Углерод и Кремний: Часть 1

Конспект

Лекция: «Химия элементов. Углерод. Кремний.»

УГЛЕРОД

1. Характеристика углерода как химического элемента

Углерод является элементом второго периода IVА (главной) подгруппы таблицы Менделеева. В ядре атома углерода содержится 6 протонов, в нейтральном атоме на двух энергетических уровнях располагаются 6 электронов. Электронная конфигурация 1s^2 2s^2 2p^2 в основном состоянии. При переходе атома углерода в возбужденное состояние происходит распаривание электронов и приобретение конфигурации 1s^2 2s^1 2p^3 с четырьмя свободными электронами на внешнем энергетическом уровне.

Атом углерода проявляет степени окисления -4 , 0 , +2 , +4 ( Al_4C_3 – карбид алюминия; C – углерод, CO – угарный газ, CO_2 – углекислый газ).

image1 2. Свойства углерода как простого вещества

Углерод может существовать в виде множества аллотропных модификаций (алмаз, графит, графен, фуллерен, кокс/сажа/уголь и др.), каждая из которых обладает собственными физическими свойствами (Рис. 1).

image2 Алмаз: твердые прозрачные кристаллы, очень прочные и твердые. Алмаз не проводит электрический ток, но проводит тепло. Обладает особыми оптическими свойствами, имеет атомную кристаллическую решетку. Находит своё применение в ювелирном деле и резке стекла (за счёт высокой твердости).

Графит: серое твердое кристаллическое вещество. Мягкий и хрупкий материал, при этом очень хорошо проводит электрический ток и используется в изготовлении электродов, карандашных грифелей и не только.

Пример 1

Условие

Общее число электронов на внешнем электронном слое атома углерода в возбужденном состоянии равно ___.

Ответ 4

Пример 2

Условие

Степень окисления углерода в карбиде алюминия равна ___.

Ответ -4

3. Химические свойства углерода

Углерод сам по себе достаточно инертен, большинство реакций требует повышенных температур или специальных условий. Рассмотрим, с какими веществами углерод вступает в химические реакции.

1) С металлами

Углерод реагирует с некоторыми металлами с образованием бинарных соединений – карбидов. Углерод в карбидах имеет степень окисления -4 . Карбид алюминия нашел свое применение в синтезе метана – природного газа. 4Al + 3C \xrightarrow{t^\circC} \underset{карбид алюминия}{Al_4C_3^{\,\color{red}-4}} 2) С неметаллами

Углерод реагирует с большинством неметаллов, в результате реакций соединения получаются бинарные соединения. В реакции с водородом образуется CH_4 – метан, вещество, с которого начинается органическая химия углеводородов. C + 2H_2 \xrightarrow{t^\circC} \underset{метан} {CH_4 }

С кислородом образуются оксиды углерода. В зависимости от соотношения реагентов может получиться как оксид углерода (II) – угарный газ, так и оксид углерода (IV) – углекислый газ. 2C + O_2 \xrightarrow{t^\circC} \underset{угарный газ}{2CO}

\quad\quad

C + O_2 \xrightarrow{t^\circC} \underset{углекислый газ}{CO_2}

С кремнием также получается бинарное соединение, называемое карбидом кремния (или карборундом). Несмотря на то, что кремний является неметаллом, здесь он имеет положительную степень окисления ввиду меньшей электроотрицательности по сравнению с углеродом. C + Si \xrightarrow{t^\circC} Si^{\,\color{red}+4}C^{\,\color{red}-4} --- карбид кремния (карборунд)

Также известна реакция углерода с серой с образованием бинарного вещества CS_2 – сероуглерода. C + 2S \longrightarrow \underset{сероуглерод}{\overset{\color{red}+4}{\vphantom{S}}C\overset{\color{red}-2}{\vphantom{S}}S_2}

3) Восстановление металлов из оксидов

Углерод проявляет очень хорошие восстановительные свойства, что находит своё применение в промышленности для получения металлов из их оксидов. Реакции проводятся при повышенных температурах и в жестких условиях, таким образом можно получить металлы средней и малой активности. CuO + C \xrightarrow{t^\circC} Cu + CO Fe_2O_3 + C \xrightarrow{t^\circC} 2FeO + CO --- неполное восстановление, образование низшего оксида железа (II) Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t^\circC} 2Fe + 3CO --- полное восстановление до металла

При этом возможно частичное восстановление с образованием более низкого оксида металла. Реакция идет с образованием угарного газа.

