Углерод, кремний

Углерод (С) и кремний (Si) входят в IVА подгруппу

периодической системы Д.И.Менделеева. Атомы

этих элементов имеют на внешнем электронном

слое ns²np² – электроны, способные к образованию

химических связей.

Углерод и кремний не образуют отрицательно заряженных ионов, вследствие малого сродства их атомов к электрону. Положительные ионы не образуются из – за большой энергии ионизации атомов. Характерной особенностью углерода и кремния, вследствие одинаково выраженной тенденции к потере и приобретению электронов, является их способность взаимодействовать со многими элементами, образуя неполярные соединения с ковалентными связями. В соединениях углероду и кремнию свойственны степени окисления +4 и –4, углерод проявляет и степень окисления +2. При химических реакциях они проявляют слабые восстановительные (в реакциях с окислителями) и окислительные (в реакциях с восстановителями) свойства:

Э – 4 е = Э ⁺⁴

Э – 2 е = Э⁺²

Э + 4 е = Э^-4

В нормальных условиях простые вещества углерод и кремний – твердые вещества с высокой температурой плавления. Структурной единицей кристаллической решетки являются атомы, образующие пространственную трехмерную каркасную решетку; в которой атомы связаны ковалентными связями за счет орбиталей в sp³-гибридном состоянии. Аллотропическое видоизменение углерода – графит, имеет слоистую структуру, в которой атомы углерода находятся в sp² – гибридном состоянии.

Благодаря атомной ковалентной – каркасной структуре этих веществ в обычных условиях они весьма инертны. При высоких температурах углерод становится активным по отношению к большинству металлов и многим неметаллам. Соединения углерода очень распространены и чрезвычайно разнообразны. В земной коре содержание углерода невелико, всего около 0, 1% вес. Он входит в состав многих минералов, большей частью которых являются карбонаты (CaCO₃ – известняк, мрамор; [(CuOH)₂CO₃] – малахит). В атмосфере углерод содержится в виде CO₂, который в растворенном состоянии присутствует во всех природных водах. Углерод входит в состав веществ, образующих ткани живых организмов (органические соединения), и продуктов их разрушения (каменный уголь, торф, нефть и др.).

Строение и свойства органических соединений рассматриваются в органической химии. С металлами углерод образует соединения – карбиды. Их получают прокаливанием металлов или их оксидов с углеродом:

4Al + 3C ® Al₄C₃

Ca + 2C ® CaC₂

Карбиды легко разлагаются водой:

Al₄C₃ + 12H₂O ® 4Al(OH)₃ + 3CH₄

метанид

CaC₂ + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + C₂H₂

ацетиленид

При нагревании углерод легко реагирует с кислородом воздуха:

C + O₂ ® CO₂

При недостатке кислорода и при высокой температуре идет реакция

2C + O₂ = 2CO

или

C + CO₂ = 2CO

Диоксид углерода (углекислый газ) СО₂ - в обычных условиях газ без цвета и запаха, довольно инертный. При повышенных температурах взаимодействует с активными восстановителями:

CO₂ + Mg = 2MgO + C + 815 кДж

В лабораторных условиях получают диоксид углерода действием соляной кислоты на мрамор:

CaCO₃ + 2HCl ® CaCl₂ + CO₂ + H₂O

В промышленных условиях CO₂ получается при обжиге известняка:

CaCO₃ ® CaO + CO₂

Оксид углерода CО (угарный газ) очень ядовит, также не имеет цвета и запаха. Является сильным восстановителем и используется для восстановления металлов из руд, например в доменном процессе:

Fe₃O₄ + 4 CO ® 3Fe + 4CO₂

Оксид углерода (II) не кислотообразующий оксид. Диоксид углерода растворяется в воде (1: 1 по объему) и при растворении взаимодействует с ней с образованием угольной кислоты:

CO₂ + H₂O H₂CO₃

H₂CO₃ – кислота очень слабая и существует только в водных растворах. Как двухосновная кислота диссоциирует на ионы в две ступени:

1. H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^- K₁ = 4, 5 × 10^-7

2. HCO₃^1- H⁺ + CO₃^2- K₂ = 4, 8 × 10^-11

Угольная кислота образует два ряда солей – средние (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты). Карбонаты щелочных металлов (K₂CO₃ – поташ, Na₂CO₃ - сода) при нагревании не разлагаются, а CaCO₃ и MgCO₃ – разлагаются по уравнению

t

MgCO₃ ® MgO + CO₂

Карбонаты щелочных металлов в водных растворах, подвергаясь гидролизу, имеют высокое значение рН (8, 5 - 12).

