Химия

Урок 4: Углерод и кремний

Элементы 4 группы. Углерод и кремний

Главная подгруппа IV группа образованна углеродом (С), кремнием (Si), германием (Ge), оловом (Sn) и свинцом (Pb). Все относятся к p-элементам. Внешний энергетический уровень всех элементов данной подгруппы заполнен 4 электронами. Углерод и кремний типичные неметаллы. Оба элемента очень значимы в природе и быту человека. Их подробно изучим далее.

План урока:

Углерод и кремний

Аллотропия углерода и кремния

Свойства углерода и кремния

Химические свойства

 

Углерод и кремний

Строение углерода. Углерод представитель четвертой группы, главной подгруппы. Обозначение в периодической системе – С. Находится он, в системе элементов под номером 6, атомный вес равен 12. Заряд ядра +6. Внешний слой представлен 4 электронами, двумя спаренными s-электронами и двумя неспаренным и р-электронам.

1 uglerod i kremnij
Имеет множество интересных особенностей в своем строении. Элемент поистине уникальный. Называют его «царём органического мира». И за его особенности строения молекулы и атома, он может образовывать множество элементов. А в химии есть целый раздел, изучающий эти соединения. 

2 uglerod i kremnij

группы, главной подгруппы.Но в отличие от углерода он в третьем периоде. Что наделяет его несколько иными свойствами.

3 uglerod i kremnij

Кремний также называют «царем», но только неорганического «мира». Если органическим миром называют совокупность живых организмов их продукты жизнедеятельности. То неорганической называют природу неживую. И ее главное отличие – не способность гореть в огне.

Кремний так же образует множество соединений (второй по распространению в земной породе элемент после кислорода). Состав земной породы можно описать так: соединения кремния и кислорода с другими элементами. Химический знак - Si. Порядковый номер – 14, заряд ядра +14. В свободной форме вещество имеет металлический блеск.

Внешний слой атома кремния такой же, как внешний слой атома углерода. Так же 4 атома, но разница в радиусе, расстоянии до ядра. Оно больше, чем у углерода, а значит атомы менее связаны с ядром.

4 uglerod i kremnij
Нахождение кремния в природе в виде минералов Источник

5 uglerod i kremnij
Строение атома кремния Источник

 

Аллотропия углерода и кремния

Аллотропные формы углерода

Углероду свойственно явление аллотропии. Например, у углерода 4 аллотропные формы: графиталмаз, карбин, фуллерен. По составу это все тот же углерод, но ввиду особенностей строения молекулы каждого из них, имеются различия в физических и химических свойствах.

Открытие фуллерена произошло относительно недавно, в 1985 г, их особенность в строении молекулы, похожей на футбольный мяч. Наиболее распространены молекулы фуллерена С60, состоящего из 60 атомов углерода,и фуллерена С70, состоящего из 70 атомов углерода.

Благодаря своему строению, обладает уникальными свойствами, который открывает широкий спектр применений. Начиная применениями в физике, заканчивая медициной. Молекула является мощнейшим антиоксидантом, используемая даже в борьбе с ВИЧ.

6 uglerod i kremnij
Аллотропные модификации углерода Источник 

Графит и алмаз нам хорошо знакомыПервый используется как грифель для простого карандаша, второй является драгоценным камнем, но ввиду своей прочности используется и в строительстве, и в медицине и т.д. Отличны они по своим физическим свойствам, в силу различий строений графических решеток.

Графит вещество темно-серого цвета, не поддается плавлению, обладает металлическим блеском и достаточно мягкий. Его кристаллическая решетка атомная. Это означает, что в узлах таких решеток атомы, связаны ковалентной полярной или неполярной связью. Такая кристаллическая решетка влияет и на свойства вещества, придавая тугоплавкость, нерастворимость в воде.

7 uglerod i kremnij
Изображение графита при нахождении в природе и графит в грифеле карандаша. 

Алмаз – самое твердое вещество на земле. Цвета не имеет.Плавлению не поддается. Высока твердость и тугоплавкость алмаза объясняется строением кристаллической решетки.Связи между атомами углерода – ковалентные неполярные, они равны по длине и энергии. Поэтому сложно разорвать их.  Иначе называют «кубической аллотропной формой углерода».

8 uglerod i kremnij
Алмазы до и после огранки  

Карбин это еще одна аллотропная модификация углерода, по последним данным это вещество считается тверже алмаза.Было впервые получено и открыто в 1960-х годах. Примечательно, что сначала его получили в лаборатории, а после обнаружили в природе, в виде вкраплений в чаоите (минерал белого цвета, называемый иначе «белый углерод»), графите и в метеоритах.Обладает широкими набором свойств. В обычном состоянии порошкообразное вещество. Также тугоплавкое.

9 uglerod i kremnij
Чаоит  

 

Аллотропия кремния

Аллотропия кремния выражена двумя видами кремния: аморфным и кристаллическим. Это два вещества,одинаковых по составу, но различные построению молекул. Эти отличия наделяют их разными физическими и химическими свойствами, а также различиями во внешнем виде.

