Углерод и кремний - Неметаллические элементы и их соединения. Неметаллы - Неорганическая химия

Углерод (С)

Аллотропные модификации углерода

Алмаз	Бесцветное кристаллическое вещество с атомной решеткой. Атомы С в кристаллах находятся в состоянии sр3-гибридизации. Они соединены прочными ковалентными неполярными связями. Каждый атом С окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлениях от центра тетраэдра к его вершинам (четыре σ-связи). Все это обусловливает твердость, значительную плотность. Алмаз плохо проводит тепло, практически не проводит электрический ток. В чистом виде сильно преломляет свет.
Графит	Темно-серое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском, жирное на ощупь. Атомы С в кристаллах находятся в состоянии sр2-гибридизации. Они объединены в плоские слои, состоящие из правильных шестиугольников. В них каждый атом С соединен прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами (три ст-зсвязи). Связи направлены друг к другу под Z1200. Четвертый валентный электрон каждого атома в слое остается подвижным, как в металле, может перемещаться от одного атома С к другому. Этим объясняется высокая электропроводность, но хуже, чем у металлов, а также его теплопроводность, металлический блеск. Расстояние между слоями в графите достаточно велико (0,335 нм), а силы взаимодействия между ними сравнительно слабые, поэтому он расщепляется на тонкие чешуйки, которые сами по себе очень прочны. Чешуйки легко прилипают к бумаге.
Карбин	Мелкокристаллический порошок черного цвета. Кристаллы состоят из линейных цепей углеродных атомов, соединенных одинарными и тройными чередующимися связями: (—С≡С—)n. По твердости превосходит графит, но уступает алмазу. Имеет полупроводниковые свойства. При нагревании до 2800 °С без доступа воздуха превращается в графит.

Аморфный углерод (уголь) образуется в результате нагревания соединений углерода без доступа воздуха и имеет скрытое кристаллическое строение графита. В зависимости от природы исходных веществ бывают такие виды угля: древесный, костный, кокс, сажа.

Уголь (особенно древесный) имеет большую адсорбционную способность.

Адсорбцией называется свойство угля и других твердых или жидких веществ удерживать на своей поверхности пары, газы и растворенные вещества.

Вещества, на поверхности которых происходит адсорбция, называются адсорбентами. Адсорбирующиеся вещества называются адсорбатами.

Адсорбционная способность угля определяется его пористостью. Для усиления адсорбции уголь специально обрабатывают — нагревают в струе водяного пара, чтобы освободить его поры от загрязняющих веществ. Обработанный таким способом уголь называют активированным.

Химические свойства углерода

Степени окисления углерода: -4; +4; +2.

1. Взаимодействует с активными металлами, образуются карбиды:

2. Взаимодействует с неметаллами:

a) с водородом:

б) с серой:

в) с кремнием:

3. Взаимодействует с оксидами металлических элементов:

Оксиды углерода

Оксид углерода(II)	Оксид углерода(IV)
СО — бесцветный газ, без запаха, плохо растворяется в воде, очень ядовитый, угарный газ. Несолеобразующий оксид	СO2 — бесцветный, тяжелый и негорючий газ со слабым кисловатым запахом и вкусом, не поддерживает горение и дыхание
Химические свойства 1. Не взаимодействует с Н2O 2. СО горит в кислороде: 2СО + O2 = 2СО2 3. Взаимодействует с оксидами неметаллических элементов: В лабораторных условиях получают действием водоотборным средством (H2SO4) на метановую (муравьиную) кислоту:	СО2 — один из основных компонентов, участвующих в реакции фотосинтеза, осуществляемой в зеленых листьях. В воде растворимость невелика. Твердый СO2 — сухой лед. Химические свойства 1. Взаимодействует с: где Н2СO3 — слабая и неустойчивая двухосновная кислота 2. Взаимодействует с основыми оксидами: 3. Взаимодействует со щелочами, образует два типа солей: а) средние — карбонаты б) кислые — гидрокарбонаты В лабораторных условиях получают действием кислот на карбонаты:

Соли угольной кислоты

Угольная кислота как двухосновная образует два ряда солей — карбонаты и гидрокарбонаты, которые известны лишь для активных металлов. Металлы, входящие в состав слабых оснований, образуют только основные карбонаты.

