Налейте в пробирку на ⅓ ее объема раствор гидрокарбоната натрия и определите его рН (индикатором или рН-метром). Нагрейте раствор на кипящей водяной бане. Напишите уравнения реакции гидролиза гидрокарбоната натрия. Укажите рН его раствора. Почему рН раствора изменился после нагревания?

Задачи

1. При пропускании 2 м³ воздуха через избыток раствора Са(ОН)₂ образовалось 3 г СаСО₃. Какого содержание (г/л) СО₂ в данном образце воздуха?

2. При действии избытка соляной кислоты на карбонат кальция массой 25г получили оксид углерода (IV) массой 10 г. Определите выход продукта.

3. Рассчитайте растворимость ВаСО₃ в чистой воде, в 0,1М растворе ВаС1₂; в 0,001 М растворе Na₂CO₃.