Аллотропия углерода, оксиды углерода, угольная кислота и карбонаты, оксид кремния(IV), кремниевая кислота и силикаты
Строение атома углерода и аллотропия
Углерод — элемент IVA группы 2-го периода, электронная конфигурация 1s²2s²2p². На внешнем уровне четыре электрона — ровно половина от восьми, поэтому углерод одинаково склонен как отдавать, так и принимать электроны, образуя преимущественно ковалентные связи; характерные степени окисления в соединениях — от −4 (в CH₄) до +4 (в CO₂). Углерод — основа всей органической химии, поскольку атомы углерода способны соединяться друг с другом прочными ковалентными связями, образуя длинные цепи и циклы (явление катенации).
Углерод образует несколько аллотропных модификаций, различающихся типом кристаллической решётки: алмаз (атомная решётка, каждый атом углерода в состоянии sp³-гибридизации связан с четырьмя соседними — самое твёрдое природное вещество, не проводит электрический ток), графит (слоистая структура из sp²-гибридизованных атомов, электропроводен, мягок, легко расслаивается), а также карбин (линейные цепочки с чередующимися связями) и фуллерены (сферические и трубчатые молекулы, например C₆₀). Эти модификации сильно различаются по физическим свойствам, несмотря на одинаковый элементный состав.
Химические свойства углерода
При обычных условиях углерод химически малоактивен, но при высокой температуре проявляет окислительно-восстановительную двойственность. Как восстановитель углерод реагирует с кислородом и оксидами менее активных металлов — это свойство лежит в основе металлургии (восстановление металлов из руд коксом):
Как окислитель углерод реагирует с водородом и активными металлами, образуя соответственно углеводороды и карбиды: 2C + Ca → CaC₂ (карбид кальция, применяется для получения ацетилена: CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂↑).
Оксид углерода(II) — угарный газ
Оксид углерода(II) CO — бесцветный газ без запаха, чрезвычайно токсичен (образует прочное соединение с гемоглобином крови, блокируя перенос кислорода). CO — несолеобразующий оксид, но проявляет сильные восстановительные свойства, что используется в металлургии для восстановления металлов из оксидов (доменный процесс):
CO горит синим пламенем с образованием CO₂ и выделением большого количества теплоты: 2CO + O₂ → 2CO₂ — на этом основано его использование как компонента горючих газовых смесей.
Оксид углерода(IV) и угольная кислота
Оксид углерода(IV) CO₂ (углекислый газ) — бесцветный газ без запаха, тяжелее воздуха, не поддерживает горение и дыхание, образуется при полном сгорании углерода и углеродсодержащих веществ, при дыхании живых организмов, при разложении карбонатов. CO₂ — типичный кислотный оксид, при растворении в воде частично образует нестойкую угольную кислоту:
Угольная кислота H₂CO₃ — слабая, неустойчивая двухосновная кислота, существующая только в разбавленном водном растворе и легко разлагающаяся обратно на CO₂ и H₂O; как двухосновная кислота, она образует два ряда солей — средние (карбонаты, CO₃²⁻) и кислые (гидрокарбонаты, HCO₃⁻).
Карбонаты и гидрокарбонаты
Большинство карбонатов металлов нерастворимо в воде (кроме карбонатов щелочных металлов и аммония), тогда как гидрокарбонаты, как правило, растворимы. Карбонаты и гидрокарбонаты вступают в характерные реакции: разлагаются при нагревании (кроме карбонатов щелочных металлов, за исключением лития) и реагируют с более сильными кислотами с выделением углекислого газа:
Взаимный переход карбонатов и гидрокарбонатов происходит при изменении содержания CO₂ в растворе: CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca(HCO₃)₂ — эта обратимая реакция объясняет образование и растворение сталактитов и сталагмитов в известняковых пещерах, а также временную жёсткость природной воды.
Качественная реакция на карбонат-ион
Карбонат-ион обнаруживают действием сильной кислоты: выделяется бесцветный газ без запаха, вызывающий помутнение известковой воды (реакция на сам CO₂):
Помутнение известковой воды (образование белого осадка CaCO₃) — классический школьный способ доказать выделение именно углекислого газа, а не какого-либо другого. При длительном пропускании избытка CO₂ помутнение исчезает из-за образования растворимого гидрокарбоната: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.
Кремний: строение атома и свойства простого вещества
Кремний — элемент IVA группы 3-го периода, химический аналог углерода, но, в отличие от него, не способен образовывать прочные кратные связи Si=Si или длинные устойчивые цепи, поэтому не даёт разнообразия соединений, сравнимого с органической химией углерода. Кристаллический кремний имеет атомную решётку, подобную алмазу (каждый атом в состоянии sp³-гибридизации), — твёрдое, тугоплавкое вещество с полупроводниковыми свойствами, что определяет его важнейшее техническое применение в электронике.
