ХИМИЯ 10

Оксиды углерода и кремния

231

Физические свойства оксидов углерода и кремния приведены в таблице 20.

Таблица 20. Физические свойства оксидов углерода и кремния

	Оксид углерода(II)	Оксид углерода(IV)	Оксид кремния(IV)
Формула	СО	CO2	SiO2
Название	угарный газ	углекислый газ	кремнезём, кварц
Агрегатное состо-	газ	газ; при повышении	твёрдое кристал-
яние при обыч-		давления (5 МПа)	лическое веще-
ных условиях		легко сжижается и	ство
		затвердевает
Температура	–205	возгоняется без плав-	1713
плавления, С		ления
Цвет и запах	не имеет	не имеет	не имеет
Растворимость в	плохо растворим	растворим	нерастворим
воде
Действие на ор-	очень ядовит	в больших количест-	неядовит
ганизм человека		вах вызывает удушье

Химические свойства оксидов

Оксид углерода(II) — это несолеобразующий оксид. При обычных условиях он не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами.

В то же время оксид углерода(II) реагирует с простыми и сложными веще-

ствами, проявляя восстановительные свойства. Он окисляется кислородом

воздуха, превращаясь в оксид углерода(IV):

кат.

2CO + O2 ===== 2CO2.

Вприсутствии катализатора — оксида марганца(IV) MnO2 — данная реакция идёт уже при комнатной температуре.

Вкачестве восстановителя оксид углерода(II) взаимодействует с оксидами металлов:

CO + СuO =t Сu + CO2.

Напомним, что оксид углерода(II) не случайно называется угарным газом. Этот оксид очень ядовит. Образуясь при неполном сгорании топлива, он может привести к сильному отравлению и даже смерти.

232 Неметаллы

Оксид углерода(IV) CO2 и оксид кремния(IV) SiO2 — это кислотные солеобразующие оксиды. Они взаимодействуют с основаниями и основными оксидами.

Оксид углерода(IV) CO2 при обычных условиях взаимодействует со щелочами в водных растворах, с твёрдыми щелочами и с основными оксидами, образуя соли — карбонаты. Так, при пропускании оксида углерода(IV) через насыщенный раствор гидроксида кальция («известковую воду») выпадает осадок карбоната кальция:

CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O.

Эта реакция является качественной на CO2.

Оксид кремния(IV) SiO2 взаимодействует с твёрдыми щелочами и с основными оксидами при сплавлении, образуя соли — силикаты:

SiO2 + 2KOH =t K2SiO3 + H2O;

SiO2 + BaO =t BaSiO3.

Оксид углерода(IV) CO2 взаимодействует с водой, образуя непрочную угольную кислоту:

CO2 + H2O H2CO3.

Оксид кремния(IV) SiO2 с водой не взаимодействует.

Оксид углерода(IV) не горит и не поддерживает горения: зажжённая лучинка, внесённая в углекислый газ, гаснет.

Применение оксидов углерода и кремния

Оксид углерода(II) используется в качестве восстановителя в металлургии, он служит исходным сырьём для получения органических веществ.

Применение углекислого газа CO2 осно-

вано на том, что он не поддерживает жизнедеятельность бактерий и плесени, поэтому его

	используют для хранения различных продуктов
	питания, а также для газирования воды. Угле-
	кислый газ входит в состав природных мине-
	ральных вод различных источников.
	Твёрдый CO2 («сухой лёд») (рис. 88) ис-
	пользуется для краткосрочного хранения ско-
Рис. 88. «Сухой лёд»	ропортящихся продуктов. Кроме того, угле-

Оксиды углерода и кремния

233

кислый газ находит применение в производстве соды, используется в газовых лазерах.

Оксид кремния(IV) SiO2 широко применяют в строительстве, для получения стекла, керамики, фарфора, кирпича, цемента. Напомним, что для получения оконного стекла смесь песка SiО2, соды Na2CО3, и мела (известняка) СаСО3 нагревают до температуры 800–1400 С в специальных стекловаренных печах (рис. 89):

СаСО3 + Na2CО3 + 6SiO2 =t Na2О·СаО·6SiО2 + 2СО2↑.

