Repetitor_po_Khimii

Нахождение в природе

Вприроде углерод находится и в свободном виде, и в виде

соединений. Свободный углерод известен в виде двух аллотропных модификаций: алмаза и графита.

Углерод входит в состав многих сложных веществ: СаСО3 — мел, известняк, мрамор; СаСО3 · MgCO3 — доломит и др. Углерод является основной составной частью каменного угля. Соединения углерода — основные компоненты нефти

иприродного газа. Все органические соединения являются соединениями углерода.

Вземной атмосфере углерод находится в виде углекис-

лого газа СО2. Содержание его в сухом воздухе незначительно и составляет приблизительно 0,03 объемных процента. Углекислый газ содержится в водах минеральных источников.

Физические свойства

Аллотропные модификации углерода — алмаз и графит — резко отличаются по физическим свойствам. Алмаз — прозрачные кристаллы, очень твердые. Твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки (рис. 28). Четыре валентных электрона каждого атома углерода в алмазе sр3-гибридизованы и образуют прочные ковалентные связи с другими атомами углерода. Кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение. Расстояние между всеми атомами углерода одинаковое. Алмаз не проводит электрический ток, так как в его кристаллической решетке отсутствуют свободные электроны.

Рис. 28. Строение кристаллической решетки алмаза

450

Графит — мягкое темно-серое вещество с металлическим блеском. Кристаллическая решетка графита имеет сложное слоистое строение (рис. 29).

Рис. 29. Строение кристаллической решетки графита

Расстояние между слоями в кристалле графита больше расстояния между соседними атомами углерода в одной плоскости в 2,5 раза, поэтому связь между атомами углерода в одном слое гораздо прочнее, чем связь между атомами углерода, находящимися в различных слоях.

Каждый атом углерода в кристаллической решетке графита sp-гибридизован и образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют три электрона атома углерода, а четвертый валентный электрон является относительно свободным. Наличие свободных электронов обусловливает электропроводность графита.

Химические свойства

При обычной температуре углерод малоактивен. При нагревании он реагирует со многими простыми и сложными ве-

ществами.

Углерод может быть как восстановителем, так и окислителем, поэтому в соединениях может проявлять положительную и отрицательную степень окисления.

451

1. Углерод как восстановитель

Как и другие неметаллы, углерод проявляет восстановительные свойства при взаимодействии с кислородом и другими более электроотрицательными элементами.

а) Углерод горит на воздухе с выделением большого количества тепла. При этом образуется оксид углерода (IV), или углекислый газ СО2:

При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II),

или угарный газ СО:

t°

2С + О2 = 2СО б) Раскаленный углерод реагирует с парами серы, легко

соединяется с хлором и другими галогенами:

t°

С + 2S = CS2 Сероуглерод

С + 2Сl2 = ССl4 Четыреххлористый углерод

в) Так как для углерода в отличие от других неметаллов весьма характерны восстановительные свойства, он может восстанавливать оксиды металлов и неметаллов:

Это свойство углерода широко используется в металлургии. г) При пропускании через раскаленный уголь водяного

пара получается смесь оксида углерода (II) с водородом, или

водяной газ:

t°

С+ Н2О = СО + Н2

Пар Водяной газ

*Обратите внимание, что при взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, а также алюминия образуются карбиды этих металлов.

452

2. Углерод как окислитель

Углерод проявляет окислительные свойства при взаимодействии с металлами и водородом.

а) Углерод взаимодействует с металлами, образуя карбиды

В промышленности карбид кальция обычно получают при взаимодействии углерода с негашеной известью СаО, которую получают из известняка СаСО3:

t°

СаСО3 = СаО + СО2 ,

Известняк Негашеная известь

t°

СаО + 3С = СаС2 + СО .

б) Углерод реагирует с водородом, при этом образуется метан СН4:

t°, Ni

С + 2Н2 СН4

Применение

Алмаз применяется в промышленности для обработки твердых сплавов и бурения, а также для изготовления ювелирных украшений. Графит широко применяется в электротехнике для изготовления электродов.

КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА

Оксид углерода (II) СО, или угарный газ. В молекуле СО атомы кислорода и углерода связаны двумя видами ковалентной связи: ковалентной полярной и донорно-акцептор- ной. Кислород является донором, углерод — акцептором:

453

Оксид углерода (II) не имеет запаха и цвета, плохо растворяется в воде, токсичен.

В лаборатории СО получают разложением муравьиной кислоты при нагревании в присутствии серной кислоты или

фосфорного ангидрида:

t°, H2SO4

HCOOH CO + H2O

Углерод в угарном газе имеет степень окисления +2, поэ-

тому для него характерны реакции присоединения, в которых он является восстановителем.

