Углерод и кремний

Элементы IV группы главной подгруппы

Углерод.

План: 1. Нахождение в природе. 2. Электронное строение и положение в ПСХЭ. 3. Методы получения: лабораторные и промышленные. 4. Аллотропные видоизменения углерода. 5. Химические свойства. Карбиды. 6. Применение. Токсичность. 7. Интересное об углероде.

Нахождение в природе

Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме ( ), а в литосфере - в виде минералов. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.

Положение в ПСХЭ

Общая характеристика элементов подгруппы углерода.

Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а, следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать.

Электронное строение

В нормальном состоянии элементы этой подгруппы проявляют валентность, равную 2. При переходе в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом одного из s – электронов внешнего слоя в свободную ячейку p – подуровня того же уровня, все электроны наружного слоя становятся не спаренными и валентность при этом возрастает до 4.

Методы получения: лабораторные и промышленные

Углерод Неполное сжигание метана: СН4 + О2 = С + 2Н2О Оксид углерода (II) В промышленности: Оксид углерода (II) получают в особых печах, называемых газогенераторами, в результате двух последовательно протекающих реакций. В нижней части газогенератора, где кислорода достаточно, происходит полное сгорание угля и образуется оксид углерода (IV): C + O2 = CO2 + 402 кДж.

По мере продвижения оксида углерода (IV) снизу вверх последний

соприкасается с раскалённым углём: CO2 + C = CO – 175 кДж. Получающийся газ состоит из свободного азота и оксида углерода (II). Такая смесь называется генераторным газом. В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар: C + H2O = CO + H2 – Q, «CO + H2» - водяной газ. В лаборатории: Действуя на муравьиную кислоту концентрированной серной кислотой, которая связывает воду: HCOOH ? H2O + CO?.

Оксид углерода (IV) В промышленности: Побочный продукт при

производстве извести: CaCO3 ? CaO + CO2?. В лаборатории: При взаимодействии кислот с мелом или мрамором: CaCO3 + 2HCl ? CaCl2 + CO2?+ H2O. Карбиды Карбиды получают при помощи прокаливания металлов или их оксидов с углём.

Угольная кислота Получают растворением оксида углерода (IV) в воде

Так как угольная кислота очень не прочное соединение, то эта реакция обратима: CO2 + H2O ? H2CO3. Кремний В промышленности: При нагревании смеси песка и угля: 2C + SiO2 ? Si + 2CO. В лаборатории: При взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния: 2Mg + SiO2 ? 2MgO + Si.

Кремниевая кислота Получают при действии кислот на растворы её солей

При этом она выпадает в виде студенистого осадка: Na2SiO3 + HCl ? 2NaCl + H2SiO3? 2H+ + SiO32- ? H2SiO3?

Аллотропные видоизменения углерода

Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Графит

Мягкий графит имеет слоистое строение. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ.

Рис.2 Модель решетки графита.

Алмаз

Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан».

Рис.1 Модель решетки алмаза.

Карбин и Зеркальный углерод

Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Зеркальный углерод имеет слоистое строение. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.

Химические свойства

Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода :Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2 С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом: С + 2Н2 = СН4

Карбиды

Соединения углерода с металлами и другими элементами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называются карбидами. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 При взаимодействии с водой карбида кальция – ацетилен: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2

Применение

Углерод определяется тем, что свыше 90 % всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо. Гидрокарбонат натрия продают в аптеках и продовольственных магазинах под названием питьевой соды.Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.

Оксид углерода (IV)

? Получение сахара. ? Тушение пожаров. ? Производство фруктовых вод. ? «Сухой лёд».

Оксид кремния (IV)

Силикатных кирпичи. Керамические изделия. Стекло.

Силикаты

Клей.

Интересный факт

Подземный углерод мог не раз вызвать массовое вымирание на планете и постоянно грозит разразиться новой катастрофой в любой момент. Одно из этих событий произошло 245 миллионов лет назад в конце Пермской эры, которая представляла собой самый трагический случай вымирания фауны в земной хронологии: ископаемые породы свидетельствуют о вымирании тогда около 96% всех морских обитателей. Возможно подобный же случай привел к началу вымирания динозавров задолго до катастрофы с падением астероида 65 миллионов лет.

Конец