4) Реакция с углекислым газом

Углерод при нагревании может реагировать с углекислым газом с образованием промежуточного оксида – угарного газа. C + CO_2 \xrightarrow{t^\circC} 2CO

4. Способы получения углерода

В промышленности углерод добывают в виде каменного или бурого угля в шахтах. Также углерод является продуктом высокотемпературной обработки природных углеводородов, добываемых из природного газа или нефти.

Пример 3

Условие

Выберите все вещества, с которыми углерод способен вступать в реакции при соответствующих условиях

водный раствор гидроксида натрия

вода

кремний

оксид магния

оксид калия

водород

Ответ 346

Соединения углерода

Угарный газ ( CO )

Наибольший интерес представляют оксиды углерода. Так CO – оксид углерода (II), монооксид углерода, угарный газ. Представляет собой бесцветный газ без запаха, при этом является ядовитым. Углерод находится в степени окисления +2 . В молекуле угарного газа присутствуют две ковалентные полярные связи, образованные по обменному механизму и одна «неполная» связь, образованная по донорно-акцепторному механизму.

image10 Образование дополнительной связи обусловлено наличие у атома кислорода неподеленной пары электронов на внешнем уровне, а у атома углерода – свободной орбитали. По классификации CO – несолеобразующий оксид.

Химические свойства угарного газа

1) С кислородом

При реакции с кислородом образуется высший оксид углерода (IV) – углекислый газ. 2CO + O_2 \longrightarrow 2CO_2

2) Восстановление металлов из оксидов

Аналогично углероду, угарный газ может быть использован в качестве восстановителя в промышленности для получения металлов. Реакция идет при повышенных температурах и давлении и сопровождается образованием углекислого газа. CuO + CO \xrightarrow{t^\circC} Cu + CO_2 ZnO + CO \xrightarrow{t^\circC} Zn + CO_2

3) Промышленный синтез метанола

Угарный газ нашел свое применение в синтезе органического метилового спирта – метанола. Для осуществления реакции необходимо соблюдение особых температурных условий и добавление вспомогательных веществ – катализаторов. Смесь угарного газа и водорода даже получила особое название – синтез-газ. CO + 2H_2 \xrightarrow{кат., t^\circC} CH_3OH --- метанол (метиловый спирт)

Пример 4

Условие

Выберите все наборы реагентов, в результате реакции между которыми возможно образование угарного газа:

Углерод и кислород

Оксид меди и углерод

Метанол и кислород

Углерод и водород

Углекислый газ и углерод

Ответ 125

Пример 5

Условие

Задана следующая схема превращений веществ:

image14 Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y .

1) железная окалина

4) оксид железа (III)

2) железо

5) гидроксид железа (II)

3) оксид железа (II)

6) углекислый газ

Ответ

X

Y

3

1

Углекислый газ ( CO_2 )

Высшим оксидом углерода является CO_2 – оксид углерода (IV), диоксид углерода, углекислый газ. Углекислый газ не имеет цвета и запаха, содержится в атмосфере в небольших количествах и является безопасным для человека. Однако большое его содержание в воздухе оказывает пагубное влияние на организм и вызывает проблемы со здоровьем, в первую очередь, с дыхательной системой. Углекислый газ не поддерживает горение, поэтому может использоваться для тушения пожаров (углекислотный огнетушитель).

image15 Молекула имеет линейное строение и является неполярной. Углерода находится в высшей степени окисления +4 . Все связи ковалентные полярные.