Угарный газ горит с образованием углекислого газа и выделением тепла:

Оксид углерода (II) реагирует с хлором на свету в присутствии катализатора — угля. При этом образуется фосген:

hν, C

СО + Cl2 ==== СОCl2

Фосген — ядовитый газ, применялся как отравляющее вещество в Первую мировую войну.

Восстановительные свойства угарного газа используются в металлургии для получения металлов из руд:

t°

СО + FeO = СО2 + Fe

Оксид углерода (IV), или углекислый газ СО2. В этом соединении углерод и кислород связаны ковалентными полярными связями: О = С = О. Так как молекула СО2 имеет линейное строение, она неполярна.

Углекислый газ бесцветен, не имеет запаха, тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде. Он образуется при:

а) горении углерода в избытке кислорода: t°

С + О2 = СО2 б) разложении карбонатов и гидрокарбонатов при нагре-

вании:

t°

СаСО3 = СаО + СО2

t°

2NaHCO3 = Na2CO3 + СО2 + Н2О

454

Оксид углерода (IV) не поддерживает горения. Только некоторые активные металлы горят в нем, так как отнимают кислород:

+4 t° +2

2Mg0 + СО2 = 2MgO + C0

Оксид углерода (IV) — кислотный оксид. Он реагирует с основаниями, основными оксидами, с водой. При взаимодействии с водой образуется угольная кислота:

СО2 + Н2О Н2СО3 Угольная кислота — слабый электролит (Кд = 4,5 · 10–7).

Как двухосновная кислота она диссоциирует по двум ступеням и поэтому образует два ряда солей — нормальные и кис-

Примеры солей: гидрокарбонаты — NaHCO3, Mg(HCO3)2; карбонаты — Na2CO3, CaCO3.

Карбонаты щелочных металлов Na2CO3, K2CO3 и аммония (NH4)2CO3 хорошо растворимы в воде. Карбонаты щелочноземельных металлов СаСО3, SrCO3, BaCO3 и некоторые другие в воде практически нерастворимы. Карбонаты алюминия, хрома, железа не могут существовать в водных растворах, так как подвергаются полному гидролизу, в результате которого выпадает осадок соответствующего гидроксида и выделяется углекислый газ.

Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, при нагревании разлагаются на оксид металла и углекислый газ:

Качественной реакцией на карбонаты и гидрокарбонаты

является их взаимодействие с растворами кислот, при котором выделяется углекислый газ:

NaHCO3 + HCl = NaCl + Н2О + СО2 MgCO3 + 2HCI = MgCl2 + Н2О + CO2

455

При пропускании СО2 через известковую воду Са(ОН)2 выпадает осадок СаСО3 (раствор мутнеет):

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О

Последняя реакция является качественной реакцией на углекислый газ СО2.

Карбонаты и гидрокарбонаты некоторых металлов имеют широкое применение.

Сода Na2CO3 — один из главных продуктов химической

промышленности. В настоящее время соду получают главным образом аммиачно-хлоридным способом, основанным

на образовании гидрокарбоната натрия при реакции между хлоридом натрия и гидрокарбонатом аммония в водном растворе. Концентрированный раствор NaCl насыщают аммиаком и углекислым газом. При взаимодействии NH3, СО2 и Н2О образуется гидрокарбонат аммония:

NH3 + СО2 + Н2О = NH4HCO3,

который, вступая в обменную реакцию с NaCl, образует гидрокарбонат натрия:

NH4HCO3 + NaCl = NaHCO3 + NH4CI

Гидрокарбонат натрия сравнительно малорастворим в холодной воде, его отфильтровывают и прокаливают, в результате чего образуется обычная сода:

2NaHCO3 Na2CO3 + СО2 + Н2О

Вопросы для контроля

1.Какие элементы составляют подгруппу углерода?

2.Какова закономерность изменения радиусов атомов элементов в подгруппе углерода? Какие из этих элементов относятся к неметаллам?

3.Какую конфигурацию внешнего электронного слоя имеют атомы элементов подгруппы углерода в основном и возбужденном состояниях? Какие валентности и степени окисления проявляют они в соединениях? Приведите примеры соединений, в которых элементы подгруппы углерода проявляют:

а) положительные степени окисления +2, +4; б) отрицательную степень окисления –4.

456

4.Каков характер оксидов элементов подгруппы углерода и соответствующих им гидроксидов?

5.Какие летучие водородные соединения образуют элементы подгруппы углерода?

