§ 19. Углерод и кремний

Определения и обозначения

Аллотропия — существование химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Углерод представлен алмазом, графитом, графеном и фуллеренами, а кремний — кристаллической и аморфной формами. Это понятие помогает не путать разные вещества одного элемента и объяснять различия их свойств.

Адсорбция — поглощение и удерживание вещества поверхностью твёрдого тела. Пористый уголь имеет множество пор, поэтому площадь его поверхности велика и на ней могут закрепляться молекулы газов или растворённых веществ. Адсорбцию используют, например, в фильтрах и противогазах для очистки воздуха и воды.

Карбиды — бинарные соединения углерода с металлами и некоторыми неметаллами. Их состав и свойства разнообразны: например, карбиды металлов могут быть очень твёрдыми, а некоторые при взаимодействии с водой выделяют углеводороды. Термин нужен, чтобы отличать эти соединения от оксидов углерода и понимать их применение в материалах.

Силикаты — соли кремниевых кислот, входящие в состав многих минералов и горных пород. К ним относятся природные соединения, образующие глины и другие породы, а также материалы, получаемые промышленностью. Понятие связывает химию кремния с производством стекла, керамики и цемента.

Как это устроено

Углерод и кремний стоят в 14-й группе, поэтому на внешнем уровне каждого атома находятся четыре электрона. Отдавать или присоединять все четыре электрона энергетически невыгодно, и элементы часто образуют ковалентные связи — общие электронные пары. Поэтому для них характерна степень окисления +4, а в соединениях углерода встречаются также −4 и промежуточные значения; кремний чаще выступает восстановителем и окисляется до +4.

Алмаз, графит, фуллерены и графен состоят из атомов углерода, но их атомы соединены по-разному. В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями в прочной пространственной сети, отчего кристалл очень твёрдый и не проводит ток. В графите атомы образуют слои: связи внутри слоя прочные, а между слоями слабее, поэтому слои легко сдвигаются и материал мягок. В графите часть электронов подвижна и проводит ток; графен — отдельный слой такой структуры, а фуллерены — замкнутые молекулы.

И углерод, и кремний получают из природного сырья, но способ выбирают с учётом чистоты продукта. Углеродные материалы можно получать из органического сырья нагреванием без доступа воздуха; кокс получают переработкой каменного угля, а активированный уголь дополнительно обрабатывают для развития пор. Технический кремний получают восстановлением SiO₂ углеродом в электропечи. Для электроники кремний затем глубоко очищают: примеси даже в малых количествах меняют его электрические свойства.

При нагревании углерод реагирует с кислородом: при его избытке образуется CO₂, а при недостатке — CO. Углерод восстанавливает некоторые металлы из их оксидов, например оксид меди(II), и при высокой температуре соединяется с металлами с образованием карбидов. Кремний при нагревании горит в кислороде с образованием SiO₂, с металлами образует силициды, а непосредственно с водородом обычно не реагирует. С водой кремний не взаимодействует, но горячие растворы щелочей растворяют его с выделением водорода.

Высший оксид углерода CO₂ — молекулярное газообразное вещество, а высший оксид кремния SiO₂ — прочное твёрдое вещество с атомной кристаллической структурой. CO₂ растворяется в воде с образованием слабой угольной кислоты H₂CO₃, тогда как SiO₂ с водой практически не реагирует. Оксид кремния реагирует со щелочами при нагревании и образует силикаты; в природе эти соединения составляют основу многих минералов. Так объясняется роль SiO₂ и силикатов в составе песка, горных пород и строительных материалов.

Сравнительная характеристика углерода и кремния

Сравнивайте элементы по одной строке: так легче увидеть, какие сходства связаны с положением в группе, а какие — с особенностями строения. Таблица показывает общую картину, но условия реакций важны: например, продукты горения углерода зависят от количества кислорода. При решении задач используйте уравнение реакции, а не только сведения из строки.

Разбор задач

Уравнения реакций

Нужно составить уравнения реакции углерода с оксидом меди(II), кремния с гидроксидом натрия и углерода с кислородом при недостатке кислорода. В каждой реакции сначала определяем условия и предполагаемый продукт, затем проверяем изменение степеней окисления и расставляем коэффициенты. Для последней реакции условие о недостатке кислорода задаёт образование угарного газа CO, а не CO₂.

1. Углерод восстанавливает CuO до меди, сам окисляется до CO₂: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Проверка электронного баланса: углерод меняет степень окисления с 0 на +4, а два атома меди — с +2 на 0.
2. Кремний реагирует с водным раствором щёлочи с образованием силиката натрия и водорода: Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑. Проверьте число атомов каждого элемента в обеих частях.
3. При недостатке кислорода образуется CO: 2C + O₂ → 2CO. Коэффициенты сохраняют два атома углерода и два атома кислорода.

