Углерод, водород и кремний.
материал для подготовки к егэ (гиа) по теме

1. Водород.

 Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью.

2. Водородные соединения металлов и неметаллов.

1. Ионные гидриды: Получение: Н2 + 2Na -tà2NaH

                                    Свойства: разлагаются водой и кислотами:

                                       NaH + Н2O à NaOH + Н2

                                       СаН2 + 2HCl à CaCl2 + 2Н2

2. Ковалентные водородные соединения:

    Все газы, кроме воды (водородные связи).

Неустойчивые: фосфин и силан.

Основными свойствами обладает: аммиак.

Амфотерные свойства проявляет: вода.

Кислоты образуют  в водном растворе: сероводород и галогеноводороды.

3. Вода. 

   Молекулы воды связаны водородными связями: nH2O = (Н2O)n, поэтому вода жидкая в отличии от ее газообразных аналогов H2S, H2Se и Н2Те.

   Свойства:

1. С металлами:

а) щелочные и щелочноземельные (кроме бериллия и магния):     2Na + 2Н2O = 2NaOH + Н2

б) остальные металлы в ряду активности до Н могут окисляться водяным паром до оксида при высокой температуре:      Fe + 4Н2O-tà Fe3O4 + 4Н2

2. С оксидами щелочных и щелочноземельных металлов:       Н2O + СаО = Са(OH)2

3. С кислотными оксидами растворимых кислот:     P2O5 + 3H2O = 2H3PO4.

4. Гидролиз солей, бинарных соединений металлов и неметаллов:

    2CuSO4 + 2Н2O ⇄ (CuOH)2SO4 + H2SO4

    Al2S3 + 6H2O  2Al(OH)3 + 3H2S

    Са3Р2 + 6Н2О  3Са(ОН)2 + 2РН3↑

    PCl5 + 4H2O  H3PO4 + 5HCl

4. Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

• как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
• кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварки металлов;
• как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
• для получения аммиака и искусственного жидкого топлива, для гидрогенизации жиров.

Элементы IVA-группы.

Углерод.

1. Простое вещество. Имеет несколько аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз – кристаллическое вещество, прозрачное, сильно преломляет лучи света, очень твёрдое, не проводит электрический ток, плохо проводит тепло. Каждый атом углерода находится в состоянии sp3-гибридизации.

Алмаз.

Графит – мягкое вещество серого цвета со слабым металлическим блеском, жирное на ощупь, проводит электрический ток. Атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации и связаны в плоские слои, состоящие из соединенных ребрами шестиугольников, наподобие пчелиных сот.

Графит.

Графит – наиболее устойчивая при комнатной температуре аллотропная модификация углерода.

Карбин – мелкокристаллический порошок серого цвета, полупроводник. Его кристаллы состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединенных чередующимися тройными и одинарными связями, или двойными связями, углерод находится в состоянии sp-гибридизации:    -С≡С-С≡С-С≡С-С≡С-

По твердости карбин превосходит графит, но значительно уступает алмазу.

Фуллерен - искусственно полученная модификация углерода, состоящая из молекул C60, C70, …. C1020. Эти молекулы составлены из атомов углерода, объединенных в пяти и шести угольники с общими ребрами. Это черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников. При давлении порядка 2·105 атм и комнатной температуре фуллерен превращается в алмаз.  

Свойства углерода:

 Карбиды- это соединения углерода с металлами.

 Оксиды углерода.

При растворении углекислого газа в воде образуется очень слабая угольная кислота Н2СО3. 

   Углекислый газ в воде находится преимущественно в виде гидратированных молекул СО2 и лишь в незначительной степени в форме угольной кислоты. При этом в растворе устанавливается равновесие:

           СО2(г) + Н2О ⇄  СО2 · Н2О (раствор) ⇄  Н2СО3 ⇄  Н+ + HCO3- 

Угольная кислота – слабая неустойчивая кислота, которую в свободном состоянии из водных растворов выделить нельзя.

Карбонаты.

1) Карбонаты металлов (кроме щелочных) при нагревании разлагаются:

CuCO3 –t CuO + CO2

2) При пропускании углекислого газа из карбонатов  образуются гидрокарбонаты:

СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2.

