Элементы IV группы (подгруппа углерода) – углерод, кремний

Элементы IV группы (подгруппа углерода) – УГЛЕРОД, КРЕМНИЙ.

    Четвертая главная группа  периодической системы включает  два типических элемента углерод  и кремний, и элементы: германий, олово свинец (подгруппа германия). Углерод является основой органической химии, главным органогенным элементом, необходимым компонентом организма всех живых существ. Второй типический элемент – кремний- основной элемент неорганической химии и всей неживой природы.

1. Нахождение элемента в природе.

   Содержание углерода в земной коре составляет 0,1%. Встречается как в свободном виде (алмаз, графит), так в связанном состоянии (диоксид углерода, карбонаты, нефть, природный газ, сланцевое масло, битумы).

   Кремний - второй элемент по распространенности в атмосфере Земли (27,6%). Встречается только в связанном виде в различных горных породах и продуктах их выветривания, в виде оксидов и силикатов, из которых на 90% состоит земная кора.

2. Краткие методы получения Переход алмаза в графит происходит в жестких условиях : 3000° С и 12500 МПа и заторможен кинетически. Алмазы могут быть получены при 5000° С и 2100 МПа под действием ударной волны на графит, в присутствии никелевого катализатора при 1500-3000° С и 1000 МПа. Алмазы образуются на поверхности раздела между графитом и расплавленным металлов. Охлажденную смесь дробят и обрабатывают смесью кислот для извлечения алмазов. В зависимости от условий синтеза можно получить кристаллы до 4 мм с разной степенью чистоты. Наряду с природным графитом промышленность потребляет искусственный графит, отличающийся высокой степенью чистоты и легкостью. Его получают путем прокаливания смеси песка и измельченного антрацита или кокса в электрических печах. Карбин при 2300-2800° С без доступа воздуха переходит в графит.

   УГЛЕРОД выделяется при  обугливании некоторых органических веществ сильными минераль-ными кислотами, например глюкозы:

C6H12O6 (H2SO4)→ 6C + 6H2O.

А также при неполном сгорании целлюлозосодержащих  веществ при недостатке кислорода.

Получение ДИОКСИДА УГЛЕРОДА:     

а) полное сгорание кокса:

С + O2 = СO2.

Полученный газ очищают, пропуская  через раствор К2СОз, в результате происходит реакция:

К2СО3 + СO2 + Н2O = 2КНСО3.

Примеси проходят через раствор, а  СO2 выделяют из раствора кипячением (термическое  разложение гидрокарбоната):

2КНСОз     К2СО3 + СO2 + Н2O,

б) обжиг известняка и других карбонатов:

СаСО3   СаО + СO2.

 в) обработка карбонатов (например, мрамора) сильной кислотой:  

СаСО3 + 2НСℓ = CaCℓ2 + Н2О + СO2.

КРЕМНИЙ

1. В лаборатории кремний получают  восстановлением диоксида кремния SiO2 магнием:

SiO2 + 2Mg    2MgO + Si.

2. В промышленности для получения  кремния, его диоксид восстанавливают  углеродом в электрической печи:

SiO2 + 2С    Si + 2СО.

3. Кремний высокой чистоты (полупроводниковый)  получают восстановлением водородом  соединений SiСl4, SiНСl3:

SiСl4 + 2Н2 = Si + 4НСI,

SiНСl3 + Н2 = Si + 3НСI.

а также термическим разложением  силана:

SiН4 →     Si  + 2Н2 ( при  высокой температуре).

 

3. Краткие физические свойства.

   Оксид углерода (СО) - бесцветный газ, тяжелее воздуха, мало растворим в воде. Поглощается активированным углём, а также фильтрующим слоем, содержащим I2O5. Оксид углерода при обычных температурах химически инертен, однако при участии катализаторов реагирует с водородом с образованием углеводородов. связи разного типа.

Оксид углерода (IV) - бесцветное газообразное вещество, тяжелее воздуха, поэтому  его можно переливать из сосуда в  сосуд. Не поддерживает горения и  дыхания. Зажженная лучина в нем  гаснет, человек и животные при  больших концентрациях СO2 задыхаются. Часто в опасных количествах он скапливается в шахтах, колодцах. СО2 сжижается при комнатной температуре под давлением 6МПа. В жидком состоянии хранится и транспортируется в стальных баллонах. При понижении температуры кристаллизуется в виде молекулярных кристаллов, которые сублимируются при температуре -78°С. Твердый СO2 называется сухим льдом; используется, как хладоагент. Известно, что люди вдыхают воздушную смесь, содержащую 4%СO2. Чистый СO2 действует удушающе, при вдыхании воздуха, содержащего 10%СO2 возникает головокружение и возможна потеря сознания, а при более высоких концентрациях происходит паралич органов дыхания.

