Шпаргалка по подгруппе углерода и кремния (IVА группа). Основные химические свойства C, Si, Ge, Sn, Pb, уравнения реакций, оксиды, кислоты и качественные реакции.
1. Общая характеристика элементов
Общая формула внешнего электронного слоя: \( ns^2 np^2 \).
- Степени окисления: \(-4, 0, +2, +4\).
- Для C и Si наиболее устойчива степень окисления \(+4\). Для Pb наиболее устойчива \(+2\) (проявление эффекта инертной электронной пары).
- Радиус атомов: увеличивается от C к Pb.
- Электроотрицательность и неметаллические свойства: ослабевают от C к Pb.
2. Химические свойства углерода (\(\text{C}\))
Восстановительные свойства
Взаимодействие с кислородом:
\[ \text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{t} \text{CO}_2 \quad (\text{избыток O}_2) \]
\[ 2\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{t} 2\text{CO} \quad (\text{недостаток O}_2) \]
Взаимодействие с оксидами металлов и неметаллов:
\[ \text{CuO} + \text{C} \xrightarrow{t} \text{Cu} + \text{CO} \uparrow \]
\[ \text{SiO}_2 + 2\text{C} \xrightarrow{t} \text{Si} + 2\text{CO} \uparrow \]
Реакция с водой (конверсия водяного пара):
\[ \text{C} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{t} \text{CO} \uparrow + \text{H}_2 \uparrow \]
Взаимодействие с кислотами-окислителями:
\[ \text{C} + 4\text{HNO}_3 \text{ (конц.)} \xrightarrow{t} \text{CO}_2 \uparrow + 4\text{NO}_2 \uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{C} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ (конц.)} \xrightarrow{t} \text{CO}_2 \uparrow + 2\text{SO}_2 \uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \]
Окислительные свойства
Взаимодействие с водородом и металлами:
\[ \text{C} + 2\text{H}_2 \xrightarrow{t, \text{Ni}} \text{CH}_4 \]
\[ 4\text{Al} + 3\text{C} \xrightarrow{t} \text{Al}_4\text{C}_3 \quad (\text{карбид алюминия}) \]
\[ Ca + 2\text{C} \xrightarrow{t} \text{CaC}_2 \quad (\text{карбид кальция}) \]
3. Оксиды углерода
Оксид углерода(II) — \(\text{CO}\) (угарный газ)
Несолеобразующий оксид, сильный восстановитель.
\[ \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2 \]
Оксид углерода(IV) — \(\text{CO}_2\) (углекислый газ)
Кислотный оксид.
Качественная реакция на \(\text{CO}_2\) (помутнение известковой воды и ее растворение при избытке \(\text{CO}_2\)):
\[ \text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 \downarrow + \text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(HCO}_3)_2 \]
Угольная кислота (\(\text{H}_2\text{CO}_3\)) и ее соли
Двухосновная, слабая, неустойчивая кислота:
\[ \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \uparrow \]
Качественная реакция на карбонат-ион (\(\text{CO}_3^{2-}\)):
\[ \text{CO}_3^{2-} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{CO}_2 \uparrow + \text{H}_2\text{O} \]
4. Химические свойства кремния (\(\text{Si}\))
Взаимодействие с простыми веществами
\[ \text{Si} + \text{O}_2 \xrightarrow{t} \text{SiO}_2 \]
\[ \text{Si} + 2\text{F}_2 \rightarrow \text{SiF}_4 \]
\[ \text{Si} + 2\text{Mg} \xrightarrow{t} \text{Mg}_2\text{Si} \quad (\text{силицид магния}) \]
Взаимодействие со щелочами и раствором плавиковой кислоты
Кремний растворяется в щелочах с выделением водорода:
\[ \text{Si} + 2\text{NaOH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + 2\text{H}_2 \uparrow \]
Реакция со смесью азотной и плавиковой кислот:
\[ 3\text{Si} + 4\text{HNO}_3 + 18\text{HF} \rightarrow 3\text{H}_2[\text{SiF}_6] + 4\text{NO} \uparrow + 8\text{H}_2\text{O} \]
5. Оксид кремния(IV) и кремниевая кислота
Оксид кремния(IV) — \(\text{SiO}_2\) (кремнезем, кварц)
Атомная кристаллическая решетка. Кислотный оксид, в воде не растворяется.
Специфическая реакция с плавиковой кислотой (травление стекла):
\[ \text{SiO}_2 + 4\text{HF} \rightarrow \text{SiF}_4 \uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{SiO}_2 + 6\text{HF \text{(конц.)}} \rightarrow \text{H}_2[\text{SiF}_6] + 2\text{H}_2\text{O} \]
Спекание со щелочами и карбонатами:
\[ \text{SiO}_2 + 2\text{NaOH} \xrightarrow{t} \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{SiO}_2 + \text{CaCO}_3 \xrightarrow{t} \text{CaSiO}_3 + \text{CO}_2 \uparrow \]
Кремниевая кислота (\(\text{H}_2\text{SiO}_3\))
Очень слабая, нерастворима в воде (выпадает в виде студенистого осадка).
Получение (качественная реакция на силикат-ион \(\text{SiO}_3^{2-}\)):
\[ \text{Na}_2\text{SiO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{H}_2\text{SiO}_3 \downarrow + 2\text{NaCl} \]
Разложение при нагревании:
\[ \text{H}_2\text{SiO}_3 \xrightarrow{t} \text{SiO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
6. Важнейшие водородные соединения
| Параметр | Метан (\(\text{CH}_4\)) | Силан (\(\text{SiH}_4\)) |
|---|---|---|
| Свойства | Газ, малоактивен, горит на воздухе | Газ, самовоспламеняется на воздухе |
| Горение | \( \text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \) | \( \text{SiH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \) |
| Получение гидролизом | \( \text{Al}_4\text{C}_3 + 12\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Al(OH)}_3 \downarrow + 3\text{CH}_4 \uparrow \) | \( \text{Mg}_2\text{Si} + 4\text{HCl} \rightarrow 2\text{MgCl}_2 + \text{SiH}_4 \uparrow \) |
7. Особенности олова (\(\text{Sn}\)) и свинца (\(\text{Pb}\))
- Проявляют амфотерные свойства в степенях окисления \(+2\) и \(+4\).
- Реакции с растворами щелочей:
\[ \text{Sn} + 2\text{KOH} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{K}_2[\text{Sn(OH)}_4] + \text{H}_2 \uparrow \] - Оксиды и гидроксиды \(\text{Sn(OH)}_2\), \(\text{Sn(OH)}_4\), \(\text{Pb(OH)}_2\) легко растворяются как в кислотах, так и в щелочах.