Подгруппа углерода. Углерод

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Подгруппа углерода. Углерод

Подгруппа углерода. Углерод

Реферат

 по теме:

«Подгруппа углерода. Углерод.»

ученицы 9-г класса

средней школы №9

Слабодчиковой Валентины

Учитель:

Белокопытов Ю. С.

Июнь 1999

г. Чехов

Содержание.

1. Общая характеристика элементов подгруппы углерода..............................................................................3

2. Аллотропные видоизменения углерода..............................................................................6

3. Адсорбция..........................................................................9

4. Список использованной литературы....................................................................10

Общая характеристика элементов подгруппы углерода.

Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева  образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать. Уже у германия проявляются металлические свойства, а у олова и у свинца они преобладают над неметаллическими. Таким образом, углерод и кремний относят к неметаллам, германий причисляют как к металлам, так и к неметаллам, а олово и свинец - металлы.

 Германий по внешнему виду похож на металлы, но хрупок. Как и кремний, германий принадлежит к полупроводникам, т. е. к веществам, занимающим промежуточное положение между непроводниками электрического тока, или изоляторами (многие неметаллы),  и проводниками (металлы). В качестве полупроводника германий широко применяется в радиоэлектронике.

Простые вещества, образованные оловом и свинцом- следующими элементами подгруппы, проявляют уже все типичные свойства металлов:  металлический блеск, высокую электрическую проводимость и  теплопроводность, пластичность. Как правило, олово и свинец образуют соединения, в которых они проявляют степени окисления +2 и +4.  На внешнем энергетическом уровне атомов элементов главной подгруппы IV группы содержатся четыре электрона: два спаренных s-электрона и  два неспаренных р-электрона. Поэтому при образовании соединений атомы этих элементов могут или отдавать все  четыре электрона, проявляя высшую степень окисления +4, или принимать четыре электрона, проявляя при этом степень окисления -4.

Среди элементов IV группы наибольшее значение имеют углерод, входящий в состав всех живых организмов, и кремний - важнейший элемент земной коры.

Двухвалентные соединения  для кремния менее характерны, чем для углерода. Это связано с меньшим значением энергии возбуждения атомов кремния благодаря большей удаленности наружных электронов от ядра. При обычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически не взаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами.

При обычных условиях углерод и кремний очень инертны и практически не взаимодействуют ни с какими простыми и сложными веществами. Исключение составляет аморфный кремний, реагирую­щий с фтором.

При нагревании углерод и кремний взаимодействуют с галоге­нами, с элементами подгруппы серы, азотом, водородом и многими металлами. В последнем случае образуются соединения, называ­емые карбидами и силицидами. С углеродом и кремнием взаимо­действуют лишь некоторые кислоты, являющиеся сильными окис­лителями. Например, в присутствии окислителей (KClO3, MnO­2) аморфный углерод растворяется в концентрированных азотной и серной кислотах при нагревании. Кремний же растворяется лишь в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Si + 18HF + 4HNO­3 = 3H2SiF6 + 4NO + 8Н2О

Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выде­лением водорода:

Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2­

С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких тем­пературах:

С + Н2О ®¬ СО + Н2

Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2

Первая из этих реакций имеет большое практическое значение. Она лежит в основе процесса газификации твердого топлива.

Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодейству­ет с водородом:

С + 2Н2 = СН4

Реакция осуществляется при нагревании в присутствии ката­лизатора (мелкий раздробленный никель). Продукт взаимодействия — метан — является первым членом ряда предельных угле­водородов, состав которых выражается формулой CnH2n+2.

Аналогично углероду кремний тоже образует с водородом со­единения, но они менее устойчивы. Надежно идентифицированы только шесть низших гомологов предельного ряда. Их называют силанами. Простейший представитель моносилан SiH4 имеет строе­ние, аналогичное СН4. Силаны - крайне реакционноспособные соединения, воспламеняющиеся на воздухе. Низкая прочность связи Si—Si (DH = -220 кДж/моль) по сравнению со связью С—С (DH = -340 кДж/моль) обусловила возможность образова­ния лишь ограниченного числа силанов по сравнению с углево­дородами. 