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические

Алмаз (sp3) -  кристаллическое вещество с атомной координационной решеткой, обладающее большой твердостью и значительной плотностью. Он тверже всех веществ.

 При sp2 гибридизации образуется плоская структура графита. Графит - черно-серое кристал-лическое вещество со слабым металлическим блеском. Расстояние  между   слоями   очень вели-ко   (0,335 нм),  а межмолекулярные силы   между слоями  в графите очень малы.  Графит рас-щепляется на тонкие чешуйки, которые сами по себе очень прочны и легко прилипают к бумаге. Графит  тугоплавок, из него  готовят тигли для металлургии. Переход графита в алмаз осуществля-ется при температуре 1800 °С и давлении 6 ГПа в присутствии растворителей (расплавленный FeS, Та, Ni и др.).

   При sp гибридизации образуется карбин, открытый в 1963 году, позднее обнаруженный в природе. Карбин получают путем каталитического окисления ацетилена. Карбин – мелкокрист-аллический порошок черного цвета. Кристаллы карбина состоят из линейных   цепочек  углерод-ных  атомов,  соединенных  чередующимися одинарными и тройными связям.По  твердости кар-бин превосходит графит, но  уступает алмазу. Обладает полупроводниковыми свойствами. При нагревании (Т=2880°C) без доступа воздуха превращается в графит.

   К разновидностям графита  относят сажу и древесный уголь. Уголь получается при термическом разложении углеродистых соединений. Уголь представляет собой тонко измельченный графит. Древесный уголь получается при обугливании древесины. Уголь (особенно древесный) содержит большое количество пор, поэтому обладает большой адсорбционной  способностью.

   Алмазоподобный кремний - темносерое, почти черное вещество с металлическим блеском. Это типичный полупроводник. Кремний тугоплавок, обладает большой твердостью. Химически стоек. При комнатной температуре взаимодействует только с F2, Cl2 и раствором горячей щелочи:

Si + Н2O + 2КOН = К2SiО3 + 2H2.  

 

4. Электронная структура.

Электронная конфигурация внешнего электронного слоя элементов этой подгруппы  – ns2np2

В основном (невозбужденном) состоянии  на р-подуровне находятся два  неспаренных электрона, которые  обуславливают общую для всех элементов Iv группы валентность , рваную II. При переходе атомов в возбужденное состояние число неспаренных  электронов  увеличивается до четырех, поэтому еще одна характерная валентность равна IV.  Однако, у углерода

Все элементы данной подгруппы относятся  к семейству р-элементов, но только два из них являются неметаллами  – углерод и кремний, а остальные  проявляют свойства металлов , усиливающиеся от германия к свинцу.

С lS22S22p2

Si 1S22S22P63S23p2

5. Химические свойства.

   Реакционная способность  повышается в ряду алмаз –  графит – карбин – аморфный  углерод. Алмаз и графит инертны,  устойчивы к действию кислот  и щелочей.

А, Б)Отношение элемента к кислороду, свойства кислородных соединений.

   Высшие оксиды углерода  и кремния (С02, Si02) обладают кислотными  свойствами

Алмаз и графит сгорают в чистом кислороде при высоких температурах с образованием углекислого газа:

C + O2 (800° C)→ CO2.

   Аморфные модификации сгорают  уже на воздухе. При недостатке  кислорода образуется угарный  газ: 

2C + O2 → 2CO.

   Диоксид углерода - кислотный  оксид, при взаимодействии с  водой образует угольную кислоту  Н2СО3:

СO2 + Н2O↔  Н2СО3.

      Углерод  взаимодействует со своим высшим оксидом СО2, переводя его  в низший оксид СО:

С + СО2 → 2СО

   Подобно  углероду, кремний с кислородом  образует два оксида: SiO и SiO2. Моноксид SiO в природе не встречается;  получить SiO можно восстановлением  SiO2 при 1350 – 1500 0С углем:

SiO2 + C = SiO + CO.

При медленном  охлаждении SiO диспропорционирует:

2SiO = Si + SiO2.

 

В) Свойства гидроксидов

Угольная  и кремниевая кислоты (Н2СО3, H2SiO3) —  слабые кислоты. Гидроксиды германия, олова и свинца амфотерны, проявляют  слабые кислотные и основные свойства: H2GeO3= Ge(OH)4, H2SnO3 = Sn(ОН)4, Н2РЬО3 = Pb(OH)4.

