УГЛЕРОД И КРЕМНИЙ

1. Положение в периодической системе

Подгруппа углерода – IV группа, главная подгруппа «А» - углерод, кремний, германий, олово, свинец.

​

С и Si – неметаллы, Ge – полупроводник, Sn и Pb – металлы. ��

СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ:

-4, 0, +2, +4

Распределение электронов:

ns², np²

2. Изотопы и аллотропные модификации

АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА:

 кубический алмаз, гексагональный алмаз, графит, две формы карбина, фуллерен, нанотрубка. 

УГЛЕРОД: 2 стабильных изотопа С¹², С¹³ и 13 радиоактивных изотопов

КРЕМНИЙ: 3 стабильных изотопа Si²⁸, Si²⁹, Si³⁰

АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ КРЕМНИЯ:

Аморфный, кристаллический

3. Нахождение в природе

Углерод

Содержание в земной коре 0,048 массовых %, его доля в живых организмах значительно выше.

В организме человека массой 70 кг содержится 16 кг углерода.

Углерод встречается в свободном состоянии – в форме графита и алмаза, входит в состав атмосферы в виде углекислого газа, содержится в природных карбонатах, каменном и буром угле, нефти и природном газе.

Кремний

Второй по распространенности элемент на Земле после кислорода.

Его содержание в земной коре составляет 27,6 % (мас.).

Встречается только в виде соединений.

Оксид кремния образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем. Составляет основу многих полудрагоценных камней – агат, аметист, яшма и др.

Также кремний входит в состав породообразующих минералов – силикатов и алюмосиликатов – полевых шпатов, глин, слюд и др.�

4. Физические свойства

АЛМАЗ

Прозрачное, бесцветное, кристаллическое вещество, обладающее высокой светопреломляемостью.

Не проводит электрический ток, плохо проводит тепло:

Т°_пл. = 3730 °C; 

Т°_кип = 4830 °C. 

Алмаз

Нагревание без воздуха

Графит

ГРАФИТ

Мягкое вещество серого цвета со слабым металлическим блеском, жирное на ощупь, проводит электрический ток.

Способен расщепляться на тонкие чешуйки.

Стоек к нагреванию.

УГОЛЬ

Неупорядоченная структура графита:

получается при нагревании углеродосодержащих соединений.

Уголь имеет несколько сортов:

1) кокс;

2) костяной уголь;

3) сажа.

​

Способен к адсорбции.

КАРБИН

Получен синтетически (поликумулен) каталитическим окислением ацетилена. Это твердые, черные вещества со стеклянным блеском.

Карбин

Нагревание без воздуха

Графит

ФУЛЛЕРЕН

Другое название: бакибол\букибол

Общая формула: С₆₀

Кристаллическая форма – фуллериты

Есть жидкая фаза.

Графит

Лазер

Фуллерен

НАНОТРУБКА

Свернутые в трубку

графеновые плоскости, созданные на базе фуллерена.

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕМНИЙ

вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, температура кипения 2680 °C.

Полупроводник (свойства ухудшаются с температурой)

АМОРФНЫЙ КРЕМНИЙ

Порошок бурого цвета.

Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический кремний.

5. Химические свойства

УГЛЕРОД

Взаимодействие с фтором

Углерод обладает низкой реакционной способностью, из галогенов реагирует только с фтором:

С + 2F₂ = CF₄.

Взаимодействие с кислородом

При нагревании взаимодействует с кислородом:

2С + О₂ = 2СО,

С + О₂ = СО₂,

​

УГЛЕРОД

Взаимодействие с другими неметаллами

Реагирует с серой:

С + 2S = CS₂.

не взаимодействует с азотом и фосфором.

Реагирует с водородом в присутствии никелевого катализатора, образуя метан:

C + 2H₂ = CH₄.

Взаимодействие с металлами

Способен взаимодействовать с металлами, образуя карбиды:

Ca + 2C = CaC₂.

​

​

УГЛЕРОД

Взаимодействие с водой

При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:

C + H₂O = CO + H₂.

Восстановительные свойства

Углерод способен восстанавливать многие металлы из их оксидов:

2ZnO + C = 2Zn + CO₂.

Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до оксида углерода (IV):

C + 2H₂SO₄ = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O;

C + 4HNO₃ = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O.