Например, СuСO₃ ∙ Сu(ОН)₂ — малахит, для висмута известная соль — (ВiO)₂СO₃ и т. д. Основные карбонаты в воде не растворяются. Значительно выше растворимость у гидрокарбонатов, например, Са(НСO₃)₂, Ва(НСO₃)₂. Однако гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

Под воздействием СO₂ способны растворяться карбонаты кальция, железа(Н), свинца, поскольку при таких условиях образуются гидрокарбонаты, растворимость которых выше, чем карбонатов:

Карбонаты — термически неустойчивые соединения, при нагревании разлагаются на оксид металла и С0₂, кроме карбонатов щелочных металлов. Чем сильнее выражены металлические свойства, тем устойчивее карбонат.

Na₂CO₃ плавится без разложения.

Применение простых веществ углерода

Применение оксидов углерода

СО используют как восстановитель

Применение солей угольной кислоты

СаСO₃ (известняк, мел, мрамор) — в строительстве.

Кремний (Si)

Кремний может как отдавать, так и присоединять электроны, но его способность к присоединению электронов выражена несколько слабее, чем у углерода. Наиболее типичны для Siсоединения, в которых он проявляет степень окисления +4.

Получение кремния

В лаборатории:

Si бывает аморфный и кристаллический.

Кристаллический Si — твердое вещество с высокой t плавления, металлическим блеском, имеет полупроводниковые свойства и поэтому используется в электронике.

Химические свойства кремния и его соединений

Кремний реагирует при повышенной температуре с кислородом, хлором, серой, щелочами:

Оксид кремния(IV) — SiO₂ — кислотный оксид. Он бывает:

— кристаллический (очень твердый, t_пл - 1610 °С, при комнатной температуре в воде не растворяется; не действует ни одна кислота, кроме плавиковой (фтороводородной) HF);

— аморфный (прозрачная стекловидная масса — кварцевое стекло).

SiO₂ реагирует

1) с основными оксидами:

2) с щелочами:

3) с солями щелочных металлов:

Кремниевая кислота — H₂SiO₃ — твердое бесцветное вещество, которое можно добыть из ее соли (силиката) в виде студенистого осадка. H₂SiO₃ — слабая кислота, она осаждается из раствора под действием СO₂ на растворы силикатов. При добавлении кислот к раствору силиката натрия образуется студенистый осадок — гель кремниевой кислоты.

Из искусственных силикатов очень важно твердое стекло. Состав обычного стекла примерно соответствует формуле Na₂O ∙ СаО ∙ 6SiO₂. Его добывают сплавлением смеси белого песка с содой и известняком (мелом):

Применение силикатов

1. Производство прозрачных аморфных сплавов, называемых стеклом:

а) калийное стекло: К₂O ∙ СаО ∙ 6SiO₂;

б) хрустальное стекло: К₂O ∙ РbО ∙ 6SiO₂;

в) оконное стекло: Na₂O ∙ СаО ∙ 6SiO₂.

2. Производство цемента, бетона, железобетона.

3. Производство строительной керамики (кирпич, черепица, трубы, облицовочные плиты), химически стойкой керамики и бытовой керамики.

Определение оксида углерода(IV) и его ионов СО₃^2-, SiO₃^2-

Определяемый ион или вещество	Реактив	Результат реакции
СО32-	НСl, Са(ОН)2
SiO32-	H2SO4
CO2	Ва(ОН)2, Са(ОН)2

Известно много соединений, в которых атомы кремния химически связаны с атомами углерода. Эти соединения называют кремнийорганическими. В 1936 г. советский ученый К. А. Андрианов (1904-1978) разработал метод синтеза высокомолекулярных кремнийорганических соединений, который положен в основу промышленного способа получения ряда продуктов, имеющих ценные свойства. Их используют для придания водоотталкивающей способности стеклу, бумаге, ткани, строительным материалам.

ПРОВЕРЬТЕ СЕБЯ

1. Назовите элемент: находится в IV группе, плотность по водороду высшего оксида равна 22.