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ по классификации является кислотным оксидом, поэтому проявляет типичные свойства кислотного оксида. CO_2 соответствует угольной кислоте H_2CO_3 , которая образует средние соли – карбонаты ( CO_3^{2-} ) и кислые соли – гидрокарбонаты ( HCO_3^{-} ).

1) Взаимодействие с водой

Углекислый газ обладает хорошей растворимостью в воде. При этом образуется слабая угольная кислота, которая частично распадается на воду и CO_2 , поэтому данный процесс можно считать равновесным. CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 --- угольная кислота

2) С кислотными оксидами

С основными оксидами CO_2 вступает в реакцию соединения с образованием средних солей – карбонатов.

CO_2 + Na_2O \longrightarrow Na_2CO_3 CO_2 + CaO \longrightarrow CaCO_3

3) С основными гидроксидами

С основными гидроксидами углекислый газ также образует соли. В зависимости от соотношения реагентов могут образовываться как средние, так и кислые соли. В избытке основания образуются средние соли, а в избытке углекислого газа – кислые (гидрокарбонаты). CO_2 + \underset{\color{red}(изб.)}{2KOH} \longrightarrow K_2CO_3 + H_2O \quad\Big\}\quad CO_3^{2-} --- карбонаты (средние соли) \underset{\color{red}(изб.)}{CO_2} + KOH \longrightarrow KHCO_3 \quad\Big\}\quad HCO_3^{-} --- гидрокарбонаты (кислые соли)

4) Образование гидрокарбонатов из карбонатов

Добавление углекислого газа к растворам карбонатов сопровождается превращением карбонат-аниона в гидрокарбонат-анион. В некоторых случаях реакции могут сопровождаться растворением осадков, как, например, растворение карбоната кальция. CO_2 + H_2O + K_2CO_3 \longrightarrow 2KHCO_3 \quad {\color{red}--- нет видимых признаков} CO_2 + H_2O + CaCO_3 \longrightarrow Ca(HCO_3)_2 \quad {\color{red}--- растворение осадка}

5) Фотосинтез

Углекислый газ участвует в процессе фотосинтеза. Клетки хлорофилла растений на свету способны перерабатывать углекислый газ в кислород. Соответствующая химическая реакция сопровождается образованием органических продуктов. 6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{h\nu} C_6H_{12}O_6 + 3O_2

Способы получения углекислого газа

1) Реакции обмена

Образующаяся в результате реакций обмена угольная кислота сразу же разлагается на воду и углекислый газ. Это очень хорошо заметно при проведении лабораторного опыта в пробирке – появляются шипящие пузырьки газа. Очень часто такие реакции используют для качественного определения карбонат-анионов. Na_2CO_3 + H_2SO_4 \longrightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow \quad {\color{red}--- выделение газа без цвета и запаха} CO_3^{2-} + 2H^+ \longrightarrow H_2O + CO_2 {\color{red}сокращенное ионное уравнение реакции}

Можно использовать нерастворимые карбонаты и растворы сильных неорганических кислот – осадок растворяется и выделяется углекислый газ. CaCO_3 + 2HCl \longrightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow \quad {\color{red}--- выделение газа без цвета и запаха, растворение осадка} CaCO_3 + 2H^+ \longrightarrow H_2O + CO_2 + Ca^{2+} {\color{red}сокращенное ионное уравнение реакции} 2) Разложение карбонатов

Большинство карбонатов являются нерастворимыми, при их нагревании происходит термическое разложение на оксид металла и CO_2 . Карбонаты щелочных металлов не разлагаются!

image23 3) Разложение гидрокарбонатов

Гидрокарбонаты разлагаются на карбонаты, углекислый газ и воду. 2KHCO_3 \xrightarrow{t^\circC} K_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow

Пример 6

Условие

Из предложенного перечня выберите два вещества, взаимодействию которых соответствует сокращённое ионное уравнение 2H^+ + CO_3^{2-} = CO_2 + H_2O.

сероводородная кислота

фтороводородная кислота

бромоводородная кислота

карбонат бария

карбонат лития

карбонат кальция

Запишите номера выбранных ответов.

