Углерод и кремний

1. Углерод и кремний

2.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
• Электронные конфигурации атома углерода
• В соединениях проявляет степени окисления от -4 до +4

3.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
• Электронная конфигурация атома кремния в основном состоянии:
• Электронная конфигурация атома кремния в возбужденном состоянии:
• В соединениях проявляет степени окисления от -4 до +4

4.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Аллотропные модификации углерода – алмаз, графит, аморфный углерод,
карбин, фуллерен, графен
• Алмаз – высокопрочные прозрачные бесцветные кристаллы. Обладает
уникальной твердостью и высоким показателем преломления.
Применяется в:
• Обрабатывающей промышленности
• Электротехнике
• Горной промышленности
• Ювелирном производстве

5.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку, в которой каждый атом
соединён с четырьмя другими атомами углерода, которые расположены в
углах тетраэдра.
• В алмазе все валентные электроны атомов углерода находятся в состоянии
sp3 – гибридизации и участвуют в образовании ковалентных связей

6.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Графит – серая, непрозрачная, жирная на ощупь масса
• Является проводником за счет слоистой структуры
Применяется в:
• Графитовых стержнях-электродах
• Производстве
теплозащитного
материала для головных частей ракет
(термостойкость)
• Получении тиглей
• Изготовлении минеральных красок
• Карандашной промышленности

7.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Графит имеет атомную кристаллическую решётку.
• Атомы углерода в графите находятся в состоянии sp2 – гибридизации.
Внутри слоя каждый атом углерода за счет трех sp2 – гибридных электронов
образует три ковалентные связи с соседними атомами углерода
• Валентный угол равен 120о
• Четвертый негибридный р-электрон каждого атома углерода принимает
участие в образовании связей между отдельными углеродными слоями

8.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Карбин образует цепочечные полимеры, имеющие линейное строение.
Атомы углерода в карбине находятся в состоянии sp-гибридизации и связаны
в цепи двойными или чередующимися тройными и одинарными связями.

9.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Фуллерены являются молекулярными веществами, имеющими состав Сn , где n =
60, 70, 76, 84…
• Фуллерены имеют сферическую форму, напоминающую футбольный мяч,
их молекулы состоят из 12 пятиугольников и (n-12) шестиугольников.
• Можно получить испарением графита в электрической дуге, после чего их
отделяют экстракцией.

10.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом
(монослой).
• Графен может быть свёрнут в цилиндр, образуя углеродные нанотрубки.

11.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Древесный уголь и сажу называют
аморфным углеродом
• Аморфный углерод имеет неупорядоченную
структуру,
состоящую
из
мельчайших
разрушенных слоёв графита
• Получают древесный уголь сухой перегонкой
древесины, поэтому он имеет пористую
структуру
• Сажа — аморфный углерод, представляет
собой микрочастицы. Угольная сажа может
содержать
фуллерены
и
углеродные
нанотрубки. Сажа получается при неполном
сгорании многих органических веществ
• Кокс — чёрная масса из аморфного углерода.
В промышленности кокс получают при
пиролизе каменного угля без доступа воздуха.

12.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Существует аморфный и кристаллический кремний
• Аморфный кремний представляет собой порошок
нерастворимый в воде
бурого
цвета,

13.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Кристаллический кремний – светло-серые, твердые, хрупкие кристаллы
металлического вида
• Имеет структуру алмаза, но по твёрдости уступает ему
• Кристаллы кремния высокой чистоты практически не проводят
электрический ток
• Кремний обладает полупроводниковыми свойствами, что обусловливает его
широкое использование в промышленности
Реакционная
способность
кристаллического
кремния
значительно ниже, чем аморфного!!!

14.

НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе
В ВИДЕ СОЛЕЙ
В САМОРОДНОМ
ВИДЕ
CaCO3
MgCO3
АЛМАЗ И ГРАФИТ
FeCO3

15.

УГЛЕРОД В ЖИВЫХ
ОРГАНИЗМАХ
В организме
человека
достигает около
21 %
2/3 массы
мышц
1/3 массы
костной ткани
В составе
растений и
животных (~18 %)
Выводится из
организма в виде
углекислого газа и
мочевины

16.

НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

17.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Восстановительные свойства:
C + O2 (изб) = CO2
C + 2F2 = CF4
2С + О2 (нед) = 2СО
C + CO2 = 2CO
Si + O2 (изб) = SiO2
C + H2O = CO + H2
• При нагревании смеси кварцевого песка и кокса при температуре 2000 оС:
SiO2 + 3C = SiC + 2CO
• Восстановление малоактивных металлов из из оксидов:
CuO + C = Cu + CO
• Получение сульфидов из сульфатов:
BaSO4 + 4C = BaS + 4CO

18.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• К действию обычных кислот углерод и кремний устойчивы!
• Углерод окисляется концентрированными серной и азотной кислотами:
3C + 4HNO3(конц) = 3CO2 + 4NO2 + 2H2O
C + 2H2SO4(конц) = CO2 + 2SO2 + 2H2O
• Кремний в концентрированной азотной и серной кислотах пассивируется и
растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот:
3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O
• Кремний, в отличие от углерода, растворяется в водных растворах щелочей:
Si + 2NaOH + H2O = NaSiO3 + 2H2

19.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
• Окислительные свойства:
Ca + 2C = CaC2
CaO + 3C = CaC2 + CO
2Mg + Si = Mg2Si
2Al2O3 + 9C = Al4C3 + 6CO
4Al + 3C = Al4C3
2MgO + 3Si = Mg2Si + 2SiO
• Реакция друг с другом:
Si + C = SiC
С + 2H2 = CH4

20. Cоединения углерода и кремния

21.

Оксид углерода (II) и оксид кремния (II)
• Оксид углерода (II) – ядовитый газ, без цвета и запаха, горит голубоватым
пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде
• При пропускании СО в расплав щелочи при высоком давлении образуется
соль муравьиной кислоты
СО + KOH = HCOOK
• Обезвоживание муравьиной или щавелевой кислот в присутствии конц.
серной кислоты:
HCOOH = CO + H2O
H2C2O4 = CO + CO2 + H2O
• В обычных условиях оксид углерода (II) не взаимодействуют с водой,
щелочами или кислотами.
• Оксид углерода (II) может быть получен при восстановлении СО2:
Zn + CO2 = ZnO + CO

22.

Оксид углерода (II) и оксид кремния (II)
• На воздухе СО горит голубоватым пламенем
2СО + О2 = 2СО2
• При нагревании восстанавливает металлы из оксидов
FeO + CO = Fe + CO2
• В присутствии катализатора или под действием облучения СО окисляется
хлором при этом образуя ядовитый газ фосген
СО + Сl2 = COCl2
• При взаимодействии с парами воды идет обратимая реакция:
СО + Н2О ⇆ CO2 + H2
• При нагревании с водородом при повышенном давлении:
СО + 2Н2 ⇆ CH3OH
• Со многими металлами образует летучие соединения – карбонилы:
Fe + 5CO = Fe0(CO)5

23.

Оксид углерода (IV), угольная кислота и ее соли
• Оксид углерода (IV), диоксид углерода, углекислый газ, угольный ангидрид –
газ без цвета и запаха, не поддерживающий дыхания и горения, тяжелее
воздуха, растворим в воде
• Является кислотным оксидом!
• При растворении в воде образуется очень слабая двухосновная угольная
кислота:
H2O + CO2 ⇆ H2CO3 ⇆ H+ + HCO3- ⇆ 2H+ + CO32• Качественная реакция на соли угольной кислоты – взаимодействие с
сильными кислотами:
2H+ + CO32- ⇆ H2CO3 ⇆ H2O + CO2
H+ + HCO3- ⇆ H2CO3 ⇆ H2O + CO2
• При пропускании через известковую воду – белый осадок:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

24.

Оксид углерода (IV), угольная кислота и ее соли
Под действием избытка оксида углерода(IV) нерастворимые в воде
карбонаты:
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2
Гидрокарбонаты при нагревании разлагаются:
2NaHCO3 = Na2CO3 + CO2 + H2O
Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, при нагревании
разлагаются:
MgCO3 = MgO + CO2
При действии конц. щелочей на гидрокарбонаты протекает реакция:
NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H2O

25.