Если во время варки стекла в исходную смесь добавить немного оксида кобальта(II) СоО, то стекло приобретает синий цвет. Добавка примеси оксида марганца(II) МnО обеспечивает фиолетовый цвет стекла и т. д. Для получения легкоплавкого стекла вместо карбоната натрия Na2CО3 используют поташ K2CO3. Отличительная особенность стекла — его способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании. На этом свойстве основано производство посуды и художественных изделий из стекла. Среди производителей стекла и изделий из него в Республике Беларусь наиболее известны ОАО «Стеклозавод “Нёман”», ПРУП «Борисовский хрустальный завод», ОАО «Гомельстекло» и др.

Битое стекло может фокусировать солнечные лучи и тем самым вызывать пожары. В природе стеклянные осколки растрескиваются медленно и рассыпаются от перепадов температур. На поверхности Земли этот процесс идёт в течение нескольких сотен лет.

Рис. 89. Стекловаренная печь

234

Неметаллы

Рис. 90. Печь для получения цемента

Основными компонентами цемента, который получают спеканием смеси известняка и глины (рис. 90) при высоких температурах, являются силикаты кальция и алюминия. На территории нашей страны предприятия по производству цемента расположены в Волковыске, Костюковичах, Кричеве.

Кварц используется в радиотехнике, оптическом приборостроении. Кварцевая посуда широко применяется в химических лабораториях. Синтетический SiO2 («белая сажа») используется как наполнитель в производстве резины.

Углерод образует с кислородом оксид углерода(II), или угарный газ СО, и оксид углерода(IV), или углекислый газ CO2. Для кремния более известен оксид кремния(IV) SiO2.

Оксид углерода(II) — несолеобразующий оксид. Для него характерны восстановительные свойства.

Оксид углерода(IV) CO2 и оксид кремния(IV) SiO2 являются кислотными солеобразующими оксидами. Они взаимодействуют с основаниями и основными оксидами.

Угольная и кремниевая кислоты. Карбонаты и силикаты

235

Вопросы и задания

1.Рассчитайте, во сколько раз углекислый газ легче или тяжелее воздуха.

2.Как можно экспериментально доказать, что при горении органических веществ выделяются углекислый газ и вода?

3.Сравните химические свойства СО и CO2. Приведите соответствующие уравнения химических реакций.

4.Запишите уравнения реакций углекислого газа с оксидом бария и гидроксидом бария? Какие свойства оксида углерода (IV) при этом проявляются?

5.Объясните, почему раствор углекислого газа в воде окрашивает лакмус в красный цвет? Изменится ли окраска метилоранжа в этом растворе?

6.* В некоторых растениях найдено сложное кремнийорганическое соединение,

состав которого можно описать формулой Si(O2C39H59)4. Из какого вещества будет состоять твёрдый остаток после длительного прокаливания указанного соединения на воздухе? Определите массовую долю остатка в исходном соединении.

7.* Известно, что 1 м2 поверхности зелёных растений поглощает в сутки углекислый газ массой 5 г. Подсчитайте поверхность листьев, которая необходима для погло-

щения CO2, выдыхаемого человеком за сутки, если за один час человек выдыхает углекислый газ объёмом (н. у.) 25 дм3.

§ 48. Угольная и кремниевая кислоты. Карбонаты и силикаты

Поскольку оксид углерода(IV) CO2 и оксид кремния(IV) SiO2 являются кислотными солеобразующими оксидами, то им соответствуют угольная и кремниевая кислоты.

Угольная кислота и её соли

Слабая угольная кислота H2CO3 образуется при растворении углекислого газа CO2 в воде. Эта кислота существует только в растворах, а при попытках выделить её распадается на воду и углекислый газ:

H2CO3 = H2О + CO2↑.

В водном растворе угольная кислота диссоциирует ступенчато:

H	CO	3	H+ + HCO –;	HCO	– H+ + CO 2–.
2			3	3	3

Из приведённых уравнений видно, что при подкислении растворов гидрокарбонатов и карбонатов равновесие смещается в сторону образования вначале HCO3– и H2CO3, а затем, ввиду неустойчивости угольной кислоты, к её распаду с образованием углекислого газа. Взаимодействие сильных кислот с солями угольной кислоты приводит к выделению углекислого газа:

ВaCO3 +2HCl = ВaCl2 + H2O + CO2↑.

