IV группа главная подгруппа периодической таблицы Менделеева (углерод, кремний)

Углерод в природе распространен и в виде простых веществ (алмаз, графит), и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Чаще всего в природе кремний встречается в виде соединений на основе SiO₂ (речной и кварцевый песок, кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты), силикатов и алюмосиликатов.

Углерод

Химические свойства углерода

Качественные реакции

Обнаружить карбонат-ионы CO₃^2-— можно при помощи взаимодействия солей-карбонатов с сильными кислотами. При этом выделяется углекислый газ — газ без цвета и запаха, не поддерживающий горение:

CaCO₃+ 2HCl → CaCl₂+ H₂O + CO₂↑

Качественная реакция на углекислый газ CO₂– помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

CO₂+ Ca(OH)₂→ CaCO₃↓ + H₂O

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок CaCO₃растворяется:

CaCO₃+ CO₂+ H₂O → Ca(HCO₃)₂

Углекислый газ СО₂не поддерживает горение.
Угарный газ CO горит голубым пламенем.

Взаимодействие углерода с простыми веществами

С кислородом

Горит в недостатке кислорода с образованием угарного газа:

2C + O₂ = 2CO

в избытке кислорода – с образованием углекислого газа:

C + O₂ = CO₂

С галогенами (F, Cl, Br, I)

Углерод реагирует со фтором при нагревании до 900ºС с образованием фторида углерода (IV):

C + 2F₂ → CF₄

Раскаленный углерод реагирует с другими галогенами:

C + 2Cl₂→ CCl₄

С водородом

При нагревании в присутствии катализатора (Ni) углерод взаимодействует с водородом с образованием метана:

С + 2Н₂ → СН₄

С серой

При сильном нагревании углерод взаимодействует с серой с образованием сероуглерода:

C + 2S → CS₂

С азотом

С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С + N₂→ N≡C–C≡N

С углеродом

При нагревании около 2000^оС кремний вступает в реакцию с углеродом с образованием карбида кремния (карборунда):

C + Si → SiC

С фосфором

Не взаимодействует

С металлами

В реакциях с активными металлами углерод выступает в качестве окислителя, образуя карбиды:

4C + 3Al → Al₄C₃

2C + Ca → CaC₂

Взаимодействие со сложными веществами

С водой

При пропускании водяных паров через раскаленный уголь образуется оксид углерода (II) и водород:

C + H₂O = CO + H₂

С кислотами

Углерод как восстановитель взаимодействует с кислотами-окислителями:

С концентрированной азотной кислотой

3C + 4HNO₃ = 3CO₂+ 4NO + 2H₂O

C концентрированной серной кислотой:

С+2H₂SO₄=CO₂ +2SO₂ +2Н₂О

С солями

В расплавах KNO₃ и NaNO₃ измельченный уголь интенсивно сгорает:

5С + 4KNO₃ = 2К₂СO₃ + ЗСO₂↑+ 2N₂↑

С оксидами

Углерод взаимодействует с многими основными и амфотерными оксидами, с образованием металла и угарного газа:

C + 2ZnO → 2Zn + CO

4С + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CO

Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.

При взаимодействии углерода с оксидами активных металлов образуются карбиды:

3С + СаО → СаС₂+ СО

9С + 2Al₂O₃ → Al₄C₃ + 6CO

Кремний

Способы получения кремния

В промышленности основным сырьем для получения кремния служит кремнезем (диоксид кремния):

Восстановление SiO₂углеродом в электропечах при температуре 1800ºС:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

Таким способом получают технический кремний.

Особо чистый кремний из технического продукта получают следующим образом:

Si + Cl₂ = SiCl₄

SiCl₄ + 2H₂ = Si + 4HCl

или:

Si + 2Mg = Mg₂Si

Mg₂Si + 4HCl = SiH₄ + 2MgCl₂

SiH₄ → Si + 2H₂

В лаборатории кремний можно получить:

при прокаливании смеси металлического магния с мелко измельченным кремнеземом:

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

восстановление кремния из его оксида алюминием:

3SiO₂ + 4Al → 3Si + 2Al₂O₃

Химические свойства кремния

Качественные реакции

Качественная реакция на силикат-ионы SiO₃^2-— взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами.

При этом выделяется белый гелеобразный осадок:

Na₂SiO₃+ 2HCl = H₂SiO₃+ 2NaCl

Взаимодействие кремния с простыми веществами

С кислородом

Взаимодействует с кислородом при температуре более 400°С с образованием диоксида кремния:

Si + O₂ → SiO₂

С галогенами (F, Cl, Br, I)

При обычных условиях кремний реагирует только со фтором с образованием фторида кремния (IV):

Si + 2F₂ → SiF₄

С остальными галогенами реакция идет при нагревании до 300-500ºС:

Si + 2Cl₂ → SiCl₄

Si + 2Br₂→ SiBr₄

С водородом

Не взаимодействует

С серой

При температуре выше 600°С кремний взаимодействует с серой с образованием сульфида кремния:

Si + 2S → SiS₂

С азотом

С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:

3Si + 2N₂→ Si₃N₄

С углеродом

C + Si → SiC

С фосфором

Не взаимодействует

С металлами

В реакциях с активными металлами кремний выступает в качестве окислителя, образуя силициды:

2Ca + Si → Ca₂Si

Si + 2Mg → Mg₂Si

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой

Непосредственно с водой не взаимодействует, однако аморфный кремний реагирует с перегретым водяным паром при температуре 400-500°С:

Si + 2H₂O = SiO₂ + 2H₂

С кислотами

Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот.
Аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:

Si + 6HF → H₂[SiF₆] + 2H₂

При обработке кремния безводным HF комплекс не образуется:

Si₍_тв_.) + 4HF₍_г_.) = SiF₄ + 2H₂

Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот (травление кремния кислотами):

3Si + 4HNO₃+ 12HF → 3SiF₄ + 4NO + 8H₂O

С водными растворами щелочей

В водных растворах щелочей при нагревании выше 60ºС кремний растворяется с образованием солей силикатов (травление щелочами):

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂

С оксидами

При восстановлении SiO₂ кремнием при температурах свыше 1200 ºC образуется оксид кремния (II) — SiO.

Si+SiO₂ = 2SiO

Si + SiO₂ = SiO