Оксид кремния(IV) и кремниевые кислоты
• Оксид кремния(IV) SiO2 (или кремнезём) — твердое, очень тугоплавкое
вещество, нерастворим в воде, атомная кристаллическая решетка
• При обычных температурах устойчивой модификацией является кварц; с
ростом температуры происходят следующие превращения:
кварц ⇆ тридимит ⇆ кристоболит ⇆ расплав

26.

Оксид кремния(IV) и кремниевые кислоты
• При обычных условиях на кремнезём действуют лишь растворы щелочей и
плавиковая кислота:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
SiO2 + 2KOH = K2SiO3 + H2O
• Реакция с плавиковой кислотой происходит при травлении стекла!
• При сплавлении диоксид кремния реагирует с оснóвными оксидами,
щелочами и карбонатами:
SiO2 + CaO = CaSiO3
SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2
• Реакции лежат в основе промышленных технологий стекловарения, а
также производства цемента
• Обычное стекло получают:
Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2O∙CaO∙6SiO2 + 2CO2
Для получения специальных сортов огнеупорного и «небьющегося» стекла при варке добавляют
оксиды бария, свинца, бора. Для получения цветных стекол вносят также различные добавки:
например, оксид кобальта(III) Co2O3 дает синий цвет, оксид хрома(III) Cr2O3 — зеленый, оксид
марганца(IV) MnO2 — розовый

27.

Оксид кремния(IV) и кремниевые кислоты
• Оксид SiO2 — ангидрид ряда кремниевых кислот, состав которых можно
выразить общей формулой xSiO2 · yH2O:
1) x = 1, y = 1: SiO2 · H2O = H2SiO3 — метакремниевая кислота;
2) x = 1, y = 2: SiO2· 2H2O = H4SiO4 — ортокремниевая кислота;
3) x = 2, y = 1: 2SiO2 · H2O = H2Si2O5 — двуметакремниевая кислота
• Кислоты, молекулы которых содержат более одной молекулы SiO2, относятся
к поликремниевым.
• Растворы силикатов при стоянии на воздухе мутнеют! H2SiO3 слабее угольной
кислоты
• Кремниевая кислота H2SiO3 практически нерастворима в воде; это свойство
используют как качественную реакцию для обнаружения силикат-ионов.
Na2SiO3 + H2O + CO2 =Na2CO3 + H2SiO3
• Получают силикаты сплавлением SiO2 со щелочами или карбонатами

28.

Оксид кремния(IV) и кремниевые кислоты
• Концентрированные растворы силикатов натрия и калия называют жидким
стеклом, они имеют сильнощелочную реакцию
K2SiO3 + H2O ⇆ 2KOH + H2SiO3
• Жидкое
стекло
используют,
например,
для
изготовления
клея,
водонепроницаемых тканей
• Цемент очень широко используют в строительстве как вяжущий материал;
при смешивании с водой цемент затвердевает. Обычно цемент получают в
больших вращающихся печах, где происходит обжиг и размол различных
силикатов
• По принципу «схватывания» условно можно выделить два типа цементов:
обычный цемент и портландцемент
• Процесс «схватывания» обычного цемента, состоящего из силиката кальция,
происходит вследствие образования карбоната кальция при взаимодействии
с углекислым газом воздуха:
CaO ∙ SiO2 + CO2 + H2O = CaCO3 + H2SiO3

29.

Оксид кремния(IV) и кремниевые кислоты
• При схватывании портландцемента углекислота не участвует в процессе, а
происходит
гидролиз
силикатов
с
последующим
образованием
нерастворимых кристаллогидратов
Ca3SiO5 + H2O = Ca2SiO4 + Ca(OH)2
Ca2SiO4 + 4H2O = Ca2SiO4 ∙ 4H2O

30.

Карбиды и силициды
• Соединения углерода и кремния с металлами карбиды и силициды могут
быть получены по реакциям (см. выше)!
• Силициды получают также взаимодействием кремния с гидридами металлов
2CaH2 + Si = Ca2Si + 2H2
• Большинство метанидов и ацетиленидов активно реагируют с водой (тем
более с кислотами), выделяя соответствующие углеводороды:
СaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4
Ag2C2 + 2HCl = 2AgCl + C2H2
• В отличие от карбидов, с водой и кислотами взаимодействуют лишь
силициды щелочных или щелочноземельных металлов, выделяя водородное
соединение кремния моносилан SiH4, которое чаще всего называют просто
силан
CaSi2 + 4HCl = 2CaCl2 + SiH4

31.

