Углерод и кремний

Углерод и кремний стоят в IVA группе: на внешнем уровне у обоих по четыре электрона, конфигурация ns²np². Отсюда общий набор степеней окисления: −4, 0, +2, +4. Углерод — второй период, кремний — третий, и почти все различия между ними идут именно от размера атома.

Маленький атом углерода умеет образовывать прочные кратные связи C=C и C≡C и бесконечные цепи из одинаковых атомов — на этом стоит вся органическая химия. У кремния перекрывание p-орбиталей слабее, кратных связей Si=Si в устойчивых веществах практически нет, зато чрезвычайно прочна связь Si—O. Поэтому в природе углерод встречается и в свободном виде (алмаз, графит), а кремний — только в соединениях, прежде всего в виде SiO₂ и силикатов. По распространённости в земной коре кремний второй после кислорода.

Аллотропия — существование элемента в виде нескольких простых веществ. У углерода это хрестоматийный случай: состав один и тот же, а свойства противоположные. Переключайте модификации и смотрите, как из строения буквально вытекают твёрдость и электропроводность.

Обратите внимание на пару «алмаз — графит». У алмаза sp³-гибридизация и трёхмерный каркас: максимальная твёрдость и полное отсутствие проводимости. У графита sp²-гибридизация, прочные слои и слабое притяжение между ними: мягкость, скольжение слоёв и проводимость за счёт делокализованных π-электронов. Один элемент, два предельно разных вещества.

В реакциях с неметаллами углерод чаще всего восстановитель: он отдаёт электроны и переходит в +2 или +4. Ключ к правильному продукту — количество кислорода: избыток даёт CO₂, недостаток — CO.

Самое экзаменационное применение — восстановление металлов из оксидов. Углерод отбирает кислород у оксидов металлов, стоящих в ряду активности после алюминия. Так работает доменный процесс.

С раскалённым углём реагирует даже водяной пар — получается смесь CO и H₂, промышленный водяной газ. А ещё углерод восстанавливает сам углекислый газ до угарного: этой реакцией часто объясняют, откуда CO берётся в печи.

Но окислителем углерод тоже бывает — в реакциях с металлами и водородом, у которых электроотрицательность ниже. Тогда он уходит в степень окисления −4.

Оксид углерода(II), угарный газ — газ без цвета и запаха, почти нерастворим в воде. Он несолеобразующий: с водой, кислотами и щелочами в обычных условиях не реагирует и солей не даёт. Это его главный признак в задании 6. Молекула CO изоэлектронна азоту N₂ и связана тройной связью, отсюда огромная прочность и инертность.

Ядовитость угарного газа — не «химическая формальность», а следствие прочного связывания с гемоглобином: образуется карбоксигемоглобин, кровь перестаёт переносить кислород. Связывание с CO примерно в 200–300 раз прочнее, чем с O₂, поэтому опасны даже малые концентрации, а запаха, который предупредил бы об утечке, у газа нет.

Зато CO — сильный восстановитель: он горит синим пламенем и отбирает кислород у оксидов металлов. На этом стоит выплавка чугуна.

Оксид углерода(IV), углекислый газ — типичный кислотный оксид. Тяжелее воздуха, не поддерживает горение (кроме активных металлов), при −78 °C переходит в «сухой лёд». Со щелочью даёт либо среднюю, либо кислую соль — всё зависит от соотношения.

Активные металлы горят в углекислом газе — CO₂ выступает окислителем. Поэтому магний нельзя тушить углекислотным огнетушителем.

Это самый узнаваемый сюжет темы, и его почти всегда спрашивают целиком: помутнение, растворение осадка в избытке газа и возвращение осадка при кипячении. Пройдите все четыре шага и проследите, куда уходит кальций на каждом из них.

Последний шаг объясняет бытовую химию сразу двух явлений. Растворённый Ca(HCO₃)₂ — это временная (карбонатная) жёсткость воды. При кипячении гидрокарбонат разлагается, CaCO₃ оседает на стенках чайника — накипь, а жёсткость устраняется. Тот же процесс в природе строит сталактиты и сталагмиты в пещерах.

Угольная кислота H₂CO₃ существует только в растворе и лишь частично: большая часть растворённого CO₂ так и остаётся газом. Кислота слабая и двухосновная, значит, даёт два ряда солей: средние — карбонаты (Na₂CO₃, CaCO₃) и кислые — гидрокарбонаты (NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂).

Качественная реакция на карбонат- и гидрокарбонат-ион — действие любой более сильной кислоты: наблюдается бурное вскипание, выделяется газ без запаха, который вдобавок мутит известковую воду. Эти два признака вместе и дают однозначный ответ.

Карбонаты гидролизуются по аниону, поэтому раствор соды даёт щелочную среду и окрашивает фенолфталеин в малиновый. А с солями Al³⁺, Fe³⁺ и Cr³⁺ идёт необратимый совместный гидролиз: карбонатов этих металлов в растворе просто не существует.

Кремний — тёмно-серое вещество с алмазоподобной атомной решёткой, полупроводник. В обычных условиях он довольно инертен: реагирует только со фтором, а при нагревании — с кислородом, галогенами, углеродом и металлами. Кислоты на кремний не действуют (кроме смеси HF + HNO₃), а вот щёлочи растворяют его с выделением водорода — это важное отличие от углерода.

Получают кремний восстановлением его оксида — углеродом в промышленности или магнием в лаборатории. Обратите внимание: с избытком углерода образуется карборунд SiC, а магний может дать силицид Mg₂Si.

Оксид кремния(IV) — это кварц, песок, горный хрусталь. Кислотный оксид, но с водой не реагирует: кремниевую кислоту из SiO₂ и воды не получить. Со щелочами и карбонатами он взаимодействует только при сплавлении. И у него есть уникальное свойство — единственная кислота, которая его разъедает, это плавиковая (HF). Именно поэтому плавиковую кислоту хранят не в стекле, а ею травят рисунки на стекле.

Второе уравнение выглядит парадоксально: менее летучий кислотный оксид вытесняет более «сильный» CO₂. Никакого противоречия нет — реакция идёт при высокой температуре, а CO₂ просто улетает из расплава, смещая равновесие. В растворе же всё наоборот, и это главный сюжет темы: кремниевая кислота настолько слаба, что её вытесняет даже угольная.

H₂SiO₃ — студенистый нерастворимый осадок, очень слабая кислота. При нагревании она теряет воду и возвращается в оксид, а высушенный гель — это знакомый всем силикагель-осушитель.

Соли кремниевой кислоты — силикаты. Растворимы только силикаты натрия и калия; их концентрированный раствор — это жидкое (растворимое) стекло, силикатный клей. Из-за гидролиза по аниону раствор Na₂SiO₃ имеет сильнощелочную среду.

Оконное стекло получают сплавлением соды, известняка и песка. Это не индивидуальное вещество, а сплав переменного состава, и записывают его условной формулой.

Цемент получают обжигом смеси известняка и глины; при затворении водой он схватывается в камень, а бетон — это цемент с песком и щебнем. Керамику (фарфор, кирпич) делают из глины Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O. Все три материала объединяет одно: в их основе — прочнейшая связь Si—O.