Гидрокарбонаты щелочных металлов при нагревании разлагаются по схеме

2NaHCO₃ ® Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Тяжелые и менее активные металлы образуют в основном нерастворимые в воде карбонаты.

При высоких температурах углерод взаимодействует с серой с образованием сероуглерода:

С + 2S ® CS₂

Сероуглерод – хороший растворитель. С азотом реакция завершается образованием дициана (ядовитый газ) 2C + N₂ ® C₂N₂, который превращается в циановодород (синильную кислоту):

C₂N₂ + H₂ ® 2HCN

В отличие от углерода атомы кремния имеют свободные атомные орбитали на 3d-подуровне, поэтому в комплексных соединениях координационное число кремния равно шести (например, H₂[SiF₆] – кремнийфтористоводородная кислота). Кремний является вторым (после кислорода) по распространенности элементом (27% вес от массы земной коры). Если углерод можно рассматривать как основной элемент для всей органической жизни, то кремний играет такую же роль для твердой оболочки Земли, которая представляет собой смесь различных соединений кремния с кислородом и другими элементами.

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

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si

Кислоты на кремний при обычных условиях не действуют (за исключением смеси HF и HNO₃), щелочи переводят его в соли кремниевой кислоты (H₂SiO₃):

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂ ­

Кремниевая кислота существует в виде нескольких форм:

H₄SiO₄ (2H₂O × SiO₂) – ортокремниевая кислота

H₂SiO₃ (H₂O × SiO₂) – метакремниевая кислота

H₂Si₂O₅ (H₂O × 2SiO₂) – дикремниевая кислота

Все эти формы кремниевой кислоты неустойчивы и довольно легко образуют неорганические полимеры с общей формулой хSiO₂ × y H₂O, называемые поликремниевыми кислотами.

Кремниевые кислоты слабее угольной. Метакремниевая кислота диссоциирует ступенчато:

1. H₂SiO₃ H⁺ + HSiO₃^- К₁ = 2× 10^-10

2. HSiO₃^- H⁺ + SiO₃^2- К₂ = 1× 10^-12

Так как SiO₂ нерастворим в воде, кремниевые кислоты получают косвенным путем. Например: Na₂SiO₃ + H₂SO₄ ® H₂SiO₃ + Na₂SO₄.

Соли кремниевых кислот называются силикатами. Получают их сплавлением SiO₂ с едкими щелочами и карбонатами калия или натрия:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂

Большинство солей метакремниевой кислоты нерастворимо в воде. Силикаты натрия и калия растворимы в воде (растворимое стекло). Водные растворы силикатов щелочных металлов сильно гидролизованы и имеют

рН > 12. Силикаты входят в состав стекла – это аморфный прозрачный сплав, образующийся при нагревании смесей карбонатов со многими силикатами или с SiO₂. Например, оконное стекло получают при сплавлении белого песка (SiO₂) с содой (Na₂CO₃) и мелом (или известняком (CaCO₃)):

t

CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂ ­

t

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂ ­

Состав стекла приближенно выражается формулой Na₂O × CaO × 6SiO₂. Силикаты также широко используются для производства строительной и декоративной керамики, цемента.

Вопросы для подготовки к занятию

1. Электронные конфигурации атомов, валентные электроны, степени окисления.

2. Свойства простых веществ – неметаллов:

- окислительная и восстановительная активность неметаллов, значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов для процессов окисления и восстановления;

- взаимодействие с металлами;

- взаимодействие с кислородом, галогенами, серой, азотом и другими неметаллами;

- отношение к воде, водным растворам щелочей, водным растворам кислот, окисляющим ионом H⁺ (HF, HCl, HBr, HI, разбавленной H₂SO₄, H₃PO₄, RCOOH и другим);

- взаимодействие с концентрированной H₂SO₄, разбавленной и концентрированной HNO₃.

3. Свойства оксидов и кислот неметаллов IVA подгруппы:

- растворимость, взаимодействие с водой, диссоциация в водном растворе;

- взаимодействие с основаниями и основными оксидами при сплавлении и водными растворами щелочей.

4. Свойства солей неметаллов IVA подгруппы – угольной и кремниевых кислот:

- растворимость в воде, гидролиз;

- взаимодействие с сильными кислотами.

5. Нахождение в природе и получение простых веществ – неметаллов IVA подгруппы.

6. Получение и применение неметаллов IVA подгруппы и их соединений.