Материал: Лидин Р. А., Молочко В. А. Химия для абитуриентов. От средней школы к вузу

механизму, что и кислород, СО присоединяется к атому железа в гемоглобине крови, причем он связывается сильнее и тем самым блокирует перенос кислорода в организме, вызывая сильное отравление и остановку дыхания (отсюда тривиальное название СО-угарный газ),

В промышленности СО получают неполным сжиганием кокса (2С + 0 2 = 2СО) или восстановлением С 0 2 и Н20 раскаленным коксом:

В лаборатории для получения СО разлагают муравьиную* кислоту в присутствии концентрированной серной, кислоты (для поглощения воды): НСООН = СО + Н20.

Диоксид углерода С 02 (тривиальное названиъ-углекислый газ)-бесцветный газ; в 1,5 раза тяжелее воздуха (плотность С 0 2 р = 1,98 г/л при н.у.), поэтому его можно «переливать» из сосуда в сосуд. С 02-негорючий газ, достаточно хорошо растворяется в воде (0,88 л/1 л Н20 при 20 °С). При давлении 50 атм (~5 МПа) диоксид углерода сжижается; при вытека­ нии Жидкого С 0 2 из сосуда происходит мгновенное испаре­ ние части С 02, а оставшаяся жидкость замерзает (образуется твердый С 02-«сухой лед»).

Молекула диоксида углерода имеет линейное строение (^-гибридизация орбиталей атома С1У), ее электронная формула

:0 ::С ::0 : или :0 = С = 0 :

Двойная связь С = 0 достаточно прочная (Есв = = 800 кДж/моль, /св = 117 пм); этим объясняется химическая пассивность и устойчивость диоксида углерода при обычных условиях (часто С 0 2 используют как инертную атмосферу

С 02• Н20, который медленно (и лишь на 0,4%) изомеризуется в угольную кислоту Н2СОэ:

со2(г) + н2о со2 • н2о н2со3.

И моногидрат, и угольная кислота термически неустой­ чивы, поэтому даже при слабом нагревании они полностью распадаются на С 02 и Н20.

Угольная кислота Н2С 03весьма слабая (вторая стадия

150

9

диссоциации практически не протекает):

и при пропускании диоксида углерода через раствор, например хлорида кальция, осадок карбоната СаСОэ не

карбонат натрия, легко разлагаются сильными кислотами:

Иа2С 03 + 2НЖ)3 = 2№1ГО3 + Н20 + С02Т.

Растворимые в воде карбонаты щелочных металлов обратимо гидролизуются в-воде, создавая щелочную среду (рН > 7). Карбонаты других металлов нерастворимы в воде и термически неустойчивы (СаСОэ = СаО + С 02).

Для получения карбонатов щелочных и щелочноземель­ ных металлов пропускают С 0 2 через раствор соответствую­ щего гидроксида:

а) С02 + ИаОН = ЫаЙСОэ, С02 + 2ИаОН = Ка2СОэ + Н20;

б) С02 + Ва(ОН)2 = ВаС03| + Н20, 2СОг + Ва(ОН)2 = Ва(НСОэ)2.

При кипячении растворов гидрокарбонаты щелочно­ земельных металлов разлагаются и карбонат металла "выпадает в осадок:

Ва(НС03)2 = ВаСОэ| + Н20 + С02|.

В промышленности С 02 получают при полном сжигании кокса (С + 0 2 = С 02) и обжигом известняка (СаСОэ, см. вьпне), в лаборатории-обработкой карбонатов (например, кусочков мрамора СаС03) сильными кислотами:

СаС0 3 + Н2804 = Са8041 + Н20 + С 02|.

Диоксид углерода содержится в воздухе (0,03 об. %) и в минеральных водах. Диоксид углерода ассимилируется зелеными растениями при фотосинтезе (с помощью содер­ жащегося в растениях хлорофилла под воздействием солнеч­ ных лучей). При этом в растениях образуются органические вещества (глюкоза и др.), а кислород выделяется в атмосфе­ ру. Глюкоза в организмах животных и растений диссимилируется, т. е. окисляется под действием кислорода в присутст­

151

вии ферментов, и тем самым замыкается цикл развития живого организма:

6С0 2 + 6Н20 <ассими™ йс6н12о6 + 602.

диссимиляция

глюкоза

Известно, что зеленые листья площадью 1 м2 в течение 1 ч на солнечном свету производят 1 г глюкозы. Люди выдыхают воздушную смесь, содержащую 4% С 02. Атмос­ фера Венеры на «95% состоит из С 02.

Кремний. В большинстве соединений кремний находится в степени окисления ( 4-IV), значительно реже (—IV). В свободном виде кремний 81-темно-серое кристаллическое вещество, очень твердое, хрупкое и тугоплавкое. Кристал­ лическая решетка-атомная, связи 81— 81 очень прочные, химическая активность кремния мала. В особых условиях можно получить так называемый аморфный кремний в виде белого порошка, его реакционная способность выше.

При высокой температуре кремний реагирует с неметал­ лами, например кислородом и хлором (продукты 8Ю2 и 81СЦ), и металлами (2М§ 4- 81 = М§281). При кипячении в концентрированном растворе щелочи переходит в раствор:

81 + 4КаОН (конц.) = На48Ю4 4- 2Н2Т*

Легче протекает реакция между кремнием и смесью азотной и фтороводородной кислот:

381 4- 4НЖ)3 4- 18НР = ЗН2181Р6] 4- 4 Ж )| 4- 8НгО.