Склонность углерода к образованию полимерных цепей объясняет то обстоятельство, что он в обычных условиях тверд, нелетуч и химически инертен.

При нагревании на воздухе углерод и кремний сгорают с обра­зованием оксидов. Однако процессы окисления идут по-разному. При недостатке кислорода углерод образует оксид углерода (II), а при избытке — оксид углерода (IV). Кремний с кислородом во всех случаях образует оксид кремния (IV). Оксид кремния (II) может быть получен лишь косвенным путем:

Si + SiO2 = 2SiO.

            В природе кремнезем(SiO2) встречается в виде включений в граниты и другие породы. Такие включения заметны на осколках породы, они напоминают кусочки оплавленного стекла. Освобождаясь при выветривании породы, они скапливаются в руслах рек в виде белого песка. Встречается оксид кремния(IV) и в виде прекрасных кристаллов кварца размером, иногда превышающим человеческий рост. Советские ученые и инженеры разработали методы, позволяющие искусственно выращивать кристаллы кварца длиной до 1,5-2 м.

            При плавлении аморфный кварц размягчается постепенно и также постепенно при охлаждении затвердевает. Это облегчает изготовление из кварца изделий, например химической посуды. Кварц очень мало расширяется при нагревании. Поэтому кварцевую посуду можно, раскалив добела, бросить в холодную воду, и она не растрескается. 

Оксид кремния (IV) практически нерастворим в воде. Соответ­ствующая ему кремниевая кислота получается вытеснением ее из растворов солей другими кислотами, в том числе и угольной. Обра­тите внимание, что в растворе угольная кислота вытесняет кремни­евую из ее солей, а при прокаливании происходит обратное явле­ние. Первый процесс обусловлен тем, что кремниевая кислота бо­лее слабая, чем угольная. Второй же процесс объясняется меньшей летучестью оксида кремния (IV).

Высшие солеобразующие оксиды углерода и кремния довольно сильно отличаются по свойствам. Оксид углерода (IV) - газ, ко­торый конденсируется лишь при сильном охлаждении, образуя кри­сталлическую массу, а оксид кремния (IV), напротив, кристалли­ческое вещество, встречающееся в природе в виде минерала кварца.

Оксид углерода (IV) растворяется в воде (1:1 по объему), при­чем он частично взаимодействует с ней, образуя угольную кислоту:

СО2 + Н2О ®¬ Н2СО3

            Оксид углерода(II) не реагирует ни с водой, ни с растворами щелочей и кислот. Подобно оксиду азота(II) NO, он относится к несолеобразующим оксидам.

            Оксид углерода(II) получается при взаимодействии оксида углерода(IV) с сильно раскаленным углем:

С + СО2 = 2CO - 160 кДж

            В этом можно убедиться, заглянув в хорошо растопленную печь. Над раскаленными добела углями вспыхивают голубые огоньки. Это пламя оксида углерода(II), сгорающего в воздухе, поступающем через открытую дверцу печи. Когда угли несколько остывают, голубые огоньки исчезают: реакция между углем и оксидом углерода(IV) прекратилась и оксид углерода(II) не образуется.

            Теперь понятно, почему сильно раскаленный уголь сгорает синим пламенем, а слабо раскаленный - без пламени.

            Оксид углерода(II) содержится в некоторых видах газообразного топлива, в частности генераторном газе.

            Оксид углерода(IV) образуется в природе при дыхании животных и растений, при гниении органических остатков в почве, при пожарах. Оксид углерода(IV) тяжелее атмосферного воздуха и поэтому может скапливаться в опасных концентрациях в погребах и колодцах. В угольных шахтах из-за медленного окисления угля содержание углекислого газа также выше, чем на открытом воздухе. Служба охраны труда следит за тем, чтобы оно не превышало установленной нормы (30 мг/м3).