 

Г,Д) Отношение элемента к водороду. Характеристика водородных соединений.

Водородные  соединения:

СН4; SiH4, GeH4. SnH4, PbH4. Метан — CH4 — прочное соединение, силан SiH4 - менее прочное соединение.

При температуре 500° С на никелевом катализаторе идет реакция с водородом:

C + 2H2 (500°  C Ni)→ CH4.

 

Кремний не реагирует с водородом. Силаны ( Si n Н2n+2 ), где n = 1-6, получают косвенным  путем, так же, как и бораны:

Mg2Si + 2Н2 SО4    SiН4 +2MgSО4.

Моносилан SiН4  получают окислением гидридоалюмината лития хлоридом кремния:

Si+4Cl4  +Li[AlH4-1]    LiСl +   Si-4Н4  + АlCl3.

Силаны – легколетучие вещества. Ядовиты. На воздухе они воспламеняются. Они реакционноспособны и являются сильными восстановителями, реагируют с водой при комнатной температуре:

SiH4  + 2 Н2O   SiO2  + 4Н2 ,

в щелочной среде:

SiH4  + 2NaOH + Н2O   Na2 SiO3  + 4Н2 .

Е) Отношение к галогенам

Непосредственно из галогенов с  аморфным углеродом реагирует лишь фтор:

C + 2F2 → CF4.

   С остальными галогенами  реакция происходит лишь при  нагревании.

   При высоких температурах  углерод взаимодействует также  с такими неметаллами, как сера, при пропускании ее паров через  уголь: 

C + 2S (900° C)→ CS2,

а также с азотом с образованием бесцветного ядовитого газа дициана:

2C + N2 (2000° C)® C2N2.

 

Ж) Другие соединения элемента.

наиболее характерные реакции  для углерода со сложными веществами – реакции восстановления, применимые в металлургии для получения  металлов из их руд:

2C + SiO2 (1300° С, вак.)→ Si + 2CO,

C + FeO (>1000° C) → Fe + CO,

C + 2CuO (1200° C) → 2Cu + CO2,

C + H2O (800-1000° C) → CO + H2,

2C + Na2SO4 (600° C) → Na2S + 2CO2,

2C + Na2CO3 (900-1000° C) → 2Na + 3CO,

C + CO2 (>1000° C) → 2CO.

   Концентрированные серная и азотная кислоты при нагревании окисляют углерод до углекислого газа:

C + 2 H2SO4 (t¬ ) → CO2¬ + 2 SO2¬ + H2O,

C + 4HNO3 (t¬ ) →3CO2¬ + 4NO2¬ + 2H2O.

 

Порох сгорает по реакции:

2KNO3 + S + 3C → K2S + N2 + 3CO2.

  

Углерод взаимодействует с раствором дихромата калия в концентрированной серной кислоте:

3C + 8H2SO4 + 2K2Cr2O7 → 3CO2¬ + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 8H2O.

 

З) Отношение элемента к металлам , характеристика соединений.

С металлами, металлоидами и оксидами некоторых металлов углерод образует соответствующие карбиды:

2C + Ca (550° С) → CaC2,

4 Al + 3C (1500-1700° С) →Al4C3,

Si + C (1200-1300° С) →SiC + Q,

3C + CaO (1900-1950° С) →CaC2 + 2CO.

 

6.   Биологическая роль элемента.

   Углерод - биогенный элемент. Его соединения играют особую роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов (среднее содержание углерода 18%). Углерод широко распространен в космосе; на Солнце он занимает 4-е место после водорода (H), гелия (He) и кислорода (O).

   Биологическое значение углерода в том, что все ,без исключения живые организмы построены из соединений углерода. Особенностью атомов углерода является их способность соединяться между собой, образуя длинные цепи, содержащие миллионы и миллиарды атомов углерода, соединенных с атомами других элементов

   ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ. Монооксид углерода очень ядовит, смертельная доза СО в воздухе  0,2%. С гемоглобином крови СО  связывается прочнее, чем кислород, тем самым блокируя перенос  кислорода в организме. Признаки  отравления малыми дозами: кровь необычно яркой окраски, сильная головная боль, иногда потеря сознания.    

   Кремний - для некоторых организмов кремний является важным биогеным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань и костная ткань человека содержит кремний, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния. Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO2, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

 

7. Краткие сведения о применении.

Углерод

* Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

*Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин.

*ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем.

*В фармакологии и медицине  широко используются различные  соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).

*углерод является неотъемлемой  составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)

*углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.