6.41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний

Оксиды углерода — углекислый и угарный газы

Особенности строения и физические свойства. Оксид углерода(IV), или углекислый газ , является высшим оксидом углерода и отвечает общей формуле ЭO2. Оксид углерода(IV) — вещество молекулярного строения. Молекула содержит две двойные ковалентные полярные связи, но линейна и поэтому неполярна (рис. 98, а).

Рис. 98. Структурная формула и масштабная модель молекул: а — оксида углерода(IV), б — оксида углерода(II), в — схема образования связей в молекуле СО

Вспомним, что углекислый газ бесцветен, тяжелее воздуха (М(CO2) = 44 г/моль), частично растворим в воде. В 1 объеме воды при температуре 20 °С растворяется 0,88 объемов СО2, но при этом его растворимость в 70 раз выше растворимости кислорода и в 150 раз — азота. При повышенном давлении (5 МПа) он легко сжижается и затвердевает. Твердый оксид углерода(IV) — сухой лед — возгоняется без плавления.

Второй оксид углерода(II) — угарный газ СО — также вещество молекулярного строения. Атомы в молекуле связаны очень прочной тройной ковалентной связью, связь полярная, молекула полярна (рис. 98, б). Газ бесцветен, плохо растворим в воде, ядовит.

Химические свойства оксида углерода(IV). Углекислый газ относится к кислотным оксидам, поэтому вступает в реакции с водой, щелочами и основными оксидами. С другой стороны, атомы углерода, имеющие степень окисления +4, могут участвовать в реакциях, которые протекают с понижением степени окисления: углекислый газ вступает в реакции с сильными восстановителями. Так, горящие магний или кальций продолжают гореть в атмосфере углекислого газа.

Реакции без изменения степени окисления

1. Реакция с водой. При пропускании углекислого газа через воду, в которую добавлен лакмус, окраска меняется с фиолетовой на красную — образуется угольная кислота:

.

2. Реакция с растворами щелочей приводит к образованию солей.

Как и в случае с сернистым газом, состав продуктов зависит от мольного соотношения реагентов.

Реакция углекислого газа с известковой водой наглядно демонстрирует последовательность образования солей при пропускании газа через раствор щелочи. Вначале образуется осадок средней соли (качественная реакция на СО2, Приложение 3):

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О.

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется вследствие образования более растворимой кислой соли:

СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2.

3. С основными оксидами углекислый газ образует соли:

СаО + СO2 = СаСO3.

Химические свойства оксида углерода(II). Оксид углерода(II), или угарный газ СО, относят к несолеобразующим оксидам. С другой стороны, атом углерода, имея степень окисления +2, может ее как повышать, так и понижать. При повышении степени окисления он проявляет свойства восстановителя. Такие процессы протекают при выплавке металлов:

,

при сгорании в кислороде:

.

Как углекислый, так и угарный газы загрязняют атмосферу. Напомним, что оксид углерода(II) не случайно называется угарным газом. Этот оксид очень ядовит. Образуясь при неполном сгорании топлива, он может привести к сильному отравлению или летальному исходу. Отсутствие запаха делает его еще более опасным. Токсическое действие связано с тем, что молекулы угарного газа образуют прочное соединение с молекулами гемоглобина в крови. Таким образом они блокируют доступ кислорода, перекрывают клеточное дыхание.

Основной источник СО в атмосфере — выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, источник СО2 — топливно-энергетический комплекс и металлургическая промышленность. Накопление углекислого газа способствует глобальному потеплению на Земле («парниковый эффект»). Вспомним, что СО2 поглощается в процессе фотосинтеза. Поэтому вырубка лесов приводит к снижению поглощения углекислого газа зелеными растениями и негативно влияет на состояние атмосферы Земли.

Оксид кремния(IV)

Оксид кремния(IV) — вещество немолекулярного строения, в его кристаллах каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода (рис. 99). Он имеет довольно высокую твердость; широко распространен в природе (табл. 26, Приложение 2).

Рис. 99. Оксид кремния(IV): а — структурная единица, б — кварцевый песок, в — кристаллы кварца

Химические свойства. Оксид кремния(IV) как кислотный оксид реагирует со щелочами и основными оксидами:

С водой оксид кремния(IV) не реагирует.

Имея высшую степень окисления, кремний в составе оксида может проявлять окислительные свойства. Так, процесс восстановления кремния(IV) углеродом используют для получения технического кремния в производстве полупроводниковых материалов:

Одно из значимых направлений применения оксида кремния(IV) — получение стекла спеканием песка SiО2, соды Na2CО3 и известняка СаСО3:

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите аллотропные модификации углерода и области их использования. Прокомментируйте с химической точки зрения следующий текст: «Разнообразие его свойств поражает: самый мягкий и сверхтвердый, эталон прозрачности и абсолютной черноты, теплоизолятор и один из лучших проводников тепла, диэлектрик, проводник и полупроводник».

2. Составьте формулу электронной конфигурации и электронно-графическую схему кремния в основном и в одном из возбужденных состояний.

3. Запишите для элементов с атомными номерами 6, 14, 32, 50 формулы:

• а) высших оксидов;
• б) летучих водородных соединений.

4. Составьте уравнения реакций:

• а) углерода с кислородом, водородом, бериллием (указывая степени окисления);
• б) углекислого газа с водой, оксидом бария, гидроксидом калия;
• в) оксида кремния(IV) с гидроксидом калия, оксидами кальция и бария.

5. Почему в атмосфере кислорода оксид углерода(IV) не горит, а оксид углерода(II) сгорает? Рассчитайте объем кислорода (н. у.), необходимый для сжигания угарного газа (н. у.) объемом 15 м3.

6. По термохимическому уравнению вычислите количество теплоты, выделившейся при сгорании угарного газа объемом 1 м3 (н. у.).

7. Предложите физический и химический способы разделения смеси оксидов углерода так, чтобы каждый из них был получен отдельно.

9. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

• а) ;
• б) .

10. Углекислый газ объемом 0,784 дм3 (н. у.) был полностью поглощен раствором, содержащим гидроксид натрия химическим количеством 0,04 моль. Определите массы полученных солей.

*Самоконтроль

1. Аллотропными модификациями углерода являются:

• а) сажа;
• б) графит;
• в) древесный уголь;
• г) алмаз.

2. Относительно кремния справедливы утверждения:

• а) существует в виде алмазоподобной кристаллической модификации;
• б) используется в качестве полупроводника;
• в) в карборунде SiC его атомы проявляют положительную степень окисления;
• г) первый по распространенности элемент в земной коре.

3. Угарный газ реагирует с:

• а) НСl;
• б) С;
• в) О2;
• г) Н2.

4. Поглотить углекислый газ можно, пропуская его через сосуд с:

• а) Р2О5;
• б) NaOH;
• в) СuSO4(безводный);
• г) Н2SO4(конц.).

5. Кислотные свойства углекислого газа характеризуют реакции, выражаемые уравнениями:

• а) СO2 + H2O H2СO3;
• б) 2NaOH + СO2 = Na2СO3 + H2O;
• в) 6СО2 + 6Н2О = C6Н12O6 + 6O2 – Q;
• г) СO2 + 2Mg C + 2MgO.