Углерод и кремний

01.03.21 9 химия Щеглова Анастасия Анатольевна тел. 072-177-92-36

Тема:Общая характеристика химических элементов подгруппы углерода

Цель урока:

• повторить строение атома и аллотропию на примере углерода. Рассмотреть строение, сравнение свойств и применение алмаза и графита. Познакомить учащихся с явлением адсорбции и его практическом значении. Усвоить химические свойства углерода.

Подгруппа углерода – IV группа, главная подгруппа «А» - углерод, кремний, германий, олово, свинец.

1. Строение атомов химических элементов углерода и кремния

Как видно из схем строения атомов, на внешнем энергетическом уровне этих элементов находится 4 электрона, поэтому, углерод и кремний проявляют степень окисления +4 и -4.

Из схемы видно, что у тома углерода два неспаренных электрона на внешнем уровне ( аналогично и у кремния). Этим объясняется, что углерод и кремний могут иметь степень окисления +2 (Например, СО – угарный газ). Переходя в возбуждённое состояние, один из s-электронов может перейти на свободную p-орбиталь. Тогда в атомах появляется 4 неспаренных электрона и степень окисления равна +4 и – 4.

2. Изменение свойств в подгруппе

В подгруппе углерода с ростом порядкового номера заряд ядра атомов увеличивается, число электронов на внешнем уровне постоянно, число энергетических уровней в атомах растёт и радиус атома увеличивается от углерода к свинцу, притяжение отрицательных электронов к положительному ядру ослабевает и  способность к отдаче электронов увеличивается, и, следовательно, в подгруппе углерода с ростом порядкового номера неметаллические свойства убывают, а металлические усиливаются.

С и Si – неметаллы, Ge – полупроводник, Sn и Pb – металлы.

УГЛЕРОД. АЛЛОТРПОПИЯ УГЛЕРОДА

Углерод встречается в природе, как в свободном виде, так и в соединениях. В свободном виде встречается в виде аллотропных видоизменений – алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз

Кристаллическое вещество, прозрачное, сильно преломляет лучи света, очень твёрдое, не проводит электрический ток, плохо проводит тепло, ρ = 3,5 г/см³; t°пл. = 3730°C; t°кип. =  4830°C.

Можно получить из графита при p 50 тыс. атм; t° = 1200°C.

Применение: 

Шлифовальный порошок, буры, стеклорезы, после огранки - бриллианты.

Графит

Кристаллическое вещество, слоистое, непрозрачное, тёмно-серое, обладает металлическим блеском, мягкое, проводит электрический ток; ρ = 2,5 г/см³.

Применение:

Электроды, карандашные грифели, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, входит в состав некоторых смазочных материалов. 

Карбин 

Чёрный порошок; ρ = 2 г/см³; полупроводник.

Состоит из линейных цепочек  –C≡C–C≡C–  и  =С=С=С=С=.

При нагревании переходит в графит.

 В конце 80-х годов XX века было обнаружено ещё одно аллотропное видоизменение – фуллерит. Он, в отличие от алмаза и графита, имеет не атомную, а молекулярную кристаллическую решётку.

Атомы углерода могут образовывать также полые трубки – так называемые нанотрубки. В настоящее время фуллерены и нанотрубки рассматриваются в качестве основы для технологий будущего.

Соединения углерода весьма распространены: все живые организмы, каменный уголь, торф, нефть и др. содержат углерод. Углерод входит в состав многих неорганических веществ (известняк, мел, мрамор и др).

Химические свойства углерода.

Учитель: Рассмотрим химические свойства углерода:  В нормальных условиях углерод химически малоактивен, однако при высокой температуре он реагирует со многими веществами. Самой активной формой является аморфный углерод, менее активен графит, самый инертный – алмаз.

При нагревании углерод соединяются с кислородом, образуя оксид углерода (IV), или углекислый газ:

С + O₂ = CO₂

При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II), или угарный газ:

2С + О₂ = 2СО

С водородом углерод соединяется только при высоких температурах и в присутствии катализаторов. В зависимости от температуры образуются различные углеводороды, например, метан:

С + 2H₂ = CH₄

Углерод взаимодействует при нагревании с серой и фтором, в электрической дуге с азотом:

С + 2S = CS₂

С + 2F₂ = CF₄

2С + N₂ = (CN)₂

Углерод – сильный восстановитель. При нагревании с водяным паром он вытесняет из воды водород:

Н₂O + С = СО + Н₂

При нагревании углерода с оксидом углерода (IV) образуется угарный газ:

С + СО₂ = 2СО

Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:

2Fe₂O₃ + 3С = 4Fe + 3CO₂

С металлами или их оксидами углерод образует карбиды:

CaO + 2C = CaC₂ + СО