УГЛЕРОД И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ.

ЛЕКЦИЯ №23.

Углерод, кремний и их соединения.

План.

1. Характеристика углерода:

1) положение в периодической системе

2) нахождение в природе

3) получение

4) физические свойства

5) химические свойства.

1. Соединения углерода.
2. Характеристика кремния:

1) положение в периодической системе

2) нахождение в природе

3) получение

4) физические свойства

5) химические свойства.

1. Соединения кремния.

УГЛЕРОД И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ.

I. Общая характеристика подгруппы углерода: C, Si, Ge, Sn, Pb.

 

Наибольшими металлическими свойствами обладает Pb, т.к. у него радиус наибольший, он легче отдает электроны. На последнем энергетическом уровне содержит 4 валентных электрона. Степени окисления: -4, 0, +2, +4.

В ряду С ® Pb уменьшается прочность водородных соединений.

CH₄ - метан - прочное вещество.

PbH₄ - в свободном виде не выделено.

 

II. Характеристика углерода, исходя из его положения в периодической системе.

 

С 1s² 2s² 2p² ст. ок. -4, 0, +2, +4.

))

2 4

 

12 ₁p = 6 + ₀n = 6

С = -----------------------

6 e^- = 6

высший оксид: CO₂ CO₂

высший гидроксид: H₂CO₃

H₂O

III. Физические свойства:

Встречается углерод в виде 3 аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, которые резко различаются по физическим свойствам.

Алмаз - бесцветное кристаллическое вещество с атомной решеткой. Одно из самых твердых веществ на земле. Твердость обусловлена строением. В кристаллах алмаза все атомы расположены на одинаковых расстояниях друг от друга, расстояние между центрами атомами 1,54А°. Плотность алмаза) равна 3,5 г/см³. Он не проводит электрического тока. Шлифованный алмаз называется бриллиантом. Алмазы сильно преломляют свет. Атомы углерода в алмазе образуют геометрическую фигуру - тетраэдр.

Графит - темно-серое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском, жирное на ощупь, хорошо проводит электрический ток и теплоту, самое мягкое из твердых веществ, плотность его от 2,17 г/см³ до 2,3 г/см³. Температура плавления = 3700⁰С. Атом углерода находится в состоянии sp² - гибридизации Атомы углерода объединены в плоские слои, состоящие из правильных шестиугольников. Все связи направлены друг к другу под углом 120⁰. 3 валентных электрона атома углерода участвуют в образовании ковалентных связей с тремя соседними атомами. Четвертый валентный электрон остается подвижным как в металле и может перемещаться от одного атома углерода к другому. За счет таких атомов углерода возникает металлическая связь.

Расстояние между соседними атомами углерода в шестиугольниках 1,42 - 1,43 А, а расстояние между слоями в графите 3,35 А.

Карбин - черный мелко кристаллический порошок, обладает полупроводниковыми свойствами. Кристаллы состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями:

- С = С- С = С- С = С... или (- С = С-)n.

По твердости карбин превосходит графит, но значительно уступает алмазу. При нагревании до 2800⁰С и давлении в 1 атм без доступа воздуха превращается в графит. При высокой температуре и высоким давлением графит превращается в алмаз.

Аллотропные разновидности углерода взаимо-превратимы.

Уголь - это черная масса, получаемая при термическом разложении углеродистых соединений, представляющая собой тонко измельченный графит. Наиболее важными сортами угля являются:

1. Кокс (получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха), применяются в металлургии в качестве восстановителя.

2. Древесный уголь (получают при нагревании без доступа воздуха или при незначительном доступе).

3. Сажа (получают из углеводородов при сжигании их в ограниченном доступе воздуха или без доступа воздуха).

Используют сажу как наполнитель в производстве резины, для изготовления черных красок (туш, типографская краска, сапожная вакса).

