Неметали IV групи. Матеріал для 11 класу Хімія. Неметали та їх сполуки.

Неметали IV групи

Карбон та Силіцій. Будова атомів.

Чотири кристалічні модифікації карбону:

 

Алотропні видозміни Карбону

Лонсдейліт

Лонсдейліт виявлено в метеоритах і отримано штучно; його структура та фізичні властивості остаточно не встановлено.

Цю речовину називають «гексагональним алмазом», тому що воно складається з графіту, тільки зміненого. У природі дуже рідко зустрічається в метеоритних кратерах, але там його твердість навіть поступається твердості карбонада . Вся справа в домішках, які обов'язково присутні в природних зразках лонсдейліта .

Алотропні видозміни Карбону

 

 

 

 

 

 

 

 

Аморфний вуглець, або просто аморфне вугілля, насправді є кристалічним, але його кристалики такі малі, що їх не видно навіть у мікроскоп. Фізичні властивості «аморфного» вуглецю значною мірою залежать від дисперсності частинок та
від наявності домішок.

Аморфний вуглець

• Стан вуглецю з неврегульованою структурою;
• Вигляд сажі, деревного вугілля.

Адсорбція

• Адсорбція —  явище поглинання газоподібних або розчинених речовин, поглинання молекул, йонів поверхневим шаром твердої речовини.
• Термін адсорбция  походить від латинських слів ad — на, біля і  sorbere — поглинати.
• Речовину, яка здатна адсорбувати на своїй поверхні інші речовини, називають адсорбентом.
• Найважливішими адсорбентами є деревне вугілля, активоване вугілля, силікагель, деякі силікатні мінерали.

Найпоширеніші карбонати:

• Кальцит (CaCO₃)
• Доломіт (CaCO₃ * MgCO₃)

 

Кальцит карбонат CaCO₃ (кальцит) знаходиться в природі в – основному у вигляді вапняку, крейди та мармуру.

Хімічні властивості

Найбільшу хімічну активність мають природні вуглецеві матеріали, але незалежно від модифікації, Карбон є відновником.

Він активно відновлює неметали. За нормальних умов вуглець безпосередньо взаємодіє тільки з фтором. З усіма іншими неметалами реакція йде при нагріванні:

 

Вуглець відновлює метали з оксидів:

 

• Взаємодія з металами:

 

СПОЛУКИ КАРБОНУ IV CO КАРБОН (II) ОКСИД

Фізичні властивості

Карбон (II) оксид СО (чадний газ) — безбарвний газ, малорозчинний у воді, t_пл. = -205°С, t_кип. = -192 °С. Молекула CO лінійна: С ≡ О.

Одержання

CO утворюється при неповному згорянні вуглецю або вуглецевмісних сполук:

У лабораторії CO одержують зневоднюванням мурашиної кислоти:

Промисловий спосіб одержання CO — пропущення вуглекислого газу СО над розігрітим вугіллям:

СО₂ + С = 2СО

Хімічні властивості

Карбон (ІІ) оксид проявляє низьку хімічну активність, однак у реакціях, у яких СО бере участь, він є відновником.

При нагріванні або в присутності каталізатора він взаємодіє з неметалами:

Фосген СОСl₂ — отруйний газ. У промисловості CO використовують для відновлення металів з їхніх оксидів:

CO — несолетвірний оксид, однак він вступає в реакції з водою й лугами  (реакції окиснення-відновлення):

CO біологічно активний: він необоротно взаємодіє з гемоглобіном крові, у результаті чого порушується перенесення кисню від легенів до тканин. На цьому ґрунтується отруйна дія чадного газу.

Сильною отруйною дією вирізняється й продукт взаємодії карбон (II) оксиду з аміаком (ціанідна кислота):

CO + NH₃ = HCN + H₂O  - ціанідна кислота

 

КАРБОН (IV) ОКСИД СО₂

Фізичні властивості

Карбон (IV) оксид СО₂ (вуглекислий газ) — безбарвний газ без запаху,

важчий за повітря, малорозчинний у воді. СО₂ скраплюють під тиском

0,6 МПа,  при температурі -78,5 °С СО₂ сублімується.

Молекула СО₂ лінійна, неполярна:

О = С = О

μ = 0

Одержання

У природі СО₂ утворюється в результаті дихання, а також окиснення різних органічних речовин (гниття тваринних і рослинних залишків, спалювання палива).