2. Элемент находится в IV группе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Масса 1 л его высшего оксида при нормальных условиях составляет 1,964 г. Назовите элемент, запишите электронную формулу его атома.

3. Высший оксид элемента имеет общую формулу ЕO₂. Элемент образует летучее водородное соединение, плотность которого по воздуху равна 0,552. Назовите элемент.

4. Запишите уравнения реакций, соответствующие таким преобразованиям:

5. Запишите уравнения реакций, соответствующие таким преобразованиям:

6. Выполните преобразования.

7. Выполните преобразования.

8. Выполните преобразования.

9. Внешний энергетический уровень атома элемента имеет строение: ns²np². Молекулярная масса летучего водородного соединения одинакова с молекулярной массой кислорода. Назовите элемент.

10. Атом элемента имеет на 4 электрона больше, чем ион магния. Назовите элемент, составьте электронную формулу его атома в возбужденном и невозбужденном состоянии.

11. Выполните преобразования.

12. При погружении образца технического карбида кальция массой 0,08 кг в воду выделилось 22,4 л ацетилена (н. у.). Определите массовую долю примесей в техническом карбиде кальция этого образца, если массовая доля практического выхода ацетилена равна 100%.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. Укажите аллотропные модификации углерода.

А графи.

Б саж.

В алмаз

Г активированный уголь

Д карбин

2. Массовые доли элементов в соединении магния с кремнием составляют

А 60% Мg и 40% Si

Б 63% Мg и 37% Si

В 57% Мg и 43% Si

Г 67% Мg и 33% Si

3. Укажите качественную реакцию на ионы СО₃^2- и HCO₃^-.

А взаимодействие с кислотой

Б взаимодействие со щелочью

В взаимодействие с солью

Г взаимодействие с основным оксидом

4. К каким кислотам относится угольная кислота?

А одноосновная

Б двухосновная

В трехосновная

5. Какие соли образуются в случае избытка кислоты при ее взаимодействии с оксидами щелочных и щелочноземельных элементов, щелочами, аммиаком?

А средние

Б кислые

6. Установите сообветствие между формулой соединения и его названием.

Формула соединения	Название
1 Na2CO3	А силикатный клей
2 NaHCO3	Б кальцинированная сода
3 Na2SiO3	В мел
4 СаСO3	Г пищевая сода
	Д доломит

7. Укажите кислоту, которая является твердым веществом, нерастворимым в воде.

А ортофосфорная

Б кремниевая

В угольная

Г хлорная

8. Укажите кислоту, которая не действует на индикаторы, не реагирует с металлами, многими основными оксидами.

А соляная

Б кремниевая

В серная

Г угольная

9. Силикаты — соли кислоты

А соляной

Б серной

В кремниевой

Г ортофосфорной

10. С каким веществом реагирует силикат калия?

А кислород

Б хлорид натрия

В азотная кислота

Г оксид магния

11. При сгорании 0,24 г простого вещества образовалось 0,448 л газа (н. у.). Определите элемент, если его валентность равна четырем.

А кремний

Б углерод

В сера

Г азот

12. На раствор, содержащий 15 г смеси силиката натрия и сульфата натрия, подействовали избытком соляной кислоты. При этом образовалось 7,8 г нерастворимого вещества. Что это за соединение? Определите массовые доли солей в смеси.

А 80% Na₂SiO₃, 20% Na₂SO₄

Б 81,33% Na₂SiO₃, 18,67% Na₂SO₄

В 82% Na₂SiO₃, 18% Na₂SO₄

Г 85% Na₂Si₃, 15% Na₂SO₄

13. Массовая доля воды в кристаллогидрате Na₂CO₃ ∙ хН₂O составляет 62,94%. Определите х.

А 7

Б 8

В 9

Г 10

14. При полном разложении водой карбида кальция массой 2 кг выделился ацетилен объемом 560 л (н. у.). Вычислите массовую долю СаС₂ в исходном образце карбида кальция.

А 70%

Б 60%

В 80%

Г 90%

15. Действием избытка соляной кислоты на карбонат кальция массой 25 г получили оксид углерода(IV/) массой 10 г. Определите выход продукта.

А 70%

Б 80,8%

В 90,9%

Г 100%