​

​

КРЕМНИЙ

Взаимодействие с галогенами

При обычных условиях кремний довольно инертен, непосредственно взаимодействует только с фтором:

Si + 2F₂ = SiF₄.

С хлором реагирует при нагревании до 400–600 °С:

Si + 2Cl₂ = SiCl₄.

Взаимодействие с кислородом

Измельченный кремний при нагревании до 400–600 °С реагирует с кислородом:

Si + O₂ = SiO₂.

​

​

КРЕМНИЙ

Взаимодействие с другими неметаллами

При очень высокой температуре около 2000 °С реагирует с углеродом:

Si + C = SiC

и бором:

Si + 3B = B₃Si.

При 1000 °С реагирует с азотом:

3Si + 2N₂ = Si₃N₄.

С водородом не взаимодействует.

​

​

КРЕМНИЙ

Взаимодействие с галогеноводородами

С фтороводородом реагирует при обычных условиях:

Si + 4HF = SiF₄ + 2H₂,

с хлороводородом – при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.

Взаимодействие с металлами

Окислительные свойства для кремния менее характерны, но они проявляются в реакциях с металлами, при этом образует силициды:

2Ca + Si = Ca₂Si.

​

​

КРЕМНИЙ

Взаимодействие с кислотами

Кремний устойчив к действию кислот, в кислой среде он покрывается нерастворимой пленкой оксида и пассивируется. Кремний взаимодействует только со смесью плавиковой и азотной кислот:

3Si + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[SiF₆] + 4NO + 8H₂O.

Взаимодействие со щелочамиРастворяется в щелочах, образуя силикат и водород:

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + H₂.

​

​

6. Получение

УГЛЕРОД

Получают нагреванием без доступа воздуха из древесины и каменного угля, а также при крекинге метана:�CH₄= C + 2H₂

КРЕМНИЙ

В лаборатории

Восстановлением из оксида магнием или алюминием:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO;

3SiO₂ + 4Al = 3Si + 2Al₂O₃.

​

КРЕМНИЙ

В промышленности

Восстановлением из оксида коксом в электрических печах:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO.

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:

SiCl₄ + 2H₂ = Si + 4HCl,

Также чистый кремний получается при термическом разложении силана:

SiH₄ = Si + 2H₂.

​

7. Соединения

Оксид углерода (II) CO

угарный газ, газ без цвета и запаха, легче воздуха, очень мало растворим в воде, растворим в спирте и бензоле. Ядовит. Необратимо взаимодействует с гемоглобином крови.

Химические свойства

В химическом отношении – инертное вещество. Относится к несолеобразующим оксидам, не реагирует с водой, однако при нагревании с расплавленными щелочами образует соли муравьиной кислоты:

CO + NaOH = HCOONa,

​

Оксид углерода (II) CO

Взаимодействие с кислородом

При нагревании в кислороде сгорает красивым синим пламенем:

2СО + О₂ = 2СО₂.

Взаимодействие с водородом

Реагирует с водородом:

СО + Н₂ = С + Н₂О.

Взаимодействие с другими неметаллами

При облучении и в присутствии катализатора взаимодействует с галогенами:

СО + Cl₂ = COCl₂ (фосген).

и серой при 350° C:

СО + S = COS (карбонилсульфид).

Оксид углерода (II) CO

Восстановительные свойства

СО – энергичный восстановитель. Восстанавливает многие металлы из их оксидов:

CO + CuO = Сu + CO₂.

Взаимодействие с переходными металлами

С переходными металлами образует карбонилы:

Ni + 4CO = Ni(CO)₄;

Fe + 5CO = Fe(CO)₅.

​

​

Оксид углерода (II) CO

Получение

В промышленности

Образуется в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

C + O₂ = CO₂,

CO₂ + C = 2CO.

В лаборатории

Получается при термическом разложении муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты:

HCOOH = H₂O + CO

Оксид углерода (IV) CO₂

углекислый газ, газ без цвета и запаха, тяжелее воздуха, растворим в воде, при сильном охлаждении кристаллизуется в виде белой снегообразной массы – «сухого льда».

При атмосферном давлении он не плавится, а испаряется.

Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Мало растворим в воде.

Оксид углерода (IV) CO₂

Химические свойства

Химически оксид углерода (IV) инертен.

