Подгруппа углерода. Общая характеристика. Углерод и кремний. Физические и химические свойства углерода, кремния и их соединений

подгруппа углеродаСегодня разберем урок химии 17 — Подгруппа углерода. Общая характеристика. Углерод и кремний. Физические и химические свойства углерода, кремния и их соединений.

Главную подгруппу элементов четвертой группы периодической системы составляют: углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (Рb). На внешнем уровне у них по четыре электрона, электронные конфигурации имеют вид: nS2nP2. Они в соединениях проявляют степени окисления от –4 до +4. Сверху вниз в подгруппе металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Углерод и кремний являются типичными неметаллами, германий проявляет амфотерные свойства, а олово и свинец являются типичными металлами.

Углерод существует в следующих аллотропных модификациях: алмаз, графит, карбин. В 1990 г. из сажи, образованной при испарении графита в электрической дуге в атмосфере гелия, была выделена новая форма С – фуллерен С60.

Алмаз – самое твердое вещество, найденное в природе. Алмаз  имеет кристаллическое строение тетраэдра, где один атом углерода находится в центре, а в четырех вершинах тоже по атому углерода. Каждый атом углерода связан с четырьмя соседними прочными ковалентными связями. Такое строение обусловливает высокую твердость алмаза. Он не проводит электрический ток.

Графит – кристаллическое вещество серого цвета с металлическим блеском. Графит имеет строение слоистой гексагональной кристаллической решетки. Он проводит электрический ток, мягок, легко измельчается.

Карбин представляет собой линейный полимер с чередующимися простыми и тройными связями, проявляет полупроводниковые свойства.

Химические свойства.

  1. Реакция с кислородом. При окислении в избытке кислорода образуется СО2 (углекислый газ) а в недостатке кислорода – СО (угарный газ): С + О2 → СО2; 2С + О2 → 2СО.
  2. Восстановление металлов из оксидов: 2СuO + C → 2Cu + CO2.
  3. Образование карбидов с металлами: Са + 2С → СаС2.
  4. Реакция с водородом: С + 2Н2 → СН4.
  5. Взаимодействие с концентрированными растворами серной и азотной кислот: С + 2Н2SO4 → CO2 + 2SO2 + 2H2O; 3C + 4HNO3 → 3CO2 + 4NO + 2H2O.
  6. Реакция с водяным паром при высокой температуре с образованием водяного газа: С + Н2О → СО + Н2.

Оксид углерода (II) COугарный газ, без цвета и запаха, сильно ядовит. Между атомами углерода и кислорода имеется тройная связь, состоящая из двух ковалентных и одной донорно-акцепторной связи, поэтому его строение изображают:  :С ≡ О:. Оксид углерода восстанавливает металлы из их оксидов: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2↑. На воздухе горит синим пламенем: 2СО + О2 → 2СО2. С парами воды дает СО2 и Н2: СО + Н2О → СО2 + Н2. С хлором соединяется с образованием очень ядовитого газа фосгена: СО + Сl2 → COCl2.

Оксид углерода (IV) и угольная кислота. Оксид углерода (IV) CO2углекислый газ. Представляет собой газ без цвета и запаха, растворимый в воде. Получают по реакциям: СаСО3 → СаО + СО2↑. СаСО3 + 2НСl → CaCl2 + CO2↑.

Химические свойства. Является типичным кислотным оксидом и проявляет все их свойства.

1. Реакция с основными оксидами: СО2 + К2О → К2СО3.

2. Реакция с основаниями: СО2 + NaOH → NaHCO3,

           CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O.

3. C водой дает слабую, неустойчивую угольную кислоту:

 СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3

Угольная кислота дает два ряда солей: средние (карбонаты, например карбонат кальция СаСО3) и кислые (гидрокарбонаты, например гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2).

Карбонат кальция СаСО3 в природе встречается в виде минерала кальцита. Является главной составной частью мела, мрамора, известняка.

Карбонат натрия Na2CO3·10H2O. Используют практически во всех отраслях химического производства. Безводную соль называют кальцинированной содой.

Карбонат калия К2СО3, (поташ) используют в производстве тугоплавкого стекла.