Ответ 35

Пример 7

Условие

Установите соответствие между реагирующими веществами и признаком протекающей между ними реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Na_2CO_3 и HCl

Na_2CO_3 и CaCl_2

HI и AgNO_3

ПРИЗНАК РЕАКЦИИ

выпадение жёлтого осадка

выпадение белого осадка

выпадение бурого осадка

выделение бесцветного газа

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ 421

Цепочка (Углерод)

углерод \longrightarrow метан \longrightarrow углекислый газ \longrightarrow карбонат бария \longrightarrow Ba(HCO_3)_2 \xrightarrow{+HCl} X_1 \longrightarrow угарный газ \longrightarrow цинк.

C \xrightarrow{1} CH_4 \xrightarrow{2} CO_2 \xrightarrow{3} BaCO_3 \xrightarrow{4} Ba(HCO_3)_2 \xrightarrow[+HCl]{5} X_1 \xrightarrow{6} CO \xrightarrow{7} Zn. C + 2H_2 \xrightarrow{t^\circC} CH_4 .

CH_4 + 2O_2 \longrightarrow CO_2 + 2H_2O .

CO_2 + BaO \longrightarrow BaCO_3 .

BaCO_3 + H_2O + CO_2 \longrightarrow Ba(HCO_3)_2 .

Ba(HCO_3)_2 + 2HCl \longrightarrow BaCl_2 + 2H_2O + 2CO_2 .

CO_2 + C \xrightarrow{t^\circC} 2CO .

CO + ZnO \xrightarrow{t^\circC} Zn + CO_2 .

КРЕМНИЙ

1. Характеристика кремния как химического элемента

Кремний находится в третьем периоде IVА (главной) подгруппы таблицы Менделеева. В ядре атома углерода содержится 14 протонов, в нейтральном атоме на трёх энергетических уровнях располагаются 14 электронов. Электронная конфигурация 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2 в основном состоянии. Кремний является основным компонентом неживой природы Земли, входит в состав большинства минералов и горных пород, в индивидуальном виде не встречается.

Кремний имеет степени окисления -4 , 0 , +4 . В степени окисления -4 образует бинарные соединения с металлами – силициды ( Mg_2Si ). Соединение кремния с водородом является ядовитым газом с запахом чеснока и имеет название «силан». Степень окисления +4 характерна для атома кремния в диоксиде ( SiO_2 ), кремниевой кислоте и её производных – силикатах ( Na_2SiO_3 ).

image28 2. Свойства кремния как простого вещества

Сам по себе кремний внешне сильно напоминает металл – твердое вещество, имеющие красивый серебристый блеск. Является очень легким, но при этом прочным, обладает свойствами полупроводника. Из-за значений электроотрицательности и других физико-химических свойств кремний всё же относится к неметаллам.

Пример 8

Условие

Общее число электронов на всех p -орбиталях в атоме кремния равно ____.

Ответ 8

3. Химические свойства кремния

Кремний достаточно инертен, однако способен реагировать с некоторыми простыми и сложными веществами, чаще всего при жестких условиях.

1) Получение силицидов

Реакция кремния с металлами возможна при высоких температурах и сопровождается образованием силицидов, кремний принимает степень окисления -4 . Силициды способны гидролизоваться в воде и водных растворах кислот, при этом образуется газ силан ( SiH_4 ). Силан способен к окислению кислородом, образуется оксид кремния (IV) и вода. 2Mg + Si \xrightarrow{t^\circC} \underset{\substack{силицид\\магния}}{Mg_2\overset{\textcolor{red}{-4}}{Si}}

Mg_2Si + 4HCl \longrightarrow 2MgCl_2 + \underset{силан}{\overset{\textcolor{red}{-4}}{Si}}H_4\uparrow \textcolor{red}{- ядовитый газ с запахом чеснока} SiH_4 + 2O_2 \longrightarrow SiO_2 + 2H_2O. 2) Реакции с неметаллами

Стоит отметить, что образование силана из простых веществ невозможно! Именно поэтому используется описанный ранее способ получения силана из силицидов. С другими неметаллами кремний вступает в реакции в особых условиях: повышенные температуры, катализаторы и др. С кислородом образуется диоксид кремния ( SiO_2 ), с углеродом – карбид кремния ( SiC ), а с фтором и хлором – фториды и хлориды кремния соответственно ( SiF_4 , SiCl_4 ).

image30 По отношению к остальным неметаллам кремний химически инертен.