6.Охарактеризуйте особенности углерода, обусловленные строением его атома и положением в периодической системе элементов.

7.В каком виде углерод встречается в природе? Приведите примеры важнейших природных соединении углерода.

8.Каковы аллотропные модификации углерода? Чем обусловлено различие физических свойств алмаза и графита? Где применяются алмаз и графит?

9.Охарактеризуйте важнейшие химические свойства углерода.

10.Каков тип химической связи в молекулах СО и СО2?

11.Каковы физические и химические свойства оксидов углерода?

12.Как образуется угольная кислота? Напишите уравнения ступенчатой диссоциации этой кислоты.

13.Какие соли образует угольная кислота? Приведите примеры кислых и средних солей угольной кислоты. Какова растворимость гидрокарбонатов и карбонатов в воде?

14.Какие реакции являются качественными реакциями на углекислый газ и карбонат-ион?

15.Как разлагаются карбонаты и гидрокарбонаты при нагревании? Карбонаты каких металлов не подвергаются термическому разложению?

Задачи и упражнения для самостоятельной работы

СO2 Са(НСO3)2 СаСО3 СаСl2 Са(ОН)2 СаСО3? Напишите уравнения происходящих реакций.

457

3.При нагревании угля с концентрированной серной кислотой выделяется оксид углерода (IV) и оксид серы (IV). Напишите уравнение реакции.

4.Какой объем оксида углерода (IV) при н. у. потребуется для получения гидрокарбоната кальция из 7,4 г гидроксида кальция?

5.При нагревании 20 г гидрокарбоната натрия выделилось 2,24 л оксида углерода (IV) при н. у. Какая массовая доля (в %) гидрокарбоната разложилась?

6.62,5 г мрамора, содержащего 20 % примесей, обработали избытком соляной кислоты. Образовавшийся газ пропустили через раскаленный уголь. Какой газ и в каком объеме при этом образуется?

7.Что является окислителем, а что восстановителем в реакции образования фосгена:

СО + Сl2 = СОСl2?

8.Какие вещества образуются при взаимодействии 72 г магния с избытком оксида углерода (IV)? Вычислите их массы.

9.96 г смеси карбоната и гидрокарбоната натрия прокалили до постоянной массы, равной 69 г. Какова масса компонентов в исходной смеси?

§ 8.10. Кремний и его важнейшие соединения

Кремний является аналогом углерода, находится в главной подгруппе IV группы, в третьем периоде. Его порядковый номер — 14, атомная масса — 28. Электронная конфигурация атома кремния: 1s22s12p63s23p1. Строение внешнего электронного слоя:

Как и углерод, кремний является неметаллом и проявляет в своих соединениях и положительные, и отрицательные степени окисления, наиболее характерными из которых являются следующие:

458

–4 (силан SiH4, силициды металлов Mg2Si, Ca2Si и др.); 0 (простое вещество кремний Si);

+4 (оксид кремния (W), кремниевая кислота H2SiO3 и ее соли — силикаты, галогениды кремния (ГУ) SiF4 и др.).

Наиболее устойчива для кремния степень окисления +4.

Нахождение в природе

Кремний — один из самых распространенных в земной коре элементов (более 25 % массы). Если углерод — основной элемент органической жизни, то кремний играет подобную роль в неживой природе. Главная часть земной коры состоит из силикатных пород, представляющих собой соединения кремния с кислородом и рядом других элементов. Природные силикаты — это довольно сложные вещества. Их состав обычно изображается как соединение нескольких оксидов. Соединения, в состав которых входит оксид алю-

миния, называются алюмосиликатами. Таковы: белая глина Аl2О3 · 2SiO2 · 2Н2О, полевой шпат К2О · Аl2О3 · 6SiO2, слюда

К2О · Аl2О4 · 6SiO2 · Н2О.

Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями, например, аквамарин, изумруд, топаз и др.

Значительная часть природного кремния представлена оксидом кремния (IV) SiO2. Свободного SiO2 в земной коре около 12 %, в виде горных пород — 43 %. В общей сложности более 50 % земной коры состоит из оксида кремния (IV).

Очень чистый кристаллический SiO2 известен в виде минералов горного хрусталя и кварца. Кварц распространен в виде песка и очень твердого минерала кремня (гидратированного оксида кремния (IV), или кремнезема).

Оксид кремния (IV), окрашенный различными примесями, образует драгоценные и полудрагоценные камни — агат, аметист, яшма. В свободном виде кремний в природе не встречается.

Получение

В промышленности для получения кремния используют чистый песок SiO2. В электрических печах при высокой тем-

459