Гидрокарбонат натрия NaHCO3 (питьевая сода) находит применение в производстве пекарского порошка, медицине, кулинарии.

Кремний представляет собой темно-серые блестящие непрозрачные кристаллы; хрупок, тугоплавок. Существует в виде двух аллотропных модификаций: кристаллического и аморфного. Проявляет полупроводниковые свойства и находит применение в производстве полупроводниковых приборов.

Кремний получают восстановлением оксида кремния избытком магния при нагревании: SiO2 + 2Mg → Si  + 2MgО.

Химические свойства.

 Аморфный кремний реагирует с кислородом при нагревании с образованием оксида кремния: Si + O2 → SiO2, а также с галогенами, например: Si + 2Cl2 → SiCl4. При высокой температуре кремний взаимодействует с углеродом с образованием карборунда : Si + C → SiC. С активными металлами кремний реагирует с образованием силицидов: Si + 2Mg → Mg2Si. Взаимодействует с растворами щелочей: Si + 2KOH + Н2О → K2SiO3 + 2H2

Оксид кремния SiO2 – твердое тугоплавкое вещество, широко распространено в природе. Встречается в виде двух модификаций – кристаллического и аморфного кварца. Оксид кремния является ангидридом ряда кремниевых кислот, состав которых можно выразить общей формулой: xSiO2·yН2О, где х и у – целые числа. Самой простой из кремниевых кислот является H2SiO3, которую называют просто кремниевой кислотой.

Оксид кремния растворим в плавиковой кислоте: SiO2 + 4 HF → SiF4 + 2H2O

При сплавлении с основными оксидами, основаниями и карбонатами образует силикаты – соли кремниевой кислоты: SiO2 +BaO → BaSiO3 ; SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O ; SiO2 + CaCO3 → CaSiO3 + CO2↑.

Кремниевая кислота – твердое вещество, нерастворимое в воде. При нагревании разлагается с выделением воды: H2SiO3 → H2O + SiO2. Концентрированные растворы силикатов натрия и калия называют жидким стеклом. Оно используется в строительстве в качестве связующего. Соединения кремния широко используются при производстве стекла, цемента, керамики.

Стекло получают из смеси песка SiO2, соды Na2CO3 и известняка CaCO3, которую нагревают до 1500 °С. При этом протекают реакции:

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2;

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 +CO2.

Затем силикаты натрия и калия сплавляют с песком и получают стекло Na2O·CaO·6SiO2.

Если же вместо соды брать поташ К2CO3, то образуется тугоплавкое стекло К2O·CaO·6SiO2.

Чтобы придать стеклу нужную окраску, в него добавляют соответствующие оксиды металлов: оксиды железа придают стеклу зеленый цвет, кобальта – синий, меди – голубой, серебра – желтый и т.д. Если в состав стекла входит оксид свинца, то получают хрустальценное стекло, обладающее большой лучепреломляющей способностью. Хрусталь хорошо шлифуется, после чего приобретает сильный блеск.

Цемент получают из известняка и глины. При этом используют и мергель. Эту смесь обжигают в специальных печах и полученную спекшуюся массу размалывают. Он широко используется в строительстве как вяжущий материал, который при смешивании с водой затвердевает. Условно различают два типа цемента по принципу их «свертывания» — обычный цемент и портландский цемент. Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката кальция, происходит вследствие образования карбоната кальция за счет углекислого газа воздуха:

CaO·SiO2 + CO2 + H2O = CaCO3 + H2SiO3.

При «схватывании» портландского цемента углекислота не участвует в процессе, а происходит гидролиз силикатов с последующим образованием нерастворимых кристаллогидратов:

Ca3SiO5 + H2O = Ca2SiO4 + Ca(OH)2;

Ca2SiO4 + 4H2O = Ca2SiO4·4H2O.

Это был урок химии 17 — Подгруппа углерода. Общая характеристика. Углерод и кремний. Физические и химические свойства углерода, кремния и их соединений.

{lang: 'ru'}

Расскажите об этой статье друзьям:

Friend me:

Вы можете оставить комментарий, к нашему сайту.

Оставить отзыв