Лабораторная работа 27 Углерод. Кремний

Цель работы: изучить химические свойства соединений углерода и кремния.

Задание: получить оксид углерода (IV) и исследовать его кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства; получить кремниевую кислоту и сравнить ее силу с угольной кислотой. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

Углерод и кремний находятся в главной подгруппе IV группы. Их атомы имеют на внешнем уровне 4 электрона (ns²np²), могут проявлять степени окисления от -4 до +4. Наиболее характерной степенью окисления является +4.

Углерод и кремний при обычных условиях весьма инертны, не растворяются в воде, разбавленных кислотах, вступают в реакцию только с очень энергичными окислителями. При нагревании химическая активность их повышается.

Углерод и кремний образуют оксиды СО, СО₂, SiO₂. Оксид углерода (П) СО – несолеобразующий оксид. При обычных условиях не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, является энергичным восстановителем.

Оксид углерода (IV) СO₂ – кислотный оксид, реагирует со щелочами, водой. В водном растворе оксида углерода (IV) устанавливается следующее равновесие;

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺+НСO₃‾ ↔ 2H⁺ + CO₃²‾

Н₂СO₃ – слабая непрочная кислота, существует только в разбавленных растворах. Будучи двухосновной кислотой, угольная кислота образует два ряда солей – карбонаты и гидрокарбонаты. Из карбонатов в воде растворимы только карбонаты щелочных металлов и аммония, гидрокарбонаты растворимы почти все. СO₂ может быть окислителем при взаимодействии только с очень сильными восстановителями. Например, в его атмосфере горит магний, при этом СО₂ восстанавливается до СО или до свободного углерода. В лаборатории СO₂ получают в аппарате Киппа по реакции

СаСОз + 2HCl = СаСl₂ + СO₂ + Н₂O

Оксид кремния (IV) SiO₂ по своему характеру является кислотным оксидом, химически устойчив. Оксиду кремния соответствует кремниевая кислота Н₂SiO₃, не растворимая в воде. Осадок имеет вид бесцветного студня, причем состав его отвечает не простой формуле H₂SiO₃, а более общей nSiO₂∙mН₂О. Кремниевая кислота очень слабая, легко выделяется из растворов солей другими кислотами, даже угольной. Соли кремниевой кислоты называются силикатами. Из силикатов растворимы только соли щелочных металлов. Их растворы подвергаются гидролизу и имеют щелочную реакцию

2Na₂SiO₃ + 2Н₂О = Na₂Si₂O₅ + 2NaOH

Выполнение работы

Опыт 1. Растворение оксида углерода (IV) в воде

В пробирку налить 3-4 мл воды, добавить несколько капель синего лакмуса и пропустить в воду СO₂ из аппарата Киппа.

Требование к результатам опыта:

Написать уравнение реакции взаимодействия воды с СО₂ и объяснить изменение окраски лакмуса.

Опыт 2. Тушение огня оксидом углерода (IV) (групповой)

Сухой стакан наполнить СO₂ из аппарата Киппа. В фарфоровую чашку, налить 15-20 капель спирта и поджечь его. Затем "вылить" из стакана СO₂ на горящий спирт. Что наблюдается?

Опыт 3. Окислительные свойства оксида, углерода (IV) (групповой)

Наполнить стакан СО₂. Взять щипцами ленту магния, поджечь ее на спиртовке и быстро внести в стакан с СО₂, не касаясь его стенок. По окончании горения магния в стакан налить немного воды, обмыть стенки стакана, прилить несколько капель фенолфталеина. Что наблюдается?

Требования к результатам опыта:

1. Закончить уравнения реакций: Mg + CO₂ =

MgO + H₂O =

2. Сделать вывод об окислительных свойствах СО₂.

Опыт 4. Получение кремниевой кислоты

К 1-3 мл концентрированного раствора Na₂SiO₃ и добавить 1-2 мл раствора HCl (1:1), перемешать стеклянной палочкой. В результате образования кремниевой кислоты содержимое пробирки застывает в виде прозрачного геля (студенистого осадка).

Требование к результатам опыта:

Написать уравнение реакции получения кремниевой кислоты.

Опыт 5. Сравнение силы угольной и кремниевой кислот

Налить в пробирку 2-3 мл раствора Na₂SО₃, пропустить ток СO₂. Объяснить наблюдаемое.

Требование к результатам опыта:

Написать уравнение реакции взаимодействия Na₂SО₃ с СO₂.

Опыт 6. Гидролиз силикатов

В две пробирки налить по 1-2 мл раствора силиката натрия Na₂SiO₃. В одну прилить несколько капель фенолфталеина. Что наблюдается? В другую пробирку добавить 2-4 мл раствора хлорида аммония NH₄Cl. Определить, какой газ выделяется.