Карбиды и силициды
• Силан — бесцветный газ, имеющий запах плесени, самопроизвольно воспламеняющийся на
воздухе, сгорая до:
SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O
• Щелочи очень легко реагируют с силаном:
SiH4 + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 4H2
• Вода также гидролизует силан, но значительно медленнее:
SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4H2
• При нагревании выше 400 oС без доступа воздуха силан распадается (один из способов
получения чистого кремния):
SiH4 = Si + 2H2
• Кроме моносилана SiH4 известны также дисилан Si2H6, трисилан Si3H8, тетрасилан Si4H10 и т.
д. В индивидуальном состоянии в ряду силанов выделены соединения лишь до Si6H14
включительно. Гомологическому ряду силанов отвечает общая формула SinH2n+2
• Подобно алканам, силаны бесцветны, первые члены гомологического ряда при обычных условиях
газы, следующие — жидкости
• Химическая активность силанов и углеводородов (алканов) различна: в противоположность
достаточно инертным алканам силаны весьма реакционноспособны.

32.

ЗАДАНИЕ № 1
Муравьиную кислоту нагрели с небольшим количеством концентрированной
серной кислоты. Выделившийся газ пропустили над нагретым оксидом меди (II),
а затем – через раствор гидроксида кальция. Выпавший осадок белого цвета
прокалили до постоянной массы. Напишите уравнения четырех описанных
реакций.
ЗАДАНИЕ № 2
В двух пробирка находился раствор карбоната натрия. В первую добавили
раствор вещества Х, а во вторую – раствор вещества Y. В первой пробирке
выделился газ, во второй образовался осадок. Из предложенного перечня
выберите вещества Х и Y, которые могут вступать в описанные реакции.
1.
2.
3.
4.
5.
NaOH
HNO3
CO2
NH4Cl
Ba(NO3)2

33.

ЗАДАНИЕ № 3
Установите соответствие между формулой вещества и реагентами, с каждыми из которых это
вещество может взаимодействовать.
ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА
РЕАГЕНТЫ
А) СО
1)
KOH, C, BaO
Б) Si
2)
CaCl2, HCl, H2SO4
В) SiO2
3)
C, NaOH, HF
Г) Na2CO3
4)
Si, HCl, C
5)
O2, NaOH, F2
ЗАДАНИЕ № 4
Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами, которые образуются
при взаимодействии этих веществ.
ФОРМУЛЫ ВЕЩЕСТВ
ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ
А) NaOH и CO2 (изб.)
1)
NaHCO3
Б) NaOH (изб.) и СО2
2)
NaHCO3 + H2O
В) Ca(HCO3)2 и Ca(OH)2
3)
Na2CO3 + H2O
Г) Ca(HCO3)2 и HCl
4)
CaCl2 + CO2 + H2O
5)
CaCO3 + Cl2 + H2O
6)
CaCO3 + H2O

34.

ЗАДАНИЕ № 5
Из перечисленных ниже веществ выберите два, которые в твердом состоянии
образуют атомную кристаллическую решетку.
1. Карбонат калия
2. Диоксид углерода
3. Кварц
4. Силикат кальция
5. Метан
6. Карборунд
ЗАДАНИЕ № 6
Навеску питьевой соды прокалили. Полученный твердый продукт внесли в
раствор гидроксида кальция. Выпавший осадок отфильтровали, высушили и
прокалили с избытком графита. Продукт реакции растворили в соляной
кислоте. Напишите уравнения четырех описанных реакций.

35.

ЗАДАНИЕ № 7
Смесь тонко измельченных диоксида кремния и магния (взят в небольшом
избытке) прокалили. К полученной смеси добавили избыток соляной кислоты,
при этом выделилось 2,24 л (н.у.) газа, который тяжелее воздуха, а масса
нерастворившегося вещества составила 14 г. Найдите массы веществ в
исходной смеси.