Презентация по химии "Углерод, кремний, общая характеристика, физические и химические свойства их соединений"

Характеристика углерода и кремния. Аллотропия углерода. Химические свойства углерода.

Что объединяет все эти вещества?

Углерод и кремний являются химическими элементами IVA-группы периодической системы. К этой же группе периодической системы относят германий Ge, олово Sn и свинец Pb. Углерод и кремний – элементы неметаллы, германий и олово – полуметаллы, а у свинца преобладают металлические свойства.

Углерод обозначается символом C (лат. Carbonium).Кремний обозначается символом Si (лат. Silicium, от лат. silex — кремень).

Электронно-графическая конфигурация внешнего электронного слоя атомов элементов IVA-группы – ns2np2, например: у углерода – 2s22p2, у кремния – 3s23p2.

Степени окисления атомов углерода и кремния: -4; -2; 0; +2; +4

В земной коре содержится 0,093% углерода по массе, причем он встречается как в свободном состоянии, так и в виде химических соединений с другими элементами. Углерод является основой органической жизни на Земле

Уголь, торф, нефть и природный газ - продукты разложения растительного мира Земли древнейших времен. Самое мягкое ископаемое – торф – содержит остатки растений, в нем имеется не более 50-60% углерода. Бурый уголь содержит 65-70% углерода. Каменный уголь содержит 75-95% углерода. Самый твердый уголь – антрацит – может содержать 91-98% углерода.

Торф

Антрацит

Бурый уголь

Каменный уголь

При нагревании углеродосодержащих соединений без доступа воздуха образуется аморфный углерод: кокс, древесный уголь, костяной уголь, сажа. Кокс получают при сухой перегонке каменного угля, широко используется как восстановитель в процессах промышленного получения металлов из руд.

Древесный уголь

Кокс

В виде углекислого газа углерод входит в состав атмосферы (0,03% по объему).

Природные неорганические соединения углерода – карбонаты. Минерал кальцит CaCO3 является основой осадочных горных пород – известняков. Другие модификации карбоната кальция известны как мрамор и мел.

Меловые
скалы
в Англии

Распространения кремния в природе

Кремний – второй по распространенности на Земле элемент после кислорода. Он широко распространен в виде кремнезема SiO2 и различных силикатов.
Например, гранит содержит более 60% кремнезема, а кристаллический кварц является самым чистым из природных соединений кремния с кислородом.

Гранит

Листья крапивы покрыты колючими волосками из чистого оксида кремния(IV), которые представляют собой полые трубочки длинной 1-2 мм. Трубочки заполнены жидкостью, содержащей муравьиную кислоту. При легком прикосновении листьев крапивы к телу волоски проникают сквозь кожу и кислота попадает внутрь, вызывая жжение.

Строение и физические свойства простых веществуглерода и кремния

Алмаз и графит
- это углерод

Известны следующие аллотропные модификации углерода: графит, алмаз, карбин и фуллерены.

a) алмаз
b) графит
c) лонсдейлит
d) фуллерен — бакибол C60
e) фуллерен C540
f) фуллерен C70
g) аморфный углерод
h) углеродная нанотрубка

В алмазе каждый атом углерода окружен такими же атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Такое строение обуславливает особые физические свойства алмаза и прежде всего его твердость. Алмаз служит эталоном твердости, которая по десятибалльной системе оценивается высшим балом 10. Алмаз плохо проводит теплоту и почти не проводит электрический ток. Ограненные прозрачные алмазы называются бриллиантами.

Алмазная шахта Диавик, Канада

В графите атомы углерода расположены слоями, состоящими из шестичленных колец. Слоистая структура графита обуславливает его мягкость: он легко оставляет след на бумаге. Из мельчайших кристаллов графита состоит сажа, образующаяся при неполном сгорании органических соединений.

Графит

Карбин – это разновидность углерода, состоящая из цепочек углеродных атомов =С=С=С=С= или -C≡C-C≡C- . Это вещество обладает полупроводниковыми свойствами.

Фуллерены представляют собой шарообразные молекулы, образованные пяти- и шестиугольниками из атомов углерода, соединенных между собой. Внутри молекулы полые. В настоящее время получены фуллерены состава С60, С70 и др.

Химические свойства простых веществ

Для углерода и кремния характерна невысокая химическая активность: большинство реакций с их участием протекают только при высокой температуре. Химические свойства различных аллотропных модификаций углерода сходны, отличаются лишь условия протекания реакций, потому что энергия разрыва связей между атомами в алмазе, графите и других модификациях углерода различны.
В химических реакциях с простыми веществами углерод и кремний проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.
В реакциях со сложными веществами, например с оксидами металлов, углерод и кремний чаще всего проявляют восстановительные свойства.

С0

-4 (-2)

С + О2 (S) → C+4 (C+2)

восстановитель

окислитель

С + Me (H2) → C-4

Углерод – окислитель:

С водородом (t, p, kt):
С + Н2 = метан

С металлами (t):
С + Al =
C + Ca =

3. С кремнием (t):
С + Si = карборунд

карбиды

Углерод – восстановитель:

С кислородом (изб. или недост.):
С + О2 (изб.) = СО2
2С + О2 (недост.) = 2СО
С серой (t):
С + 2S = CS2 - сероуглерод
3. С галогенами (с фтором при обычных условиях, с хлором при t):
С + 2F2 = CF4
С + 2Cl2 = CCl4

Углерод – восстановитель:

4. С оксидами металлов:
С + Ме (акт.) = СО + карбид металла
С + Ме (после Al) = СО + Ме
Примеры: CaO, Al2O3, CuO, Ag2O, Fe2O3
5. С оксидами неметаллов:
С + СО2 = 2CО↑
С + SiО2 = SiC + CO↑ либо Si + CO↑
С + Н2О= Н2 ↑ + CO↑

Углерод – восстановитель:

6. С кислотами-окислителями (конц. азотной, серной):

С + H2SO4 = СО2↑ + SO2 ↑ + H2O

С + HNO3 (конц.)= СО2↑+NO↑+H2O

Расставьте коэффициенты методом электронного баланса

Адсорбция: явление поглощения поверхностью твердого вещества газообразных или жидких веществ.
Десорбция: явление выделения поверхностью твердого вещества поглощенных газообразных или жидких веществ.
Активированный уголь – это древесный пористый уголь с увеличенной поверхностью для лучшей адсорбции

Применение углерода

Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах.

Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Алмазным напылением обладают шлифовальные насадки бормашин. Кроме этого, ограненные алмазы — бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, бриллиант неизменно является самым дорогим драгоценным камнем.

В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода — производные угольной кислоты и карбоновых кислот.
Карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов.

Стоматологические
сверла

Углеродные материалы технического и медицинского назначения в широком ассортименте производятся на заводах. Здесь выпускают углеродный медицинский сорбент, который непосредственно используется для лечения ран, язв, ожогов, а также в различных фильтрах для воды. Широкое применение находят также выпускаемые углеродные нити и ткани.

Соединения углерода, химические свойства соединений углерода

Молекула прочная, оксид несолеобразующий. Химическая связь – ковалентная слабополярная, газ без цвета и запаха, сильный яд. Проявляет восстановительные свойства.

Оксид углерода (II), монооксид углерода или угарный газ

Получение

Неполное сгорание углерода (нехватка кислорода):
2С + О2 = 2СО↑
Взаимодействие углекислого газа с раскаленным углем:
С + СО2 = 2СО↑

Химические свойства

Угарный газ – восстановитель.
1. Горение:
2СО + О2 = 2СО2
2. С хлором на свету и в присутствии kt:
2СО + Cl2 = 2СОCl2 – сильное отравляющее вещество фосген
3. Восстанавливает металлы из их оксидов (после Al):
СО + FeO = Fe + CO2
4. С парами воды: СО + Н2О = СО2 +

Н2

Оксид углерода (IV), диоксид углерода или углекислый газ

Солеобразующий, кислотный оксид (соответствует угольной кислоте Н2СО3, соли – карбонаты (СО32- )
Связь неполярная
Проявляет окислительные свойства
Способен к сублимации
Тяжелее воздуха, плохо растворим в воде

Получение углекислого газа в лаборатории и распознавание его

Качественный признак – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа

Уравнения проведенных реакций

Получение в лаборатории:
Мел (мрамор, известняк) + соляная кислота =
2. Распознавание (качественная реакция)
Углекислый газ + известковая вода (гидроксид кальция) = образование осадка (помутнение раствора)
3. Получение углекислого газа в промышленности (термическое разложение известняка):
t
CaCO3 = CaO + CO2 ↑

Химические свойства углекислого газа

Как кислотный оксид взаимодействует с:
А) С водой: СО2 + Н2О ↔ Н2СО3
Б) С щелочами: СО2 + NaОH = NaHСО3
гидрокарбонаты
СО2 + 2NaОH = Na2СО3 + Н2О
карбонаты
В) С основными оксидами:
СО2 + MgO = MgCO3

Химические свойства углекислого газа

2. Окислительные свойства СО2 :
А) Особое свойство – горение магния в среде углекислого газа:
СО2 + 2Mg = 2MgO + C

Б) Пропускание углекислого газа через раскаленный уголь:
СО2 + С = 2СО

Проверка домашнего задания

1. С + H2SO4 = СО2↑ + SO2 ↑ + H2O

2. С + HNO3 (конц.)= СО2↑+NO↑+H2O

Расставьте коэффициенты методом электронного баланса

Угольная кислота и ее соли

Химические свойства угольной кислоты

Диссоциирует в две ступени: Н2СО3 .......
Взаимодействует с:
Основными оксидами:
Н2СО3 + MgO = MgСО3 + H2O
2. С щелочами с образованием двух типов солей: карбонатов и гидрокарбонатов
Н2СО3 + NaOH = NaHСО3+ H2O
Н2СО3 + 2NaOH = Na2СО3 + 2H2O

3. Взаимодействует с солями более слабых кислот:
Н2СО3 + Na2SiO3 = Н2SiО3 ↓ + Na2СО3

Соли угольной кислоты
Карбонаты (средние соли) и гидрокарбонаты (кислые соли). Составьте несколько формул.
Химические свойства
Все свойства, характерные для обычных солей:

А) диссоциируют на ионы в одну ступень (только растворимые);
Б) взаимодействуют с другими солями, щелочами и килотами, если в результате реакции ↑ или ↓;
В) взаимодействуют с менее активными металлами.
Приведите уравнения реакций, подтверждающие данные свойства

Особые свойства солей угольной кислоты

Все карбонаты (кроме Na2СО3, K2СО3) при нагревании разлагаются на углекислый газ и оксид металла:
MgCO3 →
Li2CO3 →
Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O
NH4HCO3 → NH3 + CO2 + H2O
(NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O

Особые свойства солей угольной кислоты

2. Сильные кислоты вытесняют из солей угольной кислоты углекислый газ – качественная реакция на СО2:
MgCO3 + HCL→
LiHCO3 + H2SO4 →
3. Взаимные превращения карбонат и гидрокарбонат-ионов:
CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2 