Углерод и кремний: химические свойства, соединения и пошаговые примеры с решениями для ЕГЭ

Углерод ($C$) и кремний ($Si$) находятся в главной подгруппе IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. На внешнем энергетическом уровне у них находится по 4 электрона (электронная конфигурация внешнего слоя $ns^2 np^2$). До завершения октета им не хватает именно четырёх электронов.

Возможные и наиболее устойчивые степени окисления для этих элементов:

Углерод в природе существует в нескольких аллотропных модификациях: графит, алмаз, фуллерен и многие другие. По физическим свойствам разные модификации очень различаются. Алмаз обладает сверхтвёрдостью, это прозрачные кристаллы. Графит — чёрное вещество с характерным блеском, обладает невысокой твёрдостью. Алмаз и графит обладают атомной кристаллической решёткой, фуллерен — молекулярной. Кремний чаще всего встречается в виде серого кристаллического порошка. Он имеет атомную кристаллическую решётку, похожую на решётку алмаза.

Свойства углерода

С химической точки зрения углерод при обычных температурах малоактивен. Для вступления в реакции его необходимо нагревать.

При нагревании углерод реагирует с активными металлами с образованием карбидов:

Углерод активно выступает восстановителем по отношению к неметаллам:

Получение синтез-газа при пропускании водяного пара над раскалённым углём:

Восстановление металлов из их оксидов (пирометаллургия). Углерод часто забирает кислород:

В реакциях с концентрированными кислотами-окислителями углерод окисляется до своей высшей степени окисления (+4):

Свойства кремния

Он реагирует при нагревании, проявляя свойства и окислителя, и восстановителя:

Из кислот кремний активно взаимодействует только с плавиковой кислотой (газообразным или жидким фтороводородом):

В промышленности кремний получают восстановлением из его оксида:

Угарный газ ($CO$)

Оксид углерода(II) относится к несолеобразующим оксидам. С водой и обычными кислотами соли не образует, но является мощным восстановителем:

При высоком давлении и нагревании $CO$ реагирует с расплавом щёлочи. В результате образуется формиат (соль муравьиной кислоты):

Получить угарный газ можно восстановлением углекислого газа или с помощью дегидратации муравьиной кислоты:

Углекислый газ ($CO_2$) и угольная кислота

Оксид углерода(IV) — типичный кислотный оксид. При растворении в воде образует слабую и неустойчивую угольную кислоту.

На экзамене угольная кислота в продуктах реакций ионного обмена всегда расписывается на воду и углекислый газ, записывать $H_2CO_3$ как продукт нельзя.

Как кислотный оксид, $CO_2$ реагирует с основными оксидами и щелочами. В реакциях со щелочами важно следить за соотношением реагентов, так как могут образоваться средние или кислые соли:

Углекислый газ способен выступать в роли окислителя в реакциях с очень активными металлами. Например, магний горит в атмосфере углекислого газа:

Оксид кремния ($SiO_2$)

Песок, кварц и кремнезём имеют в своей основе оксид кремния(IV). Это кислотный оксид с атомной кристаллической решёткой. Он совершенно не реагирует с водой, поэтому получить из него кислоту прямым растворением невозможно.

Со щелочами и основными оксидами он реагирует исключительно при нагревании (сплавлении):

Более сильный и менее летучий кислотный оксид $SiO_2$ при нагревании способен вытеснять летучий $CO_2$ из карбонатов:

Аналогичная реакция протекает при нагревании оксида кремния с сульфитами.

Качественная реакция (травление стекла) — растворение $SiO_2$ в плавиковой кислоте. Другие кислоты на него не действуют:

Сравнение свойств оксидов углерода и кремния:

Карбонаты и гидрокарбонаты

Все гидрокарбонаты (кислые соли) хорошо растворимы в воде. Из средних карбонатов растворимы только соли щелочных металлов и аммония.

Обе группы солей бурно реагируют с сильными кислотами с выделением углекислого газа:

Кислые соли можно переводить в средние путём добавления щёлочи, а средние соли можно превращать в кислые через добавление избытка кислотного оксида ($CO_2$) и воды:

При нагревании все нерастворимые карбонаты распадаются на оксид металла и углекислый газ. Гидрокарбонаты щелочных металлов также разлагаются при нагревании, переходя в средние соли. Карбонаты щелочных металлов плавятся, но не разлагаются:

Кремниевая кислота и силикаты

Кремниевая кислота ($H_2SiO_3$) — это студенистый осадок, нерастворимый в воде. Угольная кислота немного сильнее кремниевой.