3) Растворения кремния в щелочах

Кремний способен реагировать с щелочами, реакция сопровождается растворением твердого вещества и выделением бесцветного газа – водорода. Si + 2NaOH + H_2O \longrightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2 \textcolor{red}{- растворение осадка и выделение газа}

4) Растворение кремния в плавиковой кислоте

Кремний сохраняет химическую устойчивость ко всем сильным неорганическим кислотам и даже кислотам-неокислителям. Единственная кислота, растворяющая кремний – фтороводородная (плавиковая). При этом в зависимости от эквивалента кислоты возможно образование фторида кремния ( SiF_4 ) или гексафторкремниевой кислоты ( H_2SiF_6 ).

image32 4. Способы получения и применение кремния

В промышленности кремний получают восстановлением из диоксида SiO_2 в ходе спекания с углеродом. 2C + SiO_2 \xrightarrow{t^\circC} Si + 2CO

Кремний благодаря свойствам полупроводника активно используется в электронике. Аморфные соединения кремния (кремниевая кислота, силикаты) формируют основу глины, стёкол, гелей и различных клейстеров.

Пример 9

Условие

Какие два утверждения верны для характеристики как углерода, так и кремния?

На втором энергетическом уровне атомов элемента находятся 4 электрона.

Электроны в атоме расположены на трёх электронных слоях.

Простое вещество при нормальных условиях является твёрдым веществом.

Электроотрицательность атомов элемента больше, чем электроотрицательность атомов серы.

Химический элемент образует высший оксид с общей формулой ЭO_2 .

Запишите в поле ответа номера выбранных утверждений.

Ответ 35

Пример 10

Условие

Выберите все вещества, способные реагировать с кремнием при определенных условиях:

фосфорная кислота

кислород

водород

гидроксид лития

гидроксид алюминия

Ответ 24

Диоксид кремния

SiO_2 – диоксид кремния, оксид кремния (IV) является высшим и единственным оксидом кремния. По классификации относится к кислотным оксидам и соответствует кремниевой кислоте ( H_2SiO_3 ), формирует соли – силикаты ( Na_2SiO_3 ). Ввиду большой распространенности диоксида кремния в земной коре можно столкнуться с множеством его названий – кремнезём, кварцевый песок, силикагель и др.

Химические свойства SiO_2

1) Не реагирует с водой!

Как известно, «песок» не способен вступать в реакцию с водой, а потому и диоксид кремния также не реагирует с водой, несмотря на то что обратная реакция разложения кремниевой кислоты на оксид и воду возможна (см. далее).

image35 2) С основными оксидами и гидроксидами

Поскольку SiO_2 является типичным кислотным оксидом, он способен реагировать с основными оксидами и гидроксидами с образованием соответствующих солей – силикатов ( SiO_3^{2-} ). Образование силикатов особо важно, так как из них можно получить кремниевую кислоту по реакции обмена с сильными неорганическими кислотами. SiO_2 + K_2O \longrightarrow K_2SiO_3

SiO_2 + 2LiOH \longrightarrow Li_2SiO_3 + H_2O Li_2SiO_3 + 2HCl \longrightarrow 2LiCl + H_2SiO_3\downarrow \textcolor{red}{- выпадение белого осадка} SiO_3^{2-} + 2H^+ \longrightarrow H_2SiO_3 \textcolor{red}{сокращенное ионное уравнение реакции} 3) Сплавление с углеродом