Окислительные свойства

С сильными восстановителями при высоких температурах проявляет окислительные свойства. Углем восстанавливается до угарного газа:

С + СО₂ = 2СО.

Магний, зажженный на воздухе, продолжает гореть и в атмосфере углекислого газа:

2Mg + CO₂ = 2MgO + C.

Оксид углерода (IV) CO₂

Химические свойства

Свойства кислотного оксида

Типичный кислотный оксид. Реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты:

Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃,

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O,

NaOH + CO₂ = NaHCO₃.

Оксид углерода (IV) CO₂

Химические свойства

Качественная реакция

Качественной реакцией для обнаружения углекислого газа является помутнение известковой воды:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O.

В начале реакции образуется белый осадок, который исчезает при длительном пропускании CO₂ через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Сa(HCO₃)₂.

Оксид углерода (IV) CO₂

Химические свойства

Получение

Получают углекислый газ термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов), например, обжиг известняка:

CaCO₃ = CaO + CO₂,

или действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂,

NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂.

Угольная кислота (H₂CO₃)

слабая неустойчивая кислота, которую в свободном состоянии из водных растворов выделить нельзя.

Проявляет свойства слабых кислот. Будучи двухосновной, образует два типа солей карбонаты и гидрокарбонаты.

Карбонаты

Карбонаты двухвалентных металлов трудно растворимы в воде, но их растворимость повышается в присутствии углекислого газа за счет образования гидрокарбонатов:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:

CuCO₃ = CuO + CO₂.

Гидрокарбонаты разлагаются до карбонатов:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂.

​

Карбонаты

Качественной реакцией на карбонат и гидрокарбонат ионы

является их взаимодействие с сильной кислотой, наблюдается образование углекислого газа с характерным вскипанием:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑;

CO₃^2- + 2H⁺ = CO₂ + H₂O.

​

Оксид кремния (IV)

Кристаллический оксид кремния – это кварц, горный хрусталь, халцедон, яшма, основа кварцевого песка. Очень твердое, прочное, тугоплавкое вещество.

Химические свойства

1. Взаимодействие с металлами

При температуре выше 1000 °С реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

или при избытке восстановителя – силициды:

SiO₂ + 4Mg = Mg₂Si + 2MgO.

​

Оксид кремния (IV)

Взаимодействие с неметаллами Реагирует с водородом:

SiO₂ + 2Н₂ = Si + 2Н₂O.

Взаимодействует с углеродом:

SiO₂ + 3С = SiС + 2СO.

​

Оксид кремния (IV)

Свойства кислотного оксида

Диоксид кремния – типичный кислотный оксид, но не растворяется в воде, при сплавлении реагирует со щелочами:

SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O,

основными оксидами:

SiO₂ + MgО = MgSiO₃.

и карбонатами щелочных металлов:

SiO₂ + K₂CO₃ = K₂SiO₃ + CO₂.

С кислотами не реагирует, исключение составляет плавиковая кислота:

SiO₂ + 6HF = H₂SiF₆ + 2H₂O.

​

Кремниевая кислота

Кремниевые кислоты – соединения оксида кремния с водой, очень слабые нерастворимые кислоты. Соотношение оксида кремния и воды различно, общая формула nSiO₂·mH₂O, кислоты легко переходят друг в друга.

Получают кремниевые кислоты косвенным путем, действуя на силикат калия или натрия соляной кислотой :

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2NaCl.

​

В чистом виде получить нельзя!

​

Силикаты

Соли кремниевой кислоты – силикаты. Обычно они нерастворимы в воде, исключения составляют силикаты натрия и калия, их называют «жидким стеклом».

Силикаты широко распространены в природе. Свойства силикатов различны в зависимости от их состава и строения, очень часто они имеют красивую окраску, некоторые из них используются в ювелирном деле (гранат, топаз, изумруд).

Стекло

Стекло – тоже силикат. Состав обычного оконного стекла: Na₂O·CaO·6SiO₂. Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na₂CO₃, известняка CaCO₃ и белого песка SiO₂:

​

6SiO₂ + Na₂CO₃ + CaCO₃ = Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂.

​

Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb²⁺ – хрусталь; Cr³⁺ – имеет зеленую окраску, Fe³⁺ – коричневое бутылочное стекло, Co²⁺ – дает синий цвет, Mn²⁺ – красновато–лиловый.