Вопрос 52. Углерод. Аллотропия, типы гибридизации. Оксиды углерода. Угольная кислота и ее соли.

Аллотропия углерода и типы гибридизации в ней

Основные аллотропные модификации углерода: 1. Алмаз. Образуется при высоких давлениях и температуре, как правило – в недрах земли. В кристаллической решетке алмаза каждый атом углерода связан с четырьмя ближайшими соседями, расположенных в вершинах правильного тетраэдра. sp³-гибридное состояние углерода характерно для алмаза, предельных углеводородов, тетрахлорметана и других

2. Графит. Кристаллической решетке графита присуща ярко выраженная слоистость. Каждый атом углерода в графите связан с тремя ближайшими соседями. sp²-гибридное состояние атомов углерода имеет место в графите, карбонат-ионе CO₃^2-, ароматических углеводородах, этилене C₂H₄

3. Карбин. Строение молекул – цепочечное. Либо полииновое строение (-C≡C-), либо поликумуленовое (=C=C=). sp-гибридное состояние углерода характерно для карбина, CO₂, CS₂, углеводородов, содержащих тройные или кумулированные двойные связи (C=C=C).

4. Фуллерены. Класс аллотропных форм углерода, представляющих из себя выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа атомов углерода в sp²-гибридизации.

Все аллотропные модификации углерода малоактивны

Оксиды углерода

1. Монооксид углерода CO, угарный газ. Бесцветный газ без запаха, ядовит

Монооксид углерода образуется при неполном сгорании угля и органических веществ, а также при осушении муравьиной кислоты 2C + O_{2 (нед)} =^t 2CO HCOOH =^H2SO4 CO + H₂O

Является кислотным (а не несолеобразующим, как учили в школе), поскольку с щелочами может образовывать соли муравьиной кислоты – формиаты. Необходима температура и давление CO + NaOH =^t,p HCOONa

CO – сильный восстановитель.

Легко вступает в реакции присоединения, образуя карбонилы неметаллов и металлов CO + Cl₂ = COCl_{2 фосген} CO + S = COS _{карбонилсульфид} и металлов 5CO + Fe = Fe(CO)­_{5 пентакарбонилжелезо} 10CO + 2Mn = Mn₂(CO)_{10 декакарбонилдимарганец}

2. Диоксид углерода CO₂, углекислый газ. Бесцветный газ без запаха

Образуется при полном сгорании угля и органических соединений. В лаборатории получают взаимодействием кислот с карбонатами

Используется в больших количествах для получения мочевины CO­₂ + 2NH₃ = CO(NH₂)₂ + H₂O

С водой образует слабую и неустойчивую двухосновную угольную кислоту H₂CO₃ CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

Соли угольной кислоты, карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Карбонаты щелочных металлов при сплавлении создают щелочную среду, помогая таким штучкам, как, например, галогены, диспропорционировать и протекать разным ОВР в сплаве.

3. Ален-1,3-дион O=C=C=C=O, недокись углерода. Бесцветный газ с удушливым запахом

Разлагается при нагревании C₃O₂ =^t CO₂ + C

Вопрос 53. Кремний. Степени окисления. Свойства кремния. Диоксид кремния. Кремниевые кислоты и их соли

Основные степени окисления кремния – Si^-4, Si⁰, Si⁺⁴

Аморфный (мелкокристаллический кремний) получают из диоксида кремния, применяя в качестве восстановителя магний или уголь SiO₂ + 2Mg =^t Si + 2MgO SiO₂ + 2C =^t Si + 2CO Кристаллический кремний высокой степени чистоты получают разложением гидрида или восстановлением хлорида кремния водородом SiCl₄ + 2H₂ =^t Si + 4HCl SiH₄ =^t Si + 2H₂

Химические свойства

Немного о связях: Связи Si-O очень прочные Связи Si-Г, Si-H, Si-Si, Si-S легко разрываются. Соединения с такими связями легко превращаются в Si-O

Кремний инертен при обычной температуре. При нагревании же: Si + O₂ = SiO₂ Si + 2Г₂ = SiГ₄ Si + 2S = SiS₂ 3Si + 2N₂ = Si₃N₄ Si + 2Mg = Mg₂Si

Растворяется в концентрированных растворах щелочей с образованием силикатов Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂

Медленно растворяется в плавиковой кислоте Si + 6HF= H₂[SiF₆] + 2H₂ и легко в смеси плавиковой и азотной кислот 3Si + 18HF + 4HNO₃ = 3H₂[SiF₆] + 4NO + 8H₂O Образуется сильная фторкремниевая кислота H₂[SiF₆]

Образует ионные силициды с металлами и ковалентные с неметаллами. Mg + Si =^t Mg₂Si Ковалентные силициды и силициды d-элементов химически инертны. Ионные силициды разлагаются водой и кислотами Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄ Mg₂Si + 4H₂O = 2Mg(OH)­₂ + SiH₄ и окисляются растворами щелочей Mg₂Si + 2NaOH + 5H₂O = Na₂SiO₃ + 4H₂ + 2Mg(OH)­₂

Соединения кремния с водородом – силаны Si_nH_2n+2, где n = 1-8. По составу аналогичны предельным углеводородам, однако более реакционноспособны. Силаны токсичны

Силаны обладают восстановительными свойствами – самовоспламеняются на воздухе SiH₄ + 2O₂ =^t SiO₂ + 2H₂O и разрушаются щелочами даже при маленькой концентрации OH^- (кстати, в нейтральной и кислой средах устойчивы) SiH₄ + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 4H₂

Галогениды кремния – летучие ковалентные соединения, относящиеся к классу галогенангидридов SiCl₄ + 3H₂O = H₂SiO₃ + 4HCl

Диоксид кремния

НЕ растворяется в воде и устойчив к кислотам, кроме плавиковой SiO₂ + HF = SiF₄ + 2H₂O

С щелочами и содой реагирует при сплавлении SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂ SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂

Кремниевые кислоты

Кремниевые кислоты имеют общую формулу mSiO₂ nH₂O H₂SiO₃ – метакремниевая кислота H₄SiO₄ – ортокремниевая кислота H₂Si₂O₅ – диметакремниевая кислота

Кремниевые кислоты нерастворимы в воде и являются слабыми кислотами, слабее даже угольной кислоты Na₂SiO₃ + H₂O + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂SiO₃

Растворимые силикаты гидролизуются с отщеплением воды Na₂SiO₃ + H₂O ↔ NaHSiO₃ + NaOH 2NaHSiO­₃ = Na­₂Si₂O₅ + H₂O