Главная / Теория для подготовки к ЕГЭ / 2.3.4. Химические свойства углерода и кремния.

2.3.4. Химические свойства углерода и кремния.

Химические свойства углерода

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO2:

С + О2 = СО2; 2С + О2 = 2СО

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

C + 2F2 = CF4

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS2:

2S + C = CS2

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

2Fe2O3 + 3C = 4Fe + 3CO2
C + CuO = CO↑ + Cu

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

СаО + 3С = СаС2 + СО↑
2Al2O3 +9C = Al4C3 + 6CO↑

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля. Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда):

2С + SiO2 = Si + 2CO↑
3С + SiO2 = SiС + 2CO↑

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

C + 2H2SO4 = CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O
C + 4HNO3 = CO2↑ + 4NO2↑ + 2H2O

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

C + 2H2 = CH4

а также с кремнием при температуре 1200-1300 оС:

C + Si = SiC

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

2C + Ca = CaC2
3С + 4Al = Al4C3

Карбиды активных металлов гидролизуются водой:

CaC2 + 2Н2О = Са(OH)2 + C2Н2↑
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑

а также растворами кислот-неокислителей:

CaC2 + 2НCl = СаCl2 + C2Н2↑
Al4C3 + 12HCl = 4AlCl3 + 3CH4↑

При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

Si + 2F2 = SiF4

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 оС:

Si + 2Cl2 = SiCl4 хлорид кремния (IV)

С бромом – 620-700 оС:

Si + 2Br2 = SiBr4 бромид кремния (IV)

С йодом – 750-810 оС:

Si + 2I2 = SiI4 йодид кремния (IV)

Все галогениды кремния легко гидролизуются водой:

SiF4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HF↑
SiCl4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HCl↑

а также растворами щелочей:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300оС) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

Si + O2 = SiO2

При температуре 1200-1500 оС кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

Si + С = SiС

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

2Mg + Si = Mg2Si

Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей:

Mg2Si + 4H2O = SiH4 + 2Mg(OH)2
Mg2Si + 4HCl > 2MgCl2 + SiH4↑

При этом образуется газ силан SiH4 – аналог метана CH4.

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500оС. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Si + H2O(пар) = SiO2 + H2↑

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Si + 4HF(конц.) = H2SiF6 + 2H2↑

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2↑

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.