Кремний реагирует с фтором уже при обычных условиях, с остальными галогенами, кислородом и азотом — при нагревании; со щелочами кремний реагирует с выделением водорода (в отличие от углерода):
Оксид кремния(IV)
Оксид кремния(IV) SiO₂ (кремнезём) — важнейшее природное соединение кремния, основа кварца, песка, горного хрусталя. В отличие от CO₂, SiO₂ имеет не молекулярное, а атомное строение (гигантская трёхмерная решётка из тетраэдров SiO₄), поэтому это твёрдое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде. SiO₂ — кислотный оксид, реагирует с основаниями и основными оксидами при сплавлении, а также с плавиковой кислотой (единственной кислотой, реагирующей с SiO₂ в обычных условиях):
Кремниевая кислота и силикаты
Кремниевая кислота H₂SiO₃ — слабая нерастворимая в воде кислота, гораздо более слабая, чем угольная, поэтому её получают косвенно — действием более сильных кислот на растворы силикатов (а не растворением SiO₂ в воде, как для угольной кислоты из CO₂):
Именно то, что кремниевая кислота слабее угольной, объясняет, почему углекислый газ вытесняет силикат-ион из растворов силикатов с образованием осадка кремниевой кислоты (это же используется как качественная реакция на силикат-ион): Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓. Соли кремниевой кислоты — силикаты — составляют основу большинства минералов земной коры (полевые шпаты, слюды, глины), а растворимые силикаты натрия и калия называют жидким стеклом.
Стекло и цемент
Обычное оконное стекло — это сплав силикатов натрия и кальция с оксидом кремния(IV), его состав приближённо выражают формулой Na₂O·CaO·6SiO₂, а получают сплавлением соды, известняка и кварцевого песка: Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ →(t) Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂↑. Цемент получают обжигом смеси известняка и глины, а затвердевание бетона (смеси цемента, песка, щебня и воды) связано со сложными реакциями гидратации силикатов и алюминатов кальция.
Пример 1: определение объёма CO₂ по массе карбоната
Условие. Вычислите объём углекислого газа (н.у.), который выделится при действии избытка соляной кислоты на карбонат кальция массой 25 г.
Решение. Количество вещества CaCO₃: M(CaCO₃) = 40 + 12 + 48 = 100 г/моль, n(CaCO₃) = 25/100 = 0,25 моль. Уравнение реакции:
По уравнению n(CO₂) = n(CaCO₃) = 0,25 моль. Объём газа: V(CO₂) = n·Vₘ = 0,25·22,4 = 5,6 л.
Ответ: 5,6 л углекислого газа.
Пример 2: вытеснение кремниевой кислоты углекислым газом
Условие. Через раствор, содержащий 0,1 моль силиката натрия, пропустили избыток углекислого газа. Вычислите массу образовавшегося осадка.
Решение. Уравнение реакции:
По уравнению n(H₂SiO₃) = n(Na₂SiO₃) = 0,1 моль. Молярная масса H₂SiO₃ = 2 + 28 + 48 = 78 г/моль. Масса осадка: m = n·M = 0,1·78 = 7,8 г.
Ответ: 7,8 г кремниевой кислоты.
Типичные ошибки
Частая ошибка — считать, что CO₂ и SiO₂, будучи оксидами элементов-аналогов одной группы, имеют одинаковое строение и свойства; на самом деле CO₂ — молекулярный газ, а SiO₂ — атомный кристалл, тугоплавкое твёрдое вещество, что принципиально меняет их физические свойства (в частности, SiO₂ не растворяется в воде с образованием кислоты напрямую). Также путают, что кремниевая кислота слабее угольной (а не наоборот), из-за чего направление вытеснения в реакции CO₂ с силикатами часто указывают неверно. Ещё одна ошибка — забывать про амфотерные (в некоторых трактовках) свойства и низкую активность кремния по сравнению с углеродом, и наоборот, путать реакцию кремния со щёлочью (с выделением водорода) с отсутствием аналогичной реакции у углерода.
Краткий словарь терминов
Аллотропия углерода — существование углерода в виде разных простых веществ: алмаза, графита, карбина, фуллеренов.
Угарный газ (CO) — несолеобразующий токсичный оксид углерода(II), сильный восстановитель, используется в металлургии.
Качественная реакция на карбонат-ион — выделение CO₂ при действии сильной кислоты, вызывающего помутнение известковой воды.
Кремнезём — оксид кремния(IV) SiO₂, основа кварца и песка, атомный кристалл с высокой температурой плавления.
Жидкое стекло — водный раствор силикатов натрия или калия, применяемый как клей и огнезащитное покрытие.
Заключение
Углерод и кремний — элементы-аналоги IVA группы, оба образуют кислотные высшие оксиды и соответствующие кислоты, однако существенно различаются по строению простых веществ и оксидов: углерод склонен к образованию молекулярных структур и длинных цепей (что делает его основой органической химии), тогда как кремний образует прочные атомные кристаллические решётки, определяющие тугоплавкость его соединений и их геологическую распространённость в виде силикатов. Изученные закономерности завершают систематический обзор неорганических соединений неметаллов; в следующих темах мы переходим к органической химии, начиная с теории строения органических веществ А. М. Бутлерова.