Движущей силой этой реакции является образование очень устойчивого гексафторосиликат(1У)-иона рйР6] 2~; он имеет геометрическую форму октаэдра (у/?3*/2-гибридизация орби­ талей 811У).

В промышленности кремний получают восстановлением 81С14 или 8Ю2 при прокаливании:

8хС14 4- 22п = 81 + 22пС12,

8Ю2 4“ 2М§ = 81 4“ 2М§0.

В последней реакции, проводимой на воздухе при избытке магния, образуются ещё силицид магния М§28г и нитрид магния М§3К 2, которые разрушаются кислотами:

М§281 4- 4НС1 = 2М§С12 4- 8Ш4|,

М§3142 4- НС1 = ЗМ§С12 4- 2НН4С1.

После кислотной обработки смеси остается аморфный

152

кремний, который в результате переплавки (Гщ, = 1415°С) становится кристаллическим. После очистки его можно использовать в полупроводниковой технике.

Кремний в степени окисления (Н-1У) находится в 8Ю2

ивесьма многочисленных и часто очень сложных по составу

истроению силикат-ионах (так, кроме метасиликат-иона 8Юз“ и ортосиликат-иоца 8ЮЗ" известны ионы 812О7",

8Юз”, а в растворе-как содержапще ион 81О4” (например,

№ 28163 и № 48104).

Диоксид кремния. 8Ю2 (техническое название - кремне­ з ё м )-белый порошок или прозрачные кристаллы, очень тугоплавкий. Существует 9 модификаций 8Ю2, различаю­ щихся строением кристаллической решетки; важнейшие из

застывает в аморфную массу (кварцевое стекло).

Большая химическая устойчивость 8Ю2 объясняется строением кристаллической решетки, в узлах которой нахо­ дятся атомы 81 и О (атомная решетка). Аморфный 8Ю2 более реакционноспособен; он разрушается под действием фтороводородной кислоты и щелочей:

а) 8Ю2 + 6НР (конц.) = Н2[81Р6] + 2НгО;

в) 8Ю2 + 4№ОН(конц.) = № 48Ю4 + 2НгО.

При взаимодействии со щелочами 8Ю2 проявляет кислотные свойства и образует сот-силикаты, например метасиликат натрия № 28Юа и ортоСйликат натрия № 48104. При подкислеции растворов силикатов выпадает 8Ю2:

№ 48Ю4 + 4НС1 = 4№С1 + 8Ю21 + 2НгО.

Из раствора диоксид кремния осаждается вначале »в виде вязкого коллоидного раствора-золя состава (Н28Ю3)И, затем, по мере укрупнения частиц, в виде студенистой массы-геля 8Ю2*«Н20; в растворе остается небольшое количество ортокремниевой кислоты Н48Ю4 (растворимость 0,00673 г/100 г Н20 при 20 °С). Мономерная кислота Н28Ю3 (метакремниевая) не получена.

Растворимые силикаты .натрия и калия в большой степени подвергаются гидролизу по анйону и создают в растворе

153

сильнощелочную среду (рН > 7). Насыщенный раствор этих силикатов (вязкое «жидкое стекло») используется^ как силикатный клей;

Силикаты натрия и кальция входят в состав стекла. Его обычно получают сплавлением кварца 8Ю2, известняка (в

основном СаСОэ) и соды Ка2СОэ:

*

681О2 + На2С03 + СаСОэ = (Ма28Ю3 • Са8Ю3 • 48Ю2) + 2СОг.

обычное стекло

Часто состав стекла выражают суммой оксидов, напри­ мер Ка20 • СаО • 68Ю2.

Кремний-второй по распространенности элемент в зем­ ной коре (25,8 масс. %). Находится в различных горных породах в форме 8Ю2 и многочисленных силикатов {граниты, гнейсы, базальты, песчаники, песок и др.). Кристаллический 8Ю2 находится в природе в виде минерала кварц {горный хрусталь) и его окрашенных разновидностей (дымчатый

ирозовый кварц, фиолетовый аметист и др.), а также в виде содержащих воду минералов - опал, халцедон {агат, яшма)

икремень (с примесью оксидов железа). Среди силикатных минералов1отметим глины (алюмосиликаты), очень чистая глина -каолин А120 3 • 28Ю2 • 2НгО используется как основная составная часть при изготовлении фарфора. -Силикаты и алюмосиликаты применяют в промышленности при произ­ водстве керамики, цемента, бетона и других строительных материалов.

Упражнения

15.1. Объясните, почему орбитали атома кремния могут, а орбитали атома углерода не могут находиться в 5/г сР-гибридизации. Приведите примеры частиц, в которых: а) атом С находится в зр3-, 5р - и ^-гибридизации; б) атом 81 находится в зр3- и ^^-гибриди­ зации. '

15.2. Составьте электронные формулы молекул СР4, СН4, С2Н6, С2Н4, С2Н2 и СС120. Укажите степени окисления элементов, кратность связей, тип гибридизации орбиталей атома углерода,

атакже геометрическую форму молекул СР4 и СС120.

153.Графит обрабатывают концентрированной азотной кислотой, образующуюся смесь газов поглощают насыщенным раствором гидроксида кальция. Составьте уравнения реакций.

15.4. Известно, что монооксид углерода СО по плотности немного легче воздуха. Укажите (устно), как соотносятся по плотности СО й газы, составляющие воздух.

. 15.5. Составьте уравнения реакций двойного обмена в водном

154