Текст учебника. Урок 15. Углерод и кремний

Углерод и кремний

Введение
Углерод (C) и кремний (Si) — два элемента, играющих огромную роль в природе и жизни человека. Углерод — основа всего живого, а кремний, второй по распространенности элемент в земной коре, — основа царства минералов и горных пород. Эти элементы, расположенные в одной группе Периодической системы, имеют как сходства, так и важные различия.

1. Положение в ПСХЭ и аллотропия углерода

Углерод и кремний являются элементами главной подгруппы IV группы. На внешнем энергетическом уровне их атомов находится по 4 электрона, что объясняет способность этих элементов как отдавать, так и принимать электроны, образуя ковалентные связи.

• Строение атома углерода: +6 )₂ )₄

• Строение атома кремния: +14 )₂ )₈ )₄

Для углерода характерно явление аллотропии — существование в виде нескольких простых веществ, отличающихся по строению и свойствам. Основные аллотропные модификации углерода:

• Алмаз — обладает атомной кристаллической решеткой. Это самое твердое природное вещество, прозрачное, с сильным блеском после огранки. Не проводит электрический ток.

• Графит — имеет слоистую кристаллическую решетку. Вещество темно-серого цвета, непрозрачное, жирное на ощупь, проводит электрический ток.

• Аморфные формы (древесный уголь, кокс, сажа) — не имеют строгой упорядоченности в строении.

Различие в свойствах алмаза и графита наглядно доказывает зависимость свойств вещества от типа его кристаллической решетки.

Адсорбция
Аморфные формы углерода, особенно активированный уголь, обладают способностью поглощать (адсорбировать) на своей поверхности molecules gases или растворенных веществ. Это явление называется адсорбцией. Благодаря большой пористой поверхности активированный уголь широко применяется в противогазах, средствах для очистки воды, в медицине и пищевой промышленности.

2. Химические свойства углерода. Восстановительные свойства

Углерод в простом веществе проявляет преимущественно восстановительные свойства.

1. Взаимодействие с кислородом (горение):

   • При избытке кислорода: C + O₂ = CO₂

   • При недостатке кислорода: 2C + O₂ = 2CO

2. Взаимодействие с оксидами металлов — важное свойство, используемое в металлургии для получения металлов из их руд. Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:
   2ZnO + C = 2Zn + CO₂
2CuO + C = 2Cu + CO₂

3. Взаимодействие с некоторыми металлами при высоких температурах приводит к образованию карбидов:
   4Al + 3C = Al₄C₃

3. Соединения углерода

Оксид углерода (II) — CO
Бесцветный газ без запаха, очень ядовитый. Обладает восстановительными свойствами, горит голубым пламенем:
2CO + O₂ = 2CO₂

Оксид углерода (IV) — CO₂
Бесцветный газ, тяжелее воздуха, не поддерживает горение и дыхание. При растворении в воде образует угольную кислоту:
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃
Эта реакция обратима. Угольная кислота очень слабая и нестойкая, легко разлагается.
Качественной реакцией на углекислый газ является помутнение известковой воды:
Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O
При дальнейшем пропускании CO₂ муть исчезает из-за образования растворимого гидрокарбоната:
CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂

Угольная кислота и ее соли
Угольная кислота H₂CO₃ образует два ряда солей:

• Средние соли — карбонаты (K₂CO₃, Na₂CO₃, CaCO₃)

• Кислые соли — гидрокарбонаты (KHCO₃, NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂)

Карбонаты и гидрокарбонаты широко распространены в природе (мел, мрамор, известняк) и применяются в промышленности. Общей качественной реакцией на карбонат-ион CO₃²⁻ является взаимодействие с сильной кислотой, сопровождающееся выделением углекислого газа:
CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑

4. Кремний и его соединения

Кремний (Si)
Кремний — темно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском, хрупкое, полупроводник. В природе встречается в виде песка, кварца и силикатов.

Оксид кремния (IV) — SiO₂
Это твердое, тугоплавкое и очень прочное вещество. В природе образует минералы кварц, горный хрусталь, агат, яшму. Обычный песок состоит mainly из мелких частиц SiO₂.

Оксид кремния (IV) — кислотный оксид, но с водой не реагирует. Со щелочами при сплавлении образует соли — силикаты:
SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

Силикат натрия Na₂SiO₃ известен как «растворимое стекло». Силикаты — основа для производства стекла, цемента, керамики и фарфора.

Выводы

1. Углерод и кремний — элементы IVА группы, что определяет сходство в строении их атомов.

2. Углерод образует несколько аллотропных модификаций (алмаз, графит, уголь), различающихся строением кристаллической решетки и свойствами.

3. Углерод проявляет восстановительные свойства, реагируя с кислородом, оксидами металлов и некоторыми металлами.

4. Важнейшими соединениями углерода являются оксиды CO и CO₂, а также неустойчивая угольная кислота и ее соли — карбонаты и гидрокарбонаты.

5. Кремний и его соединение оксид кремния (IV) широко распространены в природе и являются основой для многих отраслей промышленности.