Подгруппа углерода

УГЛЕРОД
 
Аллотропия
 
Алмаз
 
Кристаллическое вещество, прозрачное, сильно преломляет лучи света, очень твёрдое, не проводит электрический ток, плохо проводит тепло, r = 3,5 г/см3; t°пл. = 3730°C; t°кип. =  4830°C.
Атомы углерода находятся в sp3- гибридизации и образуют атомную кристаллическую решётку с прочными ковалентными s- связями.
Можно получить из графита при p > 50 тыс. атм; t° = 1200°C.
 
Применение
 
Шлифовальный порошок, буры, стеклорезы, после огранки - бриллианты.
 
 
Графит
 
Кристаллическое вещество, слоистое, непрозрачное, тёмно-серое, обладает металлическим блеском, мягкое, проводит электрический ток; r = 2,5 г/см3.
В кристаллической решётке атомы углерода находятся в sp2- гибридном состоянии и образуют слои из шестичленных колец; между слоями действуют межмолекулярные силы.
 
Применение
 
Электроды, карандашные грифели, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, входит в состав некоторых смазочных материалов.
 
Карбин
 
Чёрный порошок; r = 2 г/см3; полупроводник.
Состоит из линейных цепочек  –CºC–CºC–  и  =С=С=С=С=; атомы углерода находятся в sp- гибридном состоянии.
При нагревании переходит в графит.
 
Адсорбция
 
Адсорбция - поглощение газообразных или растворённых веществ поверхностью твёрдого вещества.
Обратный процесс - выделение этих поглощённых веществ - десорбция.
 
Применение адсорбции
 
Очистка от примесей (в производстве сахара и др.), для защиты органов дыхания (противогазы), в медицине (таблетки "Карболен") и др.
 
Химические свойства
 
Углерод - малоактивен, на холоде реагирует только со фтором; химическая активность проявляется при высоких температурах.
 
Восстановительные свойства
 

      1)     с кислородом

C0 + O2  –t°®  CO2 углекислый газ
 

      при недостатке кислорода наблюдается неполное сгорание:

 
2C0 + O2  –t°® 2C+2O угарный газ
 

      2)     со фтором

С + 2F2 ® CF4
 

      3)     с водяным паром

C0 + H2O  –1200°® С+2O + H2 водяной газ
 

      4)     с оксидами металлов

C0 + 2CuO  –t°®  2Cu + C+4O2
 

      5)     с кислотами – окислителями:

 
C0 + 2H2SO4(конц.) ® С+4O2­ + 2SO2­ + 2H2O
С0 + 4HNO3(конц.) ® С+4O2­ + 4NO2­ + 2H2O
 
Окислительные свойства
 

      6)     с некоторыми металлами образует карбиды

 
4Al + 3C0 ® Al4C3
Ca + 2C0 ® CaC2-4
 

      7)     с водородом

C0 + 2H2 ® CH4
 
Оксид углерода (II) CO
 
Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.
 
Получение
 

      1)     В промышленности (в газогенераторах):

 
C + O2 ® CO2
CO2 + C ® 2CO
 

      2)     В лаборатории - термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.):

 
HCOOH ® H2O + CO­
H2C2O4 ® CO­ + CO2­ + H2O
 
Химические свойства
 
При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.
 

      1)     с кислородом

2C+2O + O2 ® 2C+4O2
 

      2)     с оксидами металлов

C+2O + CuO ® Сu + C+4O2
 

      3)     с хлором (на свету)

CO + Cl2  –hn®  COCl2(фосген)
 

      4)     реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

 
CO + NaOH ® HCOONa(муравьинокислый натрий (формиат натрия))
 

      5)     с переходными металлами образует карбонилы

 
Ni + 4CO  –t°® Ni(CO)4
Fe + 5CO  –t°® Fe(CO)5
 
Оксид углерода (IV) СO2
 
Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде - в 1V H2O растворяется 0,9V CO2 (при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO2 называется "сухой лёд"); не поддерживает горение.
 

        O=C=O
 
Получение
 

      1.       Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:

 
CaCO3  –t°®  CaO + CO2­
 

      2.       Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

 
CaCO3 + 2HCl ® CaCl2 + H2O + CO2­
NaHCO3 + HCl ® NaCl + H2O + CO2­
 
Способы собирания
 

вытеснением воздуха

 
Химические свойства
 
Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты
 
Na2O + CO2 ® Na2CO3
2NaOH + CO2 ® Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 ® NaHCO3
 
При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства
 
С+4O2 + 2Mg  –t°®  2Mg+2O + C0
 
Качественная реакция
 
Помутнение известковой воды:
 
Ca(OH)2 + CO2  ® CaCO3¯(белый осадок) + H2O
 
Оно исчезает при длительном пропускании CO2 через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:
 
CaCO3 + H2O + CO2 ® Сa(HCO3)2
 
Угольная кислота и её соли
 
H2CO3
 

 
Кислота слабая, существует только в водном растворе:
 
CO2 + H2O « H2CO3
 
Двухосновная:
H2CO3 « H+ + HCO3-
HCO3- « H+ + CO32-
 
Характерны все свойства кислот.
Cредние соли - карбонаты (СO32-).
Кислые соли - бикарбонаты, гидрокарбонаты (HCO3-).
Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:
 
2NaHCO3  –t°®  Na2CO3 + H2O + CO2­
Na2CO3 + H2O + CO2 ® 2NaHCO3
 
Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:
 
CuCO3  –t°®  CuO + CO2­
 
Качественная реакция - "вскипание" при действии сильной кислоты:
 
Na2CO3 + 2HCl ® 2NaCl + H2O + CO2­
CO32- + 2H+ ® H2O + CO2­
 
 
КРЕМНИЙ
 
Открыт Ж. Гей-Люссаком и Л.Тенаром в 1811г.
Второй по распространённости элемент в земной коре (27,6% по массе)
 

   
1s22s22p63s23p2
   
 
Возбуждённое                 
состояние
 
   

Степени окисления: +4, -4.
 
