Углерод и Кремний: Часть 2

Видео

Конспект

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

$$