Цвет кристаллического кремния темный, почти черный. Присутствует металлический блеск. Твердый на ощупь, при этом хрупкий. Обладает свойствами полупроводником. Полупроводники – вещества, способные проводить электричество. Но по своей способности проводить последнее они находятся между проводниками, хорошо проводящими электрический ток, и диэлектриками, веществами, плохо проводящими электрический ток. 

Кипит и плавится при больших температурах, реакционно не активен. Структуру имеет подобную алмазу.

Аморфный кремний буро-красный по цвету, порошкообразен. Хорошо впитывает воду, но структура такая же как у кристаллического.

10 uglerod i kremnij
Аллотропия кремния

 

Свойства углерода и кремния

Химические свойства углерода

Для углерода нередко характерны разные степени окисления. Но самые распространённые степени окисления: +4, +2. Мало реакционноспособен углерод при комнатной температуре. Но нагревание увеличивает реакционную способность и углерод взаимодействует с некоторыми металлами и кислотами, а также с кислородом, азотом, галогенами и водородом.

Однако для углерода характерны реакции, в которых он проявляет восстановительные и окислительные свойства.

11 1 uglerod i kremnij

11 2 uglerod i kremnij

12 uglerod i kremnij

 

Химические свойства кремния

Неметалл, мало реакционноспособен.  Характерные степени окисления: от -4 до +4. Элемент, очень распространенный в земной коре, уступает первенство лишь кислороду. Значительное распространение получил именно оксид этого элемента, входя состав разных пород, а главное песка, кварца и глины. Большое значение имеет в жизни человека, т.к. из оксида делают стекло, цемент. В чистом виде представляется в виде минерала – горного хрусталя. Так же входит в состав драгоценных и полудрагоценных камней.

Особое внимание уделяется влиянию кремния на свойства стали. Кремний, при добавлении к стали, изменяет атомную решетку железа (сталь состоит из железа, углерода и других элементов). Это влияет на свойства стали: увеличиваются магнитная проницаемость, упругость и сопротивляемость к коррозии, прочность.

13 uglerod i kremnij

14 1 uglerod i kremnij

14 2 uglerod i kremnij

 

Оксид углерода (II) СО

Называемый иначе угарным газом. Вещество бесцветное, не имеющее запаха. В мире часто происходят отравления угарным газом животных и людей.В воде не растворяется, но в органических растворителях, напротив, хорошо растворимо t°кип = -192°C; t пл = -205°C.

Известны два вида получения. В промышленности и лабораторных условиях. Первый необходим для получения в больших объёмах, ведь данный газ активно используется в химической промышленности как сырье для синтеза других веществ, на основе углерода.

15 uglerod i kremnij

Свойства оксида. При обычных условиях CO мало активен. При повышении температуры вступает в реакцию.  Солей не образует.

Химические свойства:

16 1 uglerod i kremnij

16 2 uglerod i kremnij

 

Оксид углерода (IV) СO2

Более известен как углекислый газ. Не имеющий цвета и запаха.  Превышает массу воздуха. Температура t°пл= -78,5°C (твёрдый CO2 называется «сухой лёд»); не поддерживает горение (вступает в реакцию с кислородом, что делает невозможным горение). Распространён повсеместно. Очень значим в природе.

Получение

17 uglerod i kremnij

 

Свойства (углекислого газа) СO2

Углекислый газ - кислотный оксид,реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты. Качественной реакцией (реакция для обнаружения вещества) является помутнение известковой воды.

18 uglerod i kremnij

Так как оксид обладает свойством предотвращать горение,его используют в противопожарных условиях. А также углекислый газ используют при изготовлении газированных напитков.

 

Химические свойства

19 1 uglerod i kremnij

19 2 uglerod i kremnij

Отдельно отметим значение углекислого газа в фотосинтезе. Коротко эту реакции можно описать следующим образом:

20 uglerod i kremnij

Фотосинтез - химический процесс образования органических веществ и кислорода зелеными растениями из углекислого газа, под действием солнечного света.

21 uglerod i kremnij
Рисунок процесса фотосинтез Источник

Угольная кислота

Угольная кислота образуется при растворении оксида углерода (IV) в воде. А если быть еще точнее, то раствор углекислого газа и является угольной кислотой. Очень нестабильная кислота, после получения сразу разлагается на воду и газ.

Получение:

CO2­ + H2O↔H2CO3  

Реакция разложения угольной кислоты:

H2CO3 → CO2 + H2O

Угольная кислота взаимодействуя с щелочами. Образует средние (соли, в состав которых входят металлический химический элемент и кислотный остаток) и кислые соли (в состав которых, кроме металлического химического элемента и кислотного остатка, входят атомы водорода) угольной кислоты. Последние называют гидрокарбонатами, первые – карбонаты.

22 uglerod i kremnij

Такие понятия, встречаемые в природе и в повседневной жизни, как временная жесткость воды и постоянная жесткость объясняется наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния и другими солями этих же элементов. Общая жесткость воды определяется суммой постоянной и временной жесткости.

Устранить жесткость воды можно различными содами. Например, кальцинированной содой (Na2CO3), т.е. карбонатом натрия, или же пищевой содой (NaHCO₃).Так же в быту для борьбы с накипью используют лимонную кислоту.