У промисловості СО₂ одержують термічним розкладанням кальцій карбонату (випалювання вапняку):

Лабораторний метод одержання СО₂ — взаємодія хлоридної кислоти з кальцій карбонатом:

 

Хімічні властивості

СО₂ — типовий кислотний оксид, вступає у взаємодію з водою, основними й амфотерними оксидами, а також з основами. У результаті реакцій утворюються вугільна кислота або солі-карбонати:

В окисно-відновних реакціях СО₂ проявляє окисні властивості:

СО₂ не підтримує горіння й дихання (при концентрації СО₂ у людини наступає параліч). Однак, деякі речовини можуть горіти в атмосфері СО₂:

2Mg + СО₂ = 2MgO + С

Застосування

СО₂ використовують при гасінні пожеж (коли не можна використовувати воду), у приготуванні мінеральної води й прохолодних напоїв.

В органічному синтезі СО₂ дозволяє створювати інертну атмосферу.

Твердий СО₂ («сухий лід») застосовується для охолодження продуктів, які швидко псуються, приготування й зберігання морозива.

 

КАРБОНАТНА (ВУГІЛЬНА)  КИСЛОТА Н₂СО₃

Фізичні властивості

Карбонатна кислота Н₂СО₃ — нестійка сполука й існує тільки в розведених водяних розчинах.

Одержання

Карбонатна кислота може бути отримана розчиненням у воді карбон (IV) оксиду:

Рівновага в системі зміщена вліво, тому в розчині карбонатна кислота існує не у вигляді молекули Н₂СО₃, а у вигляді гідрату СО₂ • Н₂О.

 

Якісна реакція на карбонат-іони :

 

Якісною реакцією на карбонат - іони є виділення СО2, який можна розпізнати, пропускаючи його через розчин з вапняною водою, в результаті чого утворюється осад(потемніння розчину).

Силіцій

Другий за поширеністю в світі, бо кожний шостий атом на Землі – атом Силіцію, основа всіх гранітів.

Фізичні властивості і значення оксидів

• Силіцій оксид SiO₂ – найпоширеніший твердий оксид
• Атоми Силіцію і Оксигену утворюють атомну кристалічну гратку, тому кристали тверді, тугоплавкі, але крихкі

Силіцій в природі, силікати алюмосилікати:

Силіцій утворює просту речовину – кремній.

Кремній Si — кристалічна речовина темно-сірого кольору з характерним блиском; існувати в аморфному стані. Найстійкіша конфігурація кремнію — алмазоподібна (кубічна гранецентрована кристалічна решітка).

Кристалічний кремній — дуже твердий і тугоплавкий (t_пл. = 1428 °С, t_кип. = 2600 °С), він є напівпровідником. Гексагональна модифікація кремнію нестійка.

Одержання

Кремній одержують відновленням його з оксидів з використанням сильних відновників (С, Mg):

Ця реакція лежить в основі промислового способу одержання кремнію, що здійснюється в електропечах. Отриманий кремній має 95-98% -ву чистоту. Відновлення магнієм частіше застосовують у лабораторіях:

Зберігають галогеніди кремнію в запаяних або щільно закритих посудинах, оскільки на повітрі вони димлять.

При значному нагріванні Силіцій реагує із Сульфуром,

Нітрогеном і Карбоном:

Кремній розчиняється в лугах з утворенням солей кремнієвої кислоти (силікатів):

Більшість кислот пасивує кремній, але в суміші концентрованої плавикової й нітратної кислот він розчиняється:

Кремній взаємодіє з активними металами і їхніми оксидами з утворенням силіцидів металів:

СИЛІЦІЙ (IV) ОКСИД SiO₂

Фізичні властивості

Силіцій (IV) оксид SiO₂ — тверда кристалічна речовина, тугоплавка                 (t_пл. = 1713 °С, t_кип. = 2590 °С). Кристали SiO₂ мають наступну будову.

Хімічні властивості

SiO₂ є кислотним оксидом, однак з водою він не взаємодіє. Взагалі, SiO₂  досить інертний; вступає у взаємодію тільки з активними реагентами.

SiO₂ у процесі сплавляння взаємодіє зі сполуками основної природи (основними оксидами, основами), а також з карбонатами з утворенням солей силікатної кислоти (силікатів):

 

Силікатна кислота

Фізичні властивості

Силікатна кислота Н₄SiO₃  — драглиста речовина, погано розчинна у воді. У пересичених водяних розчинах вона поступово полімеризується й переходить у колоїдний стан.

Одержання

Н₄SiO ₃ одержують, витісняючи її з її солей.

Загальний спосіб одержання силікатів — сплавка SiO₃ з відповідними основами:

Хімічні властивості

Силікатна кислота — слабка (слабша за карбонатну):

Більшість солей силікатної кислоти нерозчинні у воді, розчинні тільки силікати лужних металів. У воді вони піддаються гідролізу за аніоном (солі слабкої кислоти):

Реакція середовища лужна.