4. Стеклоуглерод - аморфный углерод. Получают при термическом разложении углеродистых соединений. У него уникальные свойства - это большая механическая прочность, малая плотность, электропроводимость, тугоплавкость и устойчивость к агрессивным средам. Поэтому его используют для изготовления аппаратуры для агрессивных сред в авиации и космонавтике.

Сухая перегонка - это нагревание природных соединений без доступа воздуха или незначительном количестве воздуха.

 

АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ:

Активированный уголь – это уголь, образованный перегретым паром, за счет чего поглотительная способность их в значительной мере увеличивается. Уголь обладает большой адсорбционной способностью. Это свойство открыто русским химиком Ловицем.

Адсорбция - это свойство угля и других веществ удерживать на своей поверхности пары, газы и растворенные вещества.

Адсорбенты - это вещества, на поверхности которых происходит адсорбция. Адсорбаты - адсорбируемые вещества. Адсорбционная способность угля используется для очистки в противогазах (первый противогаз создал русский химик Зелинский в 1914 году). В медицине используют таблетки активированного угля, их применяют при диспепсии, метеоризме, пищевых интоксикаций, отравлениях алкалоидами, солями тяжелых металлов и т.д.

 

 

Распространение в природе:

 

1. Встречается в виде алмаза, графита.

2. Входит в состав растительных и животных тканей и в продукты их разрушения: торф, каменный уголь, нефть.

3. В состав воздуха в виде СО_2.

4. СаСО₃ - мел, мрамор, известняк.

5. Мg СО₃ - магнезит.

6. СаСО₃ · Мg СО₃ - доломит.

 

В земной коре углерода 0,14 ат.%; 0,35 весовых %.

По распространенности в земной коре углерод занимает одиннадцатое место.

 

Получение углерода:

1. При термическом разложении (при сухой перегонке углеродистых соединений).

2. При сгорании углеродистых соединений.

 

Химические свойства:

Углерод взаимодействует:

1. С металлами:

а) 4Al + 3C ®^t Al₄C₃

карбид алюминия.

б) Сa + 2C ®^t CaC₂

карбид кальция

2. С неметаллами:

а) C + O₂ ®^t CO₂

б) C + 2H₂ ®^t CH₄

3. Со сложными веществами:

а) С + СО₂ ® 2СО­

б) С + Н₂О ® СО­ + Н₂­

водяной газ

в) С + SnО₂ ® ^t Sn¯ + СО₂­

 

Углерод обладает восстановительными свойствами, поэтому его можно использовать для получения металлов из их оксидов.

 

г) С + 2Н₂SО₄ (к.) ® СО₂­ + 2SО₂­ + 2Н₂О

д) 3С + 4НNO₃ ® 3СО₂­ + 4NO­ + 2Н₂О

 

ВАЖНЕЙШИЕ СОЕДИНЕНИЯ:

1. СО - угарный газ, способен соединятся с гемоглобином крови и тем самым лишает возможности присоединять кислород. В результате организм погибает от недостатка кислорода. Отравление наступает при длительном вдыхании СО, который содержится в воздухе 0,05% по объему.

СО - бесцветный ядовитый газ, не имеет запаха и вкуса, чуть легче воздуха, мало растворим в воде, горит голубоватым пламенем.

 

 

Получение:

 

1. В лаборатории:

НСООН ®^t Н₂О + СО­; К = Н₂SО₄

2. В промышленности:

С + О₂ ^t=800 CО₂­; СО₂ + С ^t=800 2CO­

 

Химические свойства:

 

1. СО + Cl₂ ®^t COCl₂

фосген.

 

Фосген бесцветная жидкость с запахом гнилых яблок. Температура кипения = 8⁰ С. COCl₂ - является хлоралгидридом угольной кислоты.

 

О - Н Cl

О = С - О - Н ® О = С - Cl

Угольная кислота фосген

 

1. 2СО + О₂ = 2СО₂­

Горит голубоватым пламенем.