Основной способ получения кремния – сплавление оксида кремния с углём. 2C + SiO_2 \xrightarrow{t^\circC} Si + 2CO

4) Растворение в плавиковой кислоте

Аналогично кремнию диоксид кремния растворяется только в плавиковой кислоте с образованием фторида кремния или гексафторкремниевой кислоты. SiO_2 + 4HF \longrightarrow SiF_4 + 2H_2O

SiO_2 + 6HF \longrightarrow H_2SiF_6 + 2H_2O Кремниевая кислота

H_2SiO_3 – кремниевая кислота. Является слабой неорганической кислотой, не растворяется в воде, существует в виде рассыпчатого белого порошка. Её единственный двухзарядный анион ( SiO_3^{2-} ) образует соли – силикаты.

Химические свойства кремниевой кислоты

1) Разложение при нагревании

Кремниевая кислота разлагается при нагревании на диоксид кремния и воду

H_2SiO_3 \xrightarrow{t^\circC} SiO_2 + H_2O !Однако обратная реакция невозможна!

2) Реакции обмена со щелочами

Кремниевая кислота имеет типичные химические свойства слабой неорганической кислоты, однако из-за плохой растворимости в воде большинство реакций обмена сопровождается растворением осадка. H_2SiO_3 + 2NaOH \longrightarrow 2H_2O + Na_2SiO_3 \textcolor{red}{- растворение осадка}

H_2SiO_3 + 2OH^- \longrightarrow 2H_2O + SiO_3^{2-} \textcolor{red}{сокращенное ионное уравнение реакции} Силикаты:

Получение кремниевой кислоты в ходе реакции обмена между силикатами и сильными кислотами сопровождается выпадением белого осадка кремниевой кислоты. K_2SiO_3 + 2HNO_3 \longrightarrow 2KNO_3 + H_2SiO_3\downarrow \textcolor{red}{- выпадение белого осадка}

SiO_3^{2-} + 2H^+ \longrightarrow H_2SiO_3 \textcolor{red}{сокращенное ионное уравнение реакции} Получение силикатов также возможно в ходе спекания солей летучих кислот (карбонатов и сульфитов) с диоксидом кремния. При этом выделяется углекислый или сернистый газы соответственно. Силикаты могут быть использованы далее для получения кремниевой кислоты. \underset{(SO_3^{2-})}{K_2CO_3} + SiO_2 \xrightarrow{t^\circC} 2K_2SiO_3 + CO_2\uparrow

Пример 11

Условие

Установите соответствие между двумя веществами и реактивом, с помощью которого можно различить эти вещества: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

ВЕЩЕСТВА

K_2CO_3 и K_2SiO_3

K_2CO_3 и Li_2CO_3

K_2SO_4 и KOH

РЕАКТИВ

Na_3PO_4

CuCl_2

HBr

NaCl

Ответ 312

Пример 12

Условие

Установите соответствие между веществами и реактивом, с помощью которого их можно отличить: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Вещества

карбонат натрия и сульфат натрия

хлорид алюминия и хлорид калия

сульфат аммония и сульфат лития

карбонат натрия и силикат натрия

Реактивы

гидроксид меди (II)

натрий

соляная кислота

бромная вода

гидроксид калия

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам

Ответ 3553

Цепочка (Кремний)

image44 SiO_2 + 2NaOH \longrightarrow Na_2SiO_3 + H_2O

Na_2SiO_3 + 2HBr \longrightarrow 2NaBr + H_2SiO_3

H_2SiO_3 \xrightarrow{t^\circC} SiO_2 + H_2O

2C + SiO_2 \xrightarrow{t^\circC} Si + 2CO

Si + 2Ca \xrightarrow{t^\circC} Ca_2Si

Ca_2Si + 4HCl \longrightarrow CaCl_2 + SiH_4

SiH_4 + 2O_2 \longrightarrow SiO_2 + 2H_2O

SiO_2 + 6HF \longrightarrow H_2SiF_6 + 2H_2O

Si + 6HF \longrightarrow H_2SiF_6 + 2H_2