Требования к результатам опыта:

1. Составить уравнение реакции гидролиза силиката натрия.

2. Закончить уравнение реакции Na₂SiO₃ + NH₄Cl + H₂O = и объяснить образование газа.

Задачи

№ 27.1. Сколько кубических метров СО₂ (н.у.) можно получить из 1 т известняка, содержащего 95 % СаСО₃? (Ответ: 212,8 м³).

№ 27.2. Вычислить объем одного моля эквивалентов СО₂ в реакции

С + О₂ = СО₂ при нормальных условиях. (Ответ: 5,6 л).

№ 27.3. Составить уравнения реакций взаимодействия: а) NaHCO₃ и HCl; б) NaHCO₃ и NaOH; в) Ca(HCO₃)₂ и NaOH; г) Ca(HCO₃)₂ и Ca(OH)₂.

№ 27.4. Какие типы гибридизации АО характерны для углерода? Описать с позиций метода ВС строение молекул СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂.

№ 27.5. Карбид кальция получают по схеме: СаО + С → СаС₂ + СО. Вычислить массу СаО, необходимую для получения 6,4 т СаС₂. Какой объем СО (н.у.) при этом образуется? (Ответ: 5,6 т; 2240 м³).

№ 27.6. Вычислить энтальпию образования оксида магния, исходя из уравнения реакции CO₂ + 2Mg = 2MgO + C, ΔH⁰ = -810 кДж.

Δ_fH⁰ (CO₂) = -393,5 кДж/моль. (Ответ: 601,8 кДж/моль).

№ 27.7. Закончить уравнения реакций: а) SiO₂ + KOH =;

б) SiO₂ + HF =; в) Si + NaOH + H₂O =; г) SiO₂ + Mg

№ 27.8. Реакция протекает по уравнению Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + H₂. Сколько кремния и воды потребуется для получения водорода, необходимого для наполнения воздушного шара емкостью 200 м³ (условия нормальные)? (Ответ: Si – 125 кг; Н₂О – 80,3 кг).

№ 27.9. Вычислить молярную массу эквивалентов карбоната натрия при взаимодействии с кислотой, если образуется:

а) гидрокарбонат; б) угольная кислота. (Ответ: 106 г/моль; 53 г/моль).

№ 27.10. Какие вещества и в каком количестве требуются для получения 1 л SiH₄ (условия нормальные)?

№ 27.11. Какие из перечисленных газов при пропускании их через раствор щелочи вступают с ней в реакцию: а) СО; б) СО₂; в) HCN; г) CF₄?

Составить соответствующие уравнения реакций.

№ 27.12. Вычислить энтальпию образования SiC, исходя из уравнения реакции: SiO₂ + 3C = SiC + 2CO, ΔH⁰_х.р. = 510,9 кДж.

Энтальпии образования SiO₂ и СО соответственно равны -910,9 кДж/моль

и -110,5 кДж/моль. (Ответ: -179 кДж/моль).

№ 27.13. Закончить уравнения реакций:

а) CO + KMnO₄ + H₂SO₄ = б) CO + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ =

№ 27.14. Через раствор, содержащий 112 г гидроксида калия, пропустили диоксид углерода, полученный при действии избытка HCl на 300 г карбоната кальция. Какая соль при этом образовалась и какова ее масса?

(Ответ: КНСО₃; 200 г).

№ 27.15. Какой объем СО₂ (н.у.) может дать огнетушитель, содержащий

20 л 8 %-ного раствора NaHCO₃ (плотность раствора 1,058 г/см³)?

(Ответ: 448 л).

№ 27.16. Состав минерала асбеста может быть выражен формулой

CaО ∙ 3MgО ∙ 4SiO₂. Вычислить процентное содержание SiO₂ в асбесте.

(Ответ: 57,7 %).

№ 27.17. Какой объем СО₂ (условия нормальные) можно получить из 210 г

NaHCO₃: а) прокаливанием; б) действием кислоты? (Ответ: 28 л; 56 л).

№ 27.18. Закончить уравнения реакций: а) CaC₂ + H₂O =;

б) Mg₂Si + HCl =; в) CO + Fe₂O₃ =; г) SiO₂ + Na₂CO₃

№ 27.19. В пробирках находятся растворы: NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃. С помощью каких реакций можно отличить их друг от друга? Составить соответствующие уравнения реакций.

№ 27.20. Закончить уравнения реакций: а) Si + HNO₃ + HF =;

б) Al + C ; в) Na₂SiO₃ + HCl (конц.) =; г) H₂SiO₃ + KOH =