3) Гидрокарбонаты разлагаются до карбонатов:  2NaHCO3 –t Na2CO3 + H2O + CO2.

4) Карбонаты и гидрокарбонаты вступают в обменные реакции:

а) с сильными кислотами (качественная реакция на карбонаты):

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2↑;

б) с растворимыми солями и основаниями, если образуется осадок:

  Na2CO3 + Ва(ОН)2 = ВаСО3 ↓+ 2NaOH

  Na2CO3 + СаСl2 = СаСО3 ↓+ 2NaCl

5) Гидрокарбонаты реагируют со щелочами, образуя средние соли:

    КНСО3 + КОН = К2СО3 + Н2О

Кремний.

Физические свойства. Вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см3. Полупроводник.

Химические свойства:

Кремний – типичный неметалл,  может быть окислителем и восстановителем.

Получение кремния.

Силициды – соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4.

         Силициды щелочных и щелочно-земельных металлов характеризуются ионным типом связи, они химически активны. Они легко разлагаются водой  или разбавленными кислотами с выделением силана:  Ca2Si + 2H2SO4 = 2CaSO4 + SiH4.

        В силицидах неметаллов  ковалентная связь. Среди таких силицидов наибольшее значение имеет карбид кремния – карборунд SiC, имеющий структуру алмаза, он характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.

      Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:  2Mg + Si = Mg2Si,

          2MgO + SiO2 + 4C = Mg2Si + 4CO.

Силан SiH4. (моносилан).

Оксид кремния (IV) – кислотный оксид.

В природе – речной песок, кварц.

1) Не реагирует с водой – т.к. кремниевая кислота нерастворима.

2) При сплавлении реагирует со щелочами:   SiO2 + 2KOH -tàK2SiO3 + H2O

3) Реагирует с основными оксидами:  SiO2 + MgО -tàMgSiO3 и карбонатами щелочных металлов: SiO2 + K2CO3 -tà K2SiO3 + CO2 при сплавлении.

4) Из кислот растворяется только в плавиковой:  SiO2 + 6HF = H2[SiF6] + 2H2O

5) При температуре выше 1000 °С реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний: SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

или при избытке восстановителя – силициды: SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO.

6) Взаимодействие с неметаллами.

  Реагирует с водородом: SiO2 + 2Н2 = Si + 2Н2O,  

 Взаимодействует с углеродом:  SiO2 + 3С = SiС + 2СO.

Кремниевая кислота.

Имеет полимерное строение и состав xSiO2 • yH2O. В водных растворах доказано существование ортокремниевой H4SiO4, метакремниевой H2SiO3 кислот.

  Получение: только косвенным путём, из  солей:   Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl

                                                                            Na2SiO3 + 2Н2O + 2CO2 = 2NaHCO3 + H2SiO3↓,

Свойства: 1)Растворяются в концентрированных щелочах: H4SiO4 +4KOH  K4SiO4 + 4H2O

                     2)Разлагаются при нагревании: H2SiO3 -tàSiO2 + H2O

Силикаты. 

Большинство нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».

Получение: 1) растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

                      H4SiO4 + 4KOH  K4SiO4 + 4H2O

                     Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2

                     SiO2 + 2KOH -tàK2SiO3 + H2O

2) Сплавление оксидов: СаО + SiO2 -tà CaSiO3

3) Взаимодействие солей: K2SiO3 + CaCl2 = CaSiO3 + 2KCl

    Стекло – тоже силикат.

Состав обычного оконного стекла: Na2O·CaO·6SiO2.

         Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:     6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 = Na2O·CaO·6SiO2 + 2CO2.

       Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb2+ – хрусталь; Cr3+ – имеет зеленую окраску, Fe3+ – коричневое бутылочное стекло, Co2+ – дает синий цвет, Mn2+ – красновато–лиловый.

Применение кремния и его соединений.

        Кремний используется в электронике для изготовления полупроводниковых приборов. Диоксид кремния применяется для производства стекла, керамики, бетонных изделий и кирпича. Чистый кварц используется в приборостроении.