Если, к примеру, мы хотим очистить чайник от накипи, то зальем в него воды, добавим немного соды или лимонной кислоты, на выбор. Прокипятим и тщательно промоем. Не рекомендуется использовать уксус, т.к. он слишком летуч при кипячении и в воздухе окажутся вредные пары.

И чем жесткость выше, тем больше содержания в воде солей кальция и магния, а значит при кипячении такой воды образуется большое количество накипи. Накипь, систематически попадающая в организм, вредна. Она откладывается в организме человека, отрицательно влияя на функциональность органов и здоровье в целом. Так же этот процесс уменьшает срок службы бытовых электроприборов. Например, стиральных машин.

23 uglerod i kremnij
Накипь в чайнике  

24 uglerod i kremnij

 

 

Оксид кремния (IV)

Данный оксид известен как кремнезём SiO2. Диоксид кремния является песком, содержание в котором кремния прямо влияет на свойства песка, улучшая их.  Вещество твердое, плохо растворяется в воде, тугоплавкое. Отличительной особенностью можно назвать немолекулярное строение.

В естественной природной среде оксид данный встречается в виде песка, кварца и горного хрусталя, а также входит в состав глины и многих других элементов.

Данный оксид является кислотным, и при его взаимодействии с щелочами и амфотерными оксидами образуются силикаты, соли кремневой кислоты. Не реагирует с водой.

25 uglerod i kremnij
Источник

Кремневая кислота – это одна из слабых кислот. А слабыми называют кислоты, плохо растворяющиеся в воде.Нагревание разлагает эту кислоту на воду и диоксид кремния (SiO₂). 

26 uglerod i kremnij

Силикаты — это соли кремниевой кислотыПриродные силикаты являются сложными соединениями. Среди них растворимы в воде только соли калия и натрия. Соли калия и натрия еще называют растворимыми стеклами, а их раствор – жидким стеклом.

Природные силикаты, это варианты соединения кремния с кислородом и другими элементами, среди которых: натрий, магний, кальций, алюминий, литий, бор, железо, калий, водород и т.д. Кристаллические решетки данной группы соединений составлены из тетраэдров кремния и кислорода, в соотношении 1:4 соответственно. И именно на основе этих комбинаций происходит следующая классификация типов силикатов.

Таблица классификация силикатов

27 1 uglerod i kremnij

27 2 uglerod i kremnij

27 3 uglerod i kremnij

Стекло – материал, активно используемый в быту. По своим свойствам хрупкий и прозрачный. Получают при варке сырьевой смеси (шихты) из песка, соды и известняка в специально приспособленных печах.

28 uglerod i kremnij
Процесс производства стекловолокна Источник

29 uglerod i kremnij

 

Вывод

Углерод и кремний уникальные элементы. Очень значимые как в жизни человека, так и в природе. Оба элемента очень распространены на Земле. Углерод составляет основу органических соединений, а значит является основой «живого» на Земле. Так же сам углерод в чистом виде, а точнее его аллотропная модификация алмаз, прослыли «самым твёрдым» веществом на нашей планете!

Кремний - основа большинства неорганических соединений, а содержание его в земной коре, в виде оксида, составляет 12%. Растениям атомы данного элемента придают особу прочность, входя в состав. Благодаря чему последние растут вверх, а не расползаются по земле.

Соединения этих элементов тоже очень значимы.  Например, соединения кремния получили широкое применение в силикатной промышленности. А соединения углерода очень востребованы как топливо.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Выберите значение, соответствующее заряду ядра атома углерода:
1+6
2+10
3+18
4+28
Ответить
1
Вопрос: 2
Выберите значение, соответствующее заряду ядра атома кремния:
1+7
2+5
3+4
4+14
Ответить
4
Вопрос: 3
Аллотропные видоизменения углерода указаны в ряду:
1графит, алмаз, карбин, фуллерен
2аметист, кварц, кремнезёма
3шихты, графит, карбонат
Ответить
1
Вопрос: 4
Выберите формулу угольной кислота:
1H4SiO4
2H2CO3
3H2SiO3
Ответить
2
Вопрос: 5
При добавлении какого вещества получают хрусталь.
1Кремнозем
2Оксид кремния
3Оксид свинца
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Выберите значение, соответствующее заряду ядра атома углерода:
1) +6 2) +10 3) +18 4) +28
2 вопрос:

Выберите значение, соответствующее заряду ядра атома кремния:
1) +7 2) +5 3) +4 4) +14
3 вопрос:

Аллотропные видоизменения углерода указаны в ряду:
1) графит, алмаз, карбин, фуллерен 2) аметист, кварц, кремнезёма 3) шихты, графит, карбонат
4 вопрос:

Выберите формулу угольной кислота:
1) H4SiO4 2) H2CO3 3) H2SiO3
5 вопрос:

При добавлении какого вещества получают хрусталь.
1) Кремнозем 2) Оксид кремния 3) Оксид свинца
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: +6
2 вопрос: +14
3 вопрос: графит, алмаз, карбин, фуллерен
4 вопрос: H2CO3
5 вопрос: Оксид свинца