Углекислый газ, пропущенный через раствор растворимого силиката, способен вытеснить кремниевую кислоту в осадок. Сильные кислоты действуют аналогично:

Сама кремниевая кислота нестабильна при нагревании и легко теряет воду:

Кремниевая кислота растворяется в щелочах:

Большинство силикатов — нерастворимые соли. Растворимы силикаты натрия, калия, рубидия и цезия. Для этих солей характерны реакции ионного обмена с выпадением осадка:

Рассмотрим алгоритмы выполнения типичных тестовых заданий из экзамена.

Задание 1

Установите соответствие между исходными веществами, вступающими в реакцию, и продуктами, которые образуются при взаимодействии этих веществ.
Исходные вещества:
А) $Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow$
Б) $Na_2CO_3 + HCl \rightarrow$
В) $Na_2CO_3 + SiO_2 \xrightarrow{t}$
Продукты реакции:
1. $NaHCO_3$.
2. $Na + CO$.
3. $Na_2SiO_3 + CO_2$.
4. $Na + Si + CO$.
5. $NaCl + CO + H_2O$.
6. $NaCl + CO_2 + H_2O$

Задание 2

Установите соответствие между формулой вещества и химическими реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать.
Вещество: $SiO_2$
Реагенты:
1. $Al,\, HNO_3,\, CO$.
2. $C,\, KOH,\, HF$.
3. $NaOH,\, H_2O,\, CaO$.

Задание 3

Задана следующая схема превращений веществ:
$X \xrightarrow{NaOH} Na_2CO_3 \xrightarrow{Y} CO_2$
Определите, какие из указанных веществ являются X и Y:
1. $CO$.
2. $CaCO_3$.
3. $HCl$.
4. $CO_2$.

Существуют классические ловушки, в которых баллы теряются чаще всего.

Взаимодействие оксида кремния с водой
Ошибка: $SiO_2 + H_2O \rightarrow H_2SiO_3$
Причина: применяют к оксиду кремния общее правило (кислотные оксиды дают кислоты при растворении в воде).
Правильный подход: кремнезём имеет атомную решётку и не растворяется в воде.

Запись угольной кислоты в продуктах реакций обмена
Ошибка: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2CO_3$
Причина: механически меняются местами участники реакции без учёта стабильности продукта.
Правильный подход: угольная кислота нестабильна при обычных условиях. Запись во второй части (например, в задании № 31) должна быть только в виде: $CO_2\uparrow + H_2O$. За молекулу $H_2CO_3$ в химическом уравнении эксперты снимают баллы.

Взаимодействие угарного газа со щелочами
Ошибка: $CO + NaOH \rightarrow Na_2CO_3$ и выделение водорода.
Причина: путают $CO$ с $CO_2$, пытаясь написать реакцию образования обычного карбоната.
Правильный подход: угарный газ — несолеобразующий оксид. Исключительная реакция возможна только с расплавом щёлочи при нагревании и давлении. Продуктом будет органическая соль: $CO + NaOH \rightarrow HCOONa$.

Растворимость кремния в кислотах
Ошибка: $Si + 4HCl \rightarrow SiCl_4 + 2H_2$
Причина: предположение, что кремний способен вытеснять водород из сильных галогеноводородных кислот, как активный металл.
Правильный подход: кремний не реагирует с обычными кислотами-неокислителями. Уникальным свойством обладает лишь фтороводородная кислота (из-за прочности образующейся связи $Si{-}F$): $Si + 4HF \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2\uparrow$.

После проработки темы химия элементов 14-й группы воспринимается как чёткая система. Теперь ты умеешь:

• определять продукты специфических реакций $CO$ и $SiO_2$;
• правильно записывать продукты гидролиза и ионного обмена с участием неустойчивой угольной кислоты;
• предсказывать химические свойства простых веществ и их кислотных оксидов.

Чтобы закрепить тему, порешай задания в «100балльном банке» — там собраны задачи разного уровня сложности для отработки теории.