236

Неметаллы

Взаимодействие с сильными кислотами можно рассматривать как качественную реакцию для распознавания карбонатов и гидрокарбонатов.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут взаимопревращаться. Так, при действии углекислого газа в присутствии воды карбонаты превращаются в гидрокарбонаты:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2.

При нагревании растворимый гидрокарбонат кальция превращается в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO3)2 =t CaCO3↓ + CO2↑ + H2O.

Гидрокарбонаты можно перевести в карбонаты также действием избытка щёлочи:

Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O.

При нагревании все гидрокарбонаты и некоторые карбонаты разлагаются c выделением углекислого газа:

2NaHCO3 =t Na2CO3 + 2CO2↑ + H2O↑; (NH4)2CO3 =t 2NH3↑ +CO2↑ + H2O↑.

Применение солей угольной кислоты

Среди солей угольной кислоты большое значение имеет карбонат кальция CaCO3, который встречается в природе в виде мрамора, известняка, мела. Мрамор и известняк применяются в строительстве как облицовочные материалы. Известняк используют для получения извести, его вносят в почву для понижения кислотности. Мел используют для побелки, при производстве резины, а также в стекольной промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Карбонат натрия Na2CO3 (кальцинированная сода) и его кристаллогидрат Na2CO3·10H2O (кристаллическая сода) используются в производстве стекла, моющих средств, красителей и др. В больших количествах они применяются в целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Гидрокарбонат натрия (питьевая сода) NaHCO3 широко используется в медицине, пищевой промышленности, быту.

Карбонат калия K2CO3 (поташ) применяют в производстве стекла, мыла.

Угольная и кремниевая кислоты. Карбонаты и силикаты

237

Кремниевая кислота и её соли

Двухосновная кремниевая кислота H2SiO3 относится к слабым кислотам. По силе она слабее угольной кислоты.

Кремниевую кислоту нельзя получить в результате взаимодействия оксида кремния(IV) SiO2 с водой. Она получается при действии более сильных кислот на силикаты:

К2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2КCl.

В воде H2SiO3 практически не растворяется и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка. Состав кремниевой кислоты часто описывают общей формулой nSiO2·mH2O.

Кремниевая кислота при нагревании или длительном хранении постепенно разлагается на воду и оксид кремния(IV):

H2SiO3 =t Н2О↑ + SiO2.

Соли кремниевой кислоты — силикаты — можно получить в результа-

те взаимодействия при высокой температуре оксида кремния(IV) с оксидами металлов, карбонатами или щелочами. Большинство силикатов плохо растворимы в воде.

Применение солей кремниевой кислоты

Растворимые в воде силикаты натрия и калия («растворимое стекло») применяются как огнеупорное средство для пропитки древесины и тканей, они входят в состав огнеупорных замазок. Для изготовления несгораемых и электроизоляционных текстильных изделий используются также природные силикаты —

асбесты.

Природные силикаты, как вы уже знаете, используются для получения керамики.

Способ производства фарфора — просвечивающегося в тонком слое керамического материала — был разработан в Китае в 206 веке до н. э. и держался в строжайшей тайне. Однако в XIII веке венецианский путешественник Марко Поло увёз в Италию не только образцы изделий из фарфора, но и рецепт его изготовления. Возможно, рецепт был утерян, потому что производство фарфора в Европе возникло лишь в начале XVIII века.

В Беларуси керамические изделия строительного назначения производят на Минском и Брестском комбинатах строительных материалов, Столинском заводе облицовочно-фасадной керамики «Горынь», Минском производственном объединении «Керамин», Витебском производственном объединении «Керамика»,

238

Неметаллы

заводах силикатных изделий и кирпичных заводах. Бытовые керамические изделия выпускают на Молодечненском заводе художественной керамики, Добрушском фарфоровом заводе.

Слабая угольная кислота H2CO3 существует только в растворах. Соли угольной кислоты, кроме карбонатов некоторых щелочных металлов, при нагревании разлагаются c выделением угле-

кислого газа.

Слабую кремниевую кислоту можно получить, действуя более сильными кислотами на растворы её солей.

Вопросы и задания

1.Запишите уровнение диссоциации угольной кислоты в водном растворе. Какие ионы при этом образуются?