Аллотропия
 
Кристаллический – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, большая твёрдость, хрупок, полупроводник; r = 2,33 г/см3, t°пл. =1415°C; t°кип. = 2680°C.
Имеет алмазоподобную структуру (sp3- гибридизация атомов кремния) и образует прочные ковалентные s- связи. Инертен.
 
Аморфный - бурый порошок, гигроскопичен, алмазоподобная структура, r = 2 г/см3, более реакционноспособен.
 
Получение
 

      1)     

2С + Si+4O2  –t°®  Si0 + 2CO
 

      2)     

2Mg + Si+4O2  –t°®  2MgO + Si0
 
Химические свойства
 
Типичный неметалл, инертен.
 
Как восстановитель:
 

      1)     С кислородом

Si0 + O2  –t°®  Si+4O2
 

      2)     С фтором (без нагревания)

Si0 + 2F2 ® SiF4­
 

      3)     С углеродом

Si0 + C  –t°®  Si+4C
(SiC - карборунд -твёрдый; используется для точки и шлифовки)
 

      4)     С водородом не взаимодействует. Силан (SiH4) получают разложением силицидов металлов кислотой:

 
Mg2Si + 2H2SO4 ® SiH4­ + 2MgSO4
 

      5)     С кислотами не реагирует. Растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

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

      6)     Со щелочами (при нагревании):

 
Si0 + 2NaOH + H2O ® Na2Si+4O3+ 2H2­
 
Как окислитель:
 

      7)     С металлами (образуются силициды):

 
Si0 + 2Mg  –t°®  Mg2Si-4
 
Силан SiH4
 
Бесцветный газ, ядовит, t°пл. = -185°C, t°кип. = -112°C.
 
Получение
 
Mg2Si + 4HCl ® 2MgCl2 + SiH4­
 
Химические свойства
 

      1)     

SiH4 + 2O2 ® SiO2 + 2H2O
 

      2)     

SiH4 ® Si + 2H2­
 
Оксид кремния (IV) (SiO2)n
 
SiO2 - кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма,опал, кремнозём (основная часть песка)
 

 
Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O - каолинит (основная часть глины)
K2O • Al2O3 • 6SiO2 - ортоклаз (полевой шпат)
 
Физические свойства
 
Твёрдое, тугоплавкое вещество, t°пл.= 1728°C, t°кип.= 2590°C
 
Кислотный оксид
 
При сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:
 

      1)     С основными оксидами:

SiO2 + CaO ® CaSiO3
 

      2)     Со щелочами:

SiO2 + 2NaOH ® Na2SiO3 + H2O
 

      3)     С водой не реагирует

 

      4)     С солями:

SiO2 + CaCO3 ® CaSiO3 + CO2­
SiO2 + K2CO3 ® K2SiO3 + CO2­
 

      5)     С плавиковой кислотой:

SiO2 + 4HF ® SiF4­ + 2H2O
SiO2 + 6HF ® H2[SiF6](гексафторкремниевая кислота) + 2H2O
 (реакции лежат в основе процесса травления стекла).
 
Кремниевые кислоты
 

 
x • SiO2 • y H2O
 
x = 1, y = 1 H2SiO3 - метакремниевая кислота
x = 1, y = 2 H4SiO4 - ортокремниевая кислота и т.д.
 
H2SiO3 - очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса.
 
Получение
 
Na2SiO3 + 2HCl ® 2NaCl + H2SiO3¯
 
При нагревании разлагается:
H2SiO3  –t°®  H2O + SiO2
 
Соли кремниевой кислоты - силикаты.
 
Выветривание горных пород (разрушение минералов):
 
(K2O • Al2O3 • 6SiO2)(полевой шпат)  + CO2 + 2H2O ®
® (Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O)(каолинит (глина)) + 4SiO2(кремнезём (песок)) + K2CO3

Другие записи

10.06.2016. Термодинамические константы веществ
Представлены стандартная энтальпия образования DН° (кдж/моль) и стандартная энтропия S°(Дж/К·моль).Сокращения:г. - газообразное состояние веществаж. - жидкое состояние веществат.- твердое состояние вещества   Вещество…
10.06.2016. Таблица растворимости
Катионы Анионы OH- F- Cl- Br- I- S2- NO3- CO32- SiO32- SO42- PO43- H+ Р Р Р Р Р М…
10.06.2016. Состав воздуха
Компонент Объемное содержание % Массовое содержание % N2 78,09 75,50 O2 20,95 23,15 Ar 0,933 1,292 CO2 0,03 0,046 Ne 1,8 10-3 1,4 10-3 He…
10.06.2016. Растворимость твердых веществ
Растворимость веществ, являющихся твердыми при температуре растворения, выражена через массовый коэффициент растворимости k (в граммах безводного вещества на 100 г воды). Как правило, растворимость приведена…
10.06.2016. Растворимость газообразных и жидких веществ
Приведена растворимость жидких веществ (отмечено рядом с формулой) и газов (остальные вещества). Растворимость выражена массовым коэффициентом растворимости k (в граммах вещества на 100 г воды)б объемным…