"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Углерод и кремний — элементы 14-й группы с четырьмя электронами на внешнем уровне. Их атомы образуют прочные ковалентные связи, но строение простых веществ различается. Углерод существует, например, в виде алмаза и графита: один твёрдый и не проводит ток, другой мягкий и проводящий. Кремний — кристаллический полупроводник, важный для электроники. Понимание связи между строением, свойствами и реакционной способностью помогает объяснить применение этих веществ и решать задачи на реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия — способность одного химического элемента существовать в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Причина в том, что атомы элемента могут по-разному соединяться или располагаться в пространстве. Углерод образует, например, алмаз и графит, поэтому одного названия элемента недостаточно, чтобы описать свойства вещества.
Алмаз — простое вещество углерод с атомной кристаллической решёткой: каждый атом связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседями. Эта связь образует жёсткую пространственную сеть, которую трудно деформировать. Электроны заняты в связях и не перемещаются свободно, поэтому алмаз очень твёрдый и не проводит электрический ток.
Графит — аллотропная модификация углерода, в которой атомы соединены в плоские слои. Внутри слоя связи прочные, а между слоями взаимодействие слабое, поэтому слои легко скользят друг относительно друга и графит мягкий. Некоторые электроны могут перемещаться вдоль слоёв, что позволяет графиту проводить ток.
Кремний — простое вещество элемента Si, твёрдый кристалл с атомной решёткой, в которой каждый атом связан с четырьмя соседями. По типу решётки его структура напоминает алмаз, но атомы кремния крупнее, а связи отличаются прочностью. Кремний серый, хрупкий и обладает полупроводниковыми свойствами, поэтому его поведение отличается и от алмаза, и от графита.
Углерод и кремний стоят в 14-й группе периодической системы, а на внешнем энергетическом уровне каждого атома находятся четыре электрона. Чтобы достичь устойчивой конфигурации, атомы могут образовать несколько ковалентных связей — общих электронных пар с соседними атомами. Поэтому для этих элементов характерны соединения с разветвлёнными структурами и прочные атомные решётки. Число электронов внешнего уровня помогает объяснить сходство их химических свойств, но размер атома влияет на прочность связей и свойства веществ.
Различия между алмазом и графитом возникают из-за того, как атомы углерода используют связи и располагаются в пространстве. В алмазе связи направлены к четырём соседним атомам, создавая жёсткую объёмную сеть. В графите связи формируют плоские шестиугольные сетки, уложенные слоями; слабое притяжение между слоями позволяет им смещаться. Кроме того, в графите есть электроны, которые способны двигаться вдоль слоёв, а в алмазе электроны закреплены в связях.
Кремний имеет атомную кристаллическую решётку: каждый его атом связан с четырьмя соседями. В чистом кремнии при обычной температуре лишь часть электронов может участвовать в переносе заряда, поэтому он проводит ток хуже металлов, но лучше изоляторов. Это свойство называют полупроводниковым; его можно менять температурой и добавлением примесей. На этом основана работа кремниевых деталей, которые управляют током в электронных устройствах.
При нагревании углерод и кремний проявляют восстановительные свойства: восстановитель отдаёт электроны, а другой участник реакции их принимает. В кислороде углерод при достатке кислорода образует CO₂, а при недостатке — CO: C + O₂ → CO₂; 2C + O₂ → 2CO. Кремний при нагревании реагирует с кислородом с образованием SiO₂. Углерод также восстанавливает некоторые оксиды металлов, например CuO: C + 2CuO → CO₂ + 2Cu.
Химическая активность простых веществ зависит от условий и прочности связей в их кристаллических структурах. Углерод и кремний при обычных условиях сравнительно малоактивны, а нагревание помогает преодолеть энергетический барьер и ускоряет реакции. Углерод применяют как восстановитель в металлургии, а кремний получают восстановлением оксида кремния(IV) углеродом: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Чистоту полученного кремния затем повышают, поскольку электронным приборам нужен материал с заданными свойствами.
| Свойство | Углерод | Кремний |
|---|---|---|
| Положение в периодической системе и число электронов на внешнем уровне | 14-я группа; 4 электрона | 14-я группа; 4 электрона |
| Основные формы существования и строение простого вещества | Алмаз, графит и другие формы; атомные решётки различного строения | Кристаллический кремний; атомная решётка |
| Физические свойства | Алмаз очень твёрдый и не проводит ток; графит мягкий и проводит ток | Твёрдый, хрупкий полупроводник |
| Реакции с кислородом | При достатке O₂ образуется CO₂, при недостатке — CO | При нагревании образуется SiO₂ |
| Восстановительные свойства при нагревании | Восстанавливает некоторые оксиды металлов, образуя CO или CO₂ | Может выступать восстановителем; углерод восстанавливает SiO₂ до Si |
| Применение и связь со свойствами | Графит используют в электродах и карандашных стержнях, алмаз — в режущих инструментах | Полупроводниковые свойства позволяют применять его в электронике |
Сравнивайте вещества по каждой строке: одинаковое положение в группе не означает одинаковых физических свойств. Особенно полезно проследить, как строение решётки связано с твёрдостью и проводимостью. Последние строки таблицы показывают, почему свойства простых веществ определяют их применение.
Задача 1. Назовите аллотропные модификации углерода и объясните различие свойств алмаза и графита. Чтобы ответить, нужно сравнить не только внешний вид веществ, но и расположение атомов и характер связей. Именно строение решётки объясняет наблюдаемые физические свойства.
Ответ: алмаз и графит — аллотропные модификации углерода; их свойства различаются из-за строения и расположения атомов в кристаллических решётках.
Задача 2. Составьте уравнение реакции углерода с оксидом меди(II) при нагревании и определите восстановитель. Оксид меди(II) превращается в медь, а углерод окисляется. Продуктом окисления углерода в этой реакции принимаем CO₂.
Ответ: C + 2CuO → 2Cu + CO₂; восстановитель — углерод.
Задача 3. Рассчитайте массу кремния из 120 г SiO₂ при восстановлении углеродом, если выход реакции равен 80%. Сначала найдём массу кремния при полном превращении, затем учтём, что в опыте получено только 80% теоретического количества. Используем уравнение SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
Ответ: можно получить 44,8 г кремния.
Считать алмаз и графит разными химическими элементами — ошибка: это простые вещества одного элемента, углерода. Её допускают, потому что внешне и по свойствам они сильно различаются. Проверьте себя по составу: в обоих случаях в веществе присутствуют только атомы C, а различается их строение.
Объяснять различия алмаза и графита только внешним видом недостаточно. Внешний вид показывает, что вещества разные, но не объясняет причину: ею служит различное расположение атомов и характер связей в решётке. Проверка проста: назовите, как строение связано с твёрдостью и проводимостью каждого вещества.
Угарный газ CO и углекислый газ CO₂ нельзя путать: у них разный состав и разные свойства. При достатке кислорода углерод обычно образует CO₂, а при недостатке — CO; поэтому нельзя выбирать продукт, не учитывая условия. Проверьте формулу и число атомов кислорода, а затем уравняйте реакцию.
Запись реакции углерода или кремния с оксидом без проверки условий и коэффициентов может привести к неверному ответу. Нагревание часто необходимо, а формулы продуктов зависят от конкретной реакции. Перед завершением проверьте, сохранено ли число атомов каждого элемента и согласуются ли продукты с условиями задачи.
Перед изучением углерода и кремния полезно повторить строение атома, положение элементов в периодической системе и образование ковалентной связи: эти знания объясняют состав решёток и свойства веществ. Далее тема связана с оксидами, силикатами и стеклом, а также с окислительно-восстановительными реакциями, где нужно определять восстановитель и изменения степеней окисления. Представления о кристаллическом кремнии помогают понять, почему полупроводники применяют в электронике и как свойства материала влияют на работу устройств.
Почему алмаз и графит состоят из одного и того же элемента, но так не похожи?
В обоих веществах атомы одного элемента — углерода, но они по-разному соединены и расположены в кристаллической решётке. В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями в прочную пространственную сеть, а в графите атомы образуют слои. Поэтому различаются твёрдость и электропроводность.
Почему графит проводит электрический ток, а алмаз — нет?
В графите часть электронов может перемещаться вдоль слоёв и переносить электрический заряд. В алмазе электроны участвуют в прочных связях между атомами и не могут свободно двигаться. Поэтому графит проводит ток, а алмаз практически не проводит.
Чем кремний отличается от углерода по физическим свойствам?
Углерод имеет несколько простых веществ с разными свойствами, в частности алмаз и графит. Кремний при обычных условиях — твёрдое кристаллическое вещество серого цвета с металлическим блеском. Он является полупроводником, тогда как электрические свойства форм углерода сильно различаются.
При каких условиях углерод образует угарный газ, а при каких — углекислый?
При достатке кислорода углерод обычно окисляется до углекислого газа: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода образуется угарный газ: 2C + O₂ → 2CO. Реальный продукт зависит от соотношения реагентов и условий реакции.
Почему кремний используют в производстве электронных устройств?
Кремний — полупроводник: его способность проводить ток можно изменять, например, добавляя небольшие количества других элементов. Это позволяет создавать элементы, управляющие электрическими сигналами. Поэтому кремний широко применяют в микросхемах и других электронных устройствах.
§ 28. Неметаллы четвёртой группы: углерод и кремний