2.Какие два ряда солей угольной кислоты вы знаете? Что происходит с карбонатами и гидрокарбонатами при действии на них сильных кислот? Запишите соответствующие уравнения реакций.

3.При обработке известняка массой 300 кг избытком соляной кислоты выделился углекислый газ объёмом (н. у.) 56 дм3. Вычислите массовую долю карбоната кальция в природном известняке.

4.Гидрокарбонат аммония используется при выпечке кондитерских изделий как разрыхлитель теста. Напишите уравнение термического разложения этой соли.

5.В чём заключаются сходство и отличия угольной и кремниевой кислот? Какая из этих кислот сильнее? Как это можно доказать?

6.Рассчитайте массу и химическое количество кремниевой кислоты, которая получится при действии соляной кислоты на раствор силиката натрия массой 200 г с массовой доли соли, равной 25 %. Определите, какое химическое количество оксида кремния(IV) можно получить из этой кислоты.

7.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Si → SiO2 → Na2SiO3 → H2SiO3 → SiO2.

Практическая работа № 3

Решение экспериментальных задач по теме «Неметаллы»

Вариант I

Задача 1. Определите с помощью качественных реакций выданные вам в пронумерованных пробирках вещества: сульфат натрия, карбонат натрия.

Составьте уравнения соответствующих химических реакций в молекулярном и ионном виде.

Угольная и кремниевая кислоты. Карбонаты и силикаты

239

Задача 2. Проведите реакции, позволяющие доказать качественный состав соляной кислоты. Укажите значение рН в растворе (больше или меньше 7). Составьте уравнение реакции определения хлорид-иона в растворе.

Задача 3 (расчётно-экспериментальная). Нейтрализуйте выданный вам раствор гидроксида натрия раствором азотной кислоты (в присутствии индикатора). Составьте уравнение химической реакции в молекулярном и ионном виде. Рассчитайте, хватит ли раствора массой 60 г с массовой долей азотной кислоты, равной 10 %, на нейтрализацию раствора гидроксида натрия массой 70 г, массовая доля NaOH в котором равна 5 %.

Вариант II

Задача 1. Определите с помощью качественных реакций выданные вам в пронумерованных пробирках вещества: сульфат аммония, хлорид натрия.

Составьте уравнения соответствующих химических реакций в молекулярном и ионном виде.

Задача 2. Проведите реакции, позволяющие доказать качественный состав фосфата натрия. Составьте уравнения реакции определения фосфат-иона в растворе.

Задача 3 (расчётно-экспериментальная). Проведите реакцию осаждения карбонат-ионов из раствора карбоната натрия.

Составьте уравнения химической реакции в молекулярном и ионном виде. Рассчитайте, хватит ли раствора хлорида кальция массой 90 г с массовой

долей соли, равной 10 %, для осаждения карбонат-ионов из раствора массой 60 г с массовой долей карбоната натрия, равной 0,2 %.

Глава VIII

МЕТАЛЛЫ

§49. Металлы как химические элементы

ипростые вещества

Атомы различных металлов имеют много общего в строении, а простые и сложные вещества, которые они образуют, имеют схожие свойства (физические и химические).

В конце 2009 года учёным были известны 117 химических элементов, причём элемент с номером 118 был уже синтезирован, а элемент с номером 117 — нет. В феврале 2010 года в Объединённом институте ядерных исследований (г. Дубна, Россия) международная группа учёных завершила эксперимент по синтезу 117-го химического элемента. В результате облучения мишени, содержащей атомы берклия-249, пучком разогнанных до высокой скорости ядер атомов кальция-48 был зафиксирован факт рождения ядер 117-го элемента с массовым числом 293. Однако для официального признания открытия нового химического элемента по правилам ИЮПАК требуется повторное получение такого же результата в другой или той же лаборатории. В июне 2012 года синтез 117-го элемента с массовым числом 293 был воспроизведён учёными Объединённого института ядерных исследований. Это фактически означает официальное открытие нового химического элемента с атомным номером 117.

Положение в периодической системе и строение атомов металлов

В периодической системе металлы располагаются левее и ниже условной ломанной линии, проходящей от бора к астату (см. форзац 1). К металлам относятся почти все s-элементы (за исключением H, He), примерно половина p-элементов, все d-элементы и f-элементы (лантаниды и актиниды).