 

1. Прекрасный восстановитель:

FeO + CO =^t Fe + CO₂­

 

1. NaOH + CO ® HCOONa

формиат натрия

 

ОКСИД УГЛЕРОДА (IY), CO2:

 

Физические свойства: газ без цвета и запаха, кисловатый на вкус, в 1,5 раза тяжелее воздуха.

 

Получение:

 

1. В лаборатории: CO₂­

 

СаСО₃ + 2НCl ® CaCl₂ + H₂CO₃

H₂O

 

2. В промышленности:

СаСО₃ ® ^t СаО + СО₂ ­

 

Химические свойства оксида углерода (IV):

 

1. 2Mg + CO₂ ® 2MgO + C

2. CO₂ + H₂O Û H₂CO₃

3. Качественная реакция на СО₂:

а) Са(ОН)₂ + СО₂ ® СаСО₃¯ + Н₂О

извест. вода белого цв.

 

б) Ва(ОН)₂ + СО₂ ® ВаСО₃¯ + Н₂О

варитова белого

вода цвета

4. СаСО₃ + СО₂ + Н₂О ® Са(НСО₃)₂

5. СО₂ + С ® ^t 2СО­

При давлении в 6 атм. CO₂ сжижается. Жидкий СО₂ при выходе из баллона превращается в твердое снегообразное вещество - сухой лед.

 

УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА.

Нестойкая кислота, слабый электролит, образует 2 вида солей:

1. карбонаты 2. Гидрокарбонаты.

Соли угольной кислоты более устойчивы, чем сама кислота.

 

Получение солей угольной кислоты:

1. Са(ОН)₂ + СО₂ ® СаСО₃¯ + Н₂О

(белый)

2. По реакции обмена:

СаCl₂ + Na₂CO₃ ® CaCO₃¯ + 2NaCl

3. При взаимодействии карбонатов с угольной кислотой:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О ® Са(НСО₃)₂

4. Получение основных солей:

2CuSO₄ + 2Na₂CO₃ + H₂O ® (CuOH)₂CO₃¯ + CO₂­ + 2Na₂SO₄

Карбонаты мало растворимы в воде, за исключением Na₂CO₃, K₂CO₃, (NH₄)₂CO₃. Гидрокарбонаты хорошо растворимы в воде, кроме NaHCO₃

 

КАЧЕСТВЕННАЯ РЕАКЦИЯ НА КАРБОНАТ - ИОН И ГИДРОКАРБОНАТ - ИОН:

1) а) Na₂СО₃ + 2НCl ® 2NaCl + CO₂­ + H₂O

2H⁺ + CO₃^2- ®CO₂ + H₂O

б) NaHCO₃^-+ HCl ® NaCl + CO₂­ + H₂O

H⁺ + HCO₃ ® CO₂­ + H₂O

в) Ca(OH)₂ + CO₂ ® CaCO₃¯ + H₂O

белый

2) Na₂CO₃ + ф/ф ® малиновый цвет

NaHCO₃ + ф/ф ® розовый цвет

3) 4Na₂CO₃ + MgSO₄ + 4H₂O ®

Mg(OH)₂ · 3MgCO₃ · 3H₂O¯ + 4Na₂SO₄ + CO₂ ­

белого цвета

(HCO₃^-- эту реакцию дают только при кипячении)

2NaHCO₃ ® ^t Na₂CO₃ + CO₂­ + H₂O

 

Применение:

1. Na₂CO₃ (кальцинированная сода) моющее средство, используется в производстве стекла, мыла, бумаги.

2. NaHCO₃ (гидрокарбонат натрия) питьевая сода.

В медицине используется при повышенной кислотности желудочного сока, в микстурах, как отхаркивающее средство, наружное средство для полоскания слизистых оболочек.

2% раствором промывают слизистые глаз и верхних дыхательных путей при попадании на них раздражающих и отравляющих веществ. Используется в хлебопечении, в огнетушителях.

3. K₂CO₃ (поташ) используется для производства стекла, мыла, отбеливателей.

4. CaCO₃ - в строительном деле.