Углерод и кремний (IVA группа)

Элементы IVA группы — углерод C, кремний Si, германий Ge, олово Sn и свинец Pb. Сверху вниз по группе неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются: углерод и кремний — неметаллы, германий — полупроводник, олово и свинец — металлы. Углерод — основа всего органического мира и важнейших видов топлива (уголь, нефть, газ); кремний занимает второе место в земной коре после кислорода (песок, глина, гранит, кварц) и считается «сердцем» современной электроники. На экзамене тему чаще всего проверяют через задачи на реакции карбонатов, CO₂ и щелочей, а также силикатов.

§1. Углерод и его аллотропия

В возбуждённом состоянии у углерода четыре неспаренных электрона, и в соединениях он почти всегда четырёхвалентен. Аллотропные модификации углерода:

• Алмаз — sp³-гибридизация, атомная кристаллическая решётка, каждый атом тетраэдрически связан с четырьмя соседями; самое твёрдое природное вещество, не проводит ток, сильно преломляет свет (бриллиант).
• Графит — sp²-гибридизация, слоистое строение: внутри слоя атомы связаны прочно, между слоями — слабо; мягкий, пачкает руки, проводит электрический ток (электроды, грифели карандашей, смазка).
• Карбин (sp, линейные цепи), фуллерены (C₆₀ — молекула в форме шара), графен (слой графита толщиной в один атом).

Аморфный углерод (уголь, кокс, сажа, активированный уголь) — хороший адсорбент (противогазы, лекарства) и восстановитель: ZnO + C → Zn + CO, 2CuO + C → 2Cu + CO₂. С металлами образует карбиды: CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂, Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄.

Пример

7,2 г карбида алюминия полностью гидролизовали водой. Сколько литров метана (н.у.) выделится?

1. M(Al₄C₃) = 4·27 + 3·12 = 144; n = 7,2/144 = 0,05 моль.
2. Al₄C₃ → 3CH₄: n(CH₄) = 0,15 моль.
3. V = 0,15·22,4 = 3,36 л.

§2. Оксиды углерода

Оксид углерода(II) (угарный газ) CO — бесцветный газ без запаха, очень ядовит: образует с гемоглобином прочное соединение и прекращает перенос кислорода. Образуется при неполном сгорании топлива в печах и автомобилях, поэтому важно проветривать помещения. Несолеобразующий оксид, но сильный восстановитель:

Получение: HCOOH → CO + H₂O (конц. H₂SO₄), CO₂ + C → 2CO (над раскалённым углём).
Оксид углерода(IV) (углекислый газ) CO₂ — бесцветный газ без запаха, не поддерживает горения, тяжелее воздуха (M = 44), в твёрдом виде — «сухой лёд». Кислотный оксид: при растворении в воде даёт слабую неустойчивую угольную кислоту CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃. Поглощается растениями при фотосинтезе, главный виновник парникового эффекта. Используется в огнетушителях и для газирования напитков.

Со щёлочью в зависимости от соотношения: CO₂ : NaOH = 1 : 2 → Na₂CO₃; 1 : 1 → NaHCO₃; при промежуточном — смесь двух солей.

§3. Карбонаты

Качественная реакция на карбонат- и гидрокарбонат-ионы — выделение газа (CO₂) под действием сильной кислоты; газ мутит известковую воду: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
При нагревании: CaCO₃ → CaO + CO₂ (обжиг извести), 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O (питьевая сода — разрыхлитель теста). Карбонаты щелочных металлов (кроме лития) при нагревании не разлагаются.
В природе: известняк, мел, мрамор (CaCO₃), доломит (CaCO₃·MgCO₃), магнезит (MgCO₃). Карбонаты используют в строительстве (известь, цемент), производстве стекла (сода), пищевой промышленности (питьевая сода).

Пример

При прокаливании 18,4 г смеси CaCO₃ и MgCO₃ выделилось 4,48 л CO₂ (н.у.). Найдите состав смеси.

1. n(CO₂) = 4,48/22,4 = 0,2 моль → всего карбонатов 0,2 моль: x + y = 0,2.
2. По массе: 100x + 84y = 18,4.
3. 100x + 84(0,2 − x) = 18,4 → 16x = 1,6 → x = 0,1.
4. CaCO₃ 10 г, MgCO₃ 0,1·84 = 8,4 г.

§4. Кремний

Кремний — серое кристаллическое вещество с металлическим блеском, с атомной решёткой типа алмаза, полупроводник: при нагревании его электропроводность растёт. В природе в свободном виде не встречается, только в соединениях (кремнезём и силикаты). Получение: SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO (лаборатория) или коксом в электропечи SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Кремний очень высокой чистоты используют для солнечных батарей, транзисторов и микросхем.
При обычных условиях кремний малоактивен, при нагревании сгорает в кислороде: Si + O₂ → SiO₂. В щелочах растворяется с выделением водорода:

В кислотах (кроме смеси HF и HNO₃) не растворяется.

Пример

5,6 г кремния растворили в избытке раствора гидроксида натрия. Сколько литров водорода (н.у.) выделится?

1. n(Si) = 5,6/28 = 0,2 моль.
2. Si → 2H₂: n(H₂) = 0,4 моль.
3. V = 0,4·22,4 = 8,96 л.

§5. Оксид кремния(IV), кремниевая кислота и силикаты

SiO₂ (песок, кварц, кремень) — твёрдый, тугоплавкий кислотный оксид с атомной решёткой; в воде не растворяется и с ней не реагирует. При сплавлении со щёлочью или содой образует силикаты: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O, SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂, с основными оксидами: SiO₂ + CaO → CaSiO₃. Из кислот реагирует только с плавиковой (травление стекла).
Кремниевая кислота H₂SiO₃ — очень слабая, нерастворимая в воде кислота; её вытесняет из соли любая более сильная кислота, выпадает студенистый осадок: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Водный раствор силикатов натрия и калия — «жидкое стекло» (клей, огнезащитное покрытие).
Силикатная промышленность: обычное стекло (Na₂O·CaO·6SiO₂, получают сплавлением соды, известняка и песка), цемент (обжиг известняка с глиной), керамика, фарфор, кирпич. Если добавить в стекло оксиды металлов, получают цветное стекло, а с соединениями калия и свинца — хрусталь. Цемент при смешивании с водой твердеет и является основой бетона и строительных растворов.

Проверьте себя

1. 4,48 л CO₂ (н.у.) поглотили раствором, содержащим 0,3 моль NaOH. Какие соли образуются?

2. Почему CO ядовит?

3. Сколько литров CO₂ (н.у.) выделится при реакции 10 г CaCO₃ с избытком соляной кислоты?

4. Какая кислота разъедает стекло?

5. На сколько граммов уменьшится масса при нагревании 16,8 г NaHCO₃?

6. Почему графит проводит ток, а алмаз нет?

7. Почему при пропускании избытка CO₂ через известковую воду муть исчезает?

8. Какова формула кремниевой кислоты?

Типичные ошибки

• Считать CO кислотным оксидом: он несолеобразующий.
• Писать, что SiO₂ реагирует с водой с образованием кремниевой кислоты.
• Думать, что при избытке CO₂ образуется только CaCO₃.
• Считать, что все карбонаты разлагаются при нагревании: Na₂CO₃, K₂CO₃ устойчивы.
• Писать, что кремний растворяется в кислотах: он растворяется в щелочах.