            Для растений углекислый газ служит источником углерода, и обогащение им воздуха в парниках и теплицах приводит к повышению урожая. Оксид углерода(IV) применяют также для газирования воды и напитков, жидким CO2 заряжают огнетушители. Твердый оксид углерода(IV) под названием сухого льда применяют для охлаждения продуктов. Преимущество сухого льда перед обыкновенным заключается в том, что он поддерживает в окружающем пространстве значительно более низкую температуру и испаряется, не переходя в жидкое состояние.

            Растворяясь в воде оксид углерода(IV) почти не соединяется с нею. Его гидроксид - угольная кислота Н2СО3  - существует лишь в момент образования, она практически нацело разлагается на углекислый газ и воду:

Н2СО3 = Н2О + СО2  

Учитывая, что угольная кислота является двухосновной, равно­весие между различными формами молекул и ионов в водном раство­ре оксида углерода (IV) можно выразить уравнением:

Н2О + СО2 ®¬ Н2СО3 ®¬  H+ + НСО3- ®¬ 2H+ + CO32- .

При нагревании оксид углерода (IV) улетучивается, и равно­весие смещается влево, а при прибавлении щелочи происходит свя­зывание ионов Н+ и смещение равновесия вправо.   

Угольная кислота слабая. В водном растворе соли угольной кислоты гидролизуются. Растворы средних солей карбонатов обладают сильной щелочной реакцией:

CO32- + H2O = HCO3- + OH-      

            Наиболее распространен в природе карбонат кальция(известняк, мрамор, мел и т.д.). Залежи пород, содержащих карбонат кальция , особенно известняка, встречаются довольно часто. Поэтому одной из задач краеведческой работы в районах с кислыми почвами должны быть поиски месторождений известняка.

            Из искусственно получаемых карбонатов большое значение имеет карбонат натрия Na2CO3. Безводный карбонат натрия известен под названием кальцинированной соды, а кристаллогидрат Na2CO3*10H2O - кристаллической соды. Соду применяют для производства мыла, стекла, а в быту для стирки белья.

            При насыщении раствора соды углекислым газом она переходит в гидрокарбонат натрия NaHCO3. Гидрокарбонат натрия продают в аптеках и продовольственных магазинах под названием питьевой соды. Ее принимают внутрь при изжоге, вызванной избытком в желудочном соке соляной кислоты. Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.

            При нагревании она разлагается с выделением углекислого газа и паров воды:

 2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + СО2

Поэтому питьевую соду вводят в состав хлебопекарных порошков, добавляемых к тесту. Такое тесто подходит без применения дрожжей и заквасок, наполняясь пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается пористым и мягким.

Аллотропные видоизменения углерода.

Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Две основные разновидности углерода - графит и алмаз - существенно отличаются по свойствам. Мягкий графит имеет слоистое строение (рис. 2).Все атомы углерода находятся здесь в состоянии sp2-гибридизации: каждый из них образует три ковалентные связи с соседними атомами, причем углы между направлениями связи равны 120°. Графит электропроводен и хорошо раскалыва­ется по плоскости. В обычных условиях графит и является наи­более устойчивой модификацией. Переход графита в алмаз воз­можен при очень высоких давлениях (порядка 125000 атм) и температурах (около 3000 °С). Однако исследование этого про­цесса сначала с теоретических позиций, а затем эксперимен­тальным путем показало, что в присутствии катализаторов (же­лезо, платина) графит превращается в алмаз уже при давлении 60000—80000 атм и температуре 1400—1600 °С. В настоящее время налажено производство искусственных алмазов для тех­нических целей, причем размеры их обычно колеблются от 0,5 до 4 мм; в отдельных случаях удается получить и большие эк­земпляры. Структура алмаза (рис. 1) типично тетраэдрическая; атомы углерода прочно соединены за счет перекрытия sp3-орбиталей. Хотя в обычных условиях алмаз нестабилен, но практи­чески он может сохраняться неопределенно долгое время. При сильном накаливании алмаза происходит его постепенная графитизация.

Физические свойства алмаза и графита.