Лабораторная работа № 10 элементы IV а группы. Углерод. Кремний

Теоретическая часть

В обычных условиях углерод весьма инертен, при высокой температуре он становится активным по отношению к большинству металлов и многим неметаллам.

При нагревании легко взаимодействует с кислородом воздуха:

С + О₂ = CO₂ + 94 ккал.

В лабораторных условиях СО₂ получают действием соляной кислоты на мрамор:

СаСО₃ + 2НС1 = CaCl₂ + СО₂^↑+ H₂O

Двуокись углерода (углекислый газ, углекислота) в промышленных условиях получается при обжигах извести:

СаСО₃ = CaO + CO₂↑

СО₂ – в обычных условиях бесцветный, довольно инертный ко многим элементам газ, сжимающийся при давлении 60 атм. При повышенных температурах взаимодействует с активными восстановителями:

СО₂ + 2Mg = 2MgO + С + 194 ккал

В воде диоксид углерода растворяется довольно хорошо (1:1 по объему). При растворении происходит его частичное взаимодействие с водой с образованием угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О ⇄ Н₂СО₃

Угольная кислота H₂СО₃ – очень слабая кислота и существует только в водных растворах. Как двухосновная кислота, диссоциирует на ионы в две ступени.

В свободном виде кремний в природе не встречается, получают его восстановлением диоксида кремния углеродом при высоких температурах:

SiO₂ + 2С = Si +2CO^↑

Кислоты на кремний при обычных условиях не действуют (за исключением смеси HF и НNО₃), щелочи переводят его в соли кремниевой кислоты (H₂SiO₃):

Si + 2NaOH + H₂O=Na₂SiO₃+2H₂

Кремниевая кислота существует в виде нескольких форм:

H₄SiO₄ (2H₂O·SiO₂) – ортоформа;

H₂SiO₃ (H₂O·SiO₂) – метаформа;

H₂Si₂O₅ (H₂O·2SiO₂) – двуметаформа

и т.д. Все эти формы кремниевой кислоты неустойчивы и довольно легко образуют неорганические полимеры с общей формулой xSiO₂*yH₂O, называемые поликремниевыми кислотами.

Кремниевые кислоты слабее угольной. Метакремниевая кислота диссоциирует по схеме:

1. H₂SiO₃ → H⁺ + HSiO^3-, K₁=2·10^-10

2. HSiO₃ → H⁺ + SiO^2-, К₂ =1·10^-12

Так как SiO₂ не растворим в воде, кремниевые кислоты получают косвенным путем. Например:

CaSiO₃ + Н₂SO₄ ⁼ H₂SiO₃ + CaSO₄.

Наибольший интерес из неорганических соединений кремния представляют соли кремниевой кислоты. Они входят в состав стекла, цемента и множества других материалов.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Образование солей угольной кислоты

1. В пробирку налить 10...15 капель известковой воды Са(ОН)₂ и пропустить через нее ток углекислого газа из аппарата Киппа. Вначале в пробирке образуется осадок (раствор помутнеет), а затем образовавшийся осадок исчезает (одна из реакций "открытия" углекислого газа). Написать уравнения реакций и объяснить происходящие явления.

2. Полученный в п. 1 раствор разделить в 2 пробирки. Одну пробирку нагреть, а в другую добавить известковой воды. Что наблюдается? Написать уравнения реакций и объяснить происходящие явления.

Опыт 2. Свойства угольной кислоты

1. В 4 пробирки поместить по одному микрошпателю: в одну –MgCO₃, в другую – CaCO₃ , в третью – NaHCO₃ , в четвертую – Na₂CO₃. В каждую прилить по 5 капель 1 н раствора НСl. Выделение СО₂ сопровождается шипением. Составить уравнения реакций.

2. В 3 пробирки налить по 4 капли растворов солей: в одну – CaCl₂, в другую – ВаС1₂ , в третью – Pb(NO₃)₂ . Прилить по 4 капли раствора Na₂CO_3. Что наблюдается? Составить уравнения реакций.

3. Испытать действие растворов солей NaHCO₃, Na₂CO₃, К₂СО₃ на универсальную лакмусовую бумажку. По шкале рН определить значения рН. В первом случае реакция среды слабощелочная, во втором и третьем – сльнощелочная. Почему? Составить уравнения реакций гидролиза этих солей.

4. В 2 пробирки налить по 2 мл дистиллированной воды и по 3 капли раствора фенолфталеина. Затем внести несколько крупинок соли в одну –Na₂CO₃, в другую – NaHCO_3. Объяснить, почему окраска растворов различна.

Опыт 3. Взаимодействие соли кремниевой кислоты с кислотой и кислотным оксидом

1. В пробирку налить 5 мл концентрированного раствора силиката натрия (растворимого стекла) и добавить 3 мл 20 % раствора НСl. Что получается? Составить уравнения реакции.

2. В пробирку налить 5 мл растворимого стекла и пропускать в нее из аппарата Киппа двуокись углерода до появления студнеобразного осадка. Каков состав осадка? Составить уравнение реакции.

Опыт 4. Гидролиз солей кремниевой кислоты

В пробирку влить 2...3 мл силиката натрия и добавить 1...2 капли раствора фенолфталеина. Как изменилась окраска индикатора? Какая среда? Составить молекулярные и ионные уравнения реакции гидролиза.

Контрольные вопросы

1. Написать электронные формулы р-элементов IV А группы. На каких подуровнях находятся валентные электроны?

2. Окислительные или восстановительные свойства могут проявить С, СО, СО₂? Привести примеры соответствующих реакций.

3. Кислую, щелочную или нейтральную среду создают в водном растворе карбонаты щелочных металлов? Почему? Написать соответствующие уравнения реакций.

4. Какая соль более гидролизована в растворе одинаковой концентрации карбонат натрия или гидрокарбонат натрия? Почему? Написать соответствующие уравнения реакций.

5. Как получить соду, исходя из металлического натрия, соляной кислоты, мрамора и воды? Написать последовательно уравнения реакций.

6. Составить молекулярные и ионные уравнения реакции действия кремния на раствор щелочи.

7. Какие материалы и в каком количестве требуются для получения 1 т карборунда (SiC)?