Проверьте, что в уравнениях уравнено число атомов и условия реакции не противоречат продуктам. В первом случае углерод — восстановитель, во втором кремний окисляется, а в третьем углерод также принимает кислород. Ответ: 2CuO + C → 2Cu + CO₂; Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂; 2C + O₂ → 2CO.

Почему алмаз и графит различаются по свойствам

Нужно сравнить твёрдость алмаза и графита и объяснить разницу в электропроводности. Ошибка — искать причину в разном химическом составе: оба вещества состоят только из атомов углерода. Причину следует искать в том, как атомы связаны и расположены в пространстве.

1. В алмазе каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи с соседями. Получается прочная трёхмерная решётка, поэтому алмаз очень твёрдый.
2. В графите атом образует три связи в плоском слое; между слоями взаимодействие слабее. Поэтому слои могут смещаться и графит легко оставляет след.
3. В графите часть электронов не закреплена за одной связью и может двигаться по слоям. В алмазе все четыре внешних электрона участвуют в связях, поэтому свободных носителей заряда практически нет.

Таким образом, решётка алмаза не даёт атомам легко смещаться, а структура графита объясняет его мягкость и способность проводить ток. Это пример того, как одно и то же вещество по составу может иметь разные свойства из-за аллотропии. Ответ: алмаз — твёрдый диэлектрик, графит — мягкий проводник.

Расчёт массы кремния

Определим массу кремния, которую можно получить восстановлением 120 г SiO₂ углеродом, если выход реакции равен 80%. Для расчёта используем уравнение SiO₂ + 2C → Si + 2CO: один моль SiO₂ теоретически даёт один моль Si. Сначала находим теоретическую массу продукта, затем учитываем, что практический выход меньше 100%.

1. Находим молярные массы: M(SiO₂) = 28 + 2 · 16 = 60 г/моль; M(Si) = 28 г/моль.
2. По уравнению реакции n(SiO₂) = 120/60 = 2 моль, значит, теоретически n(Si) = 2 моль.
3. Теоретическая масса кремния: mтеор(Si) = 2 · 28 = 56 г.
4. Учитываем выход 80%: mпракт = 56 · 80/100 = 44,8 г.

Стехиометрическое соотношение взято из коэффициентов уравнения, а не из отношения масс исходных веществ. Выход реакции уменьшает теоретическое количество продукта, поэтому его умножают на долю выхода. Ответ: можно получить 44,8 г кремния.

Типичные ошибки

Ошибка: считать алмаз и графит разными химическими элементами. Так думают, потому что их твёрдость, внешний вид и электропроводность резко различаются. Однако состав обоих веществ — атомы углерода; если формула или состав одинаковы, а строение различно, перед нами аллотропные модификации одного элемента.

Ошибка: автоматически переносить свойства углерода на кремний. Элементы одной группы действительно имеют четыре внешних электрона, но атом кремния крупнее, связи и устойчивость структур отличаются. Проверяйте конкретное свойство и условия реакции: сходное положение в таблице не означает одинакового поведения.

Ошибка: при любом горении углерода записывать образование CO₂. При избытке кислорода образуется CO₂, а при его недостатке — CO; поэтому сначала учитывайте условия и только потом выбирайте продукт. Проверка проста: сверьте условие задачи и уравняйте число атомов кислорода.

Ошибка: утверждать, что SiO₂ реагирует с водой с образованием кремниевой кислоты. Диоксид кремния практически не взаимодействует с водой из-за прочной атомной сетки. Его называют кислотным оксидом по реакциям со щелочами и основными оксидами, но это не означает, что он обязательно реагирует с водой; проверяйте свойства конкретного оксида.

Связь с другими темами

Для изучения углерода и кремния пригодятся знания о строении атома, периодическом законе, химической связи и степенях окисления. Правила составления окислительно-восстановительных уравнений помогают объяснить восстановление металлов углеродом и образование оксидов. Тема подготавливает к изучению оксидов, кислот, солей и органических соединений углерода, а также силикатной промышленности, полупроводников и материаловедения. Связь строения с твёрдостью, проводимостью и адсорбцией продолжает тему кристаллических решёток и свойств веществ.

Что запомнить

• Углерод и кремний относятся к 14-й группе и имеют четыре электрона на внешнем уровне.
• Углерод образует много аллотропных модификаций: алмаз, графит, фуллерены и графен.
• Свойства аллотропных форм определяются строением и типом связей, а не различием состава.
• Углерод может быть и восстановителем, и окислителем; кремний чаще выступает восстановителем.
• CO₂ — молекулярное газообразное вещество, а SiO₂ — прочное твёрдое вещество с атомной кристаллической структурой.
• Кремний важен как полупроводник, а его соединения входят в состав песка, глин, стекла и силикатов.
• Пористый уголь адсорбирует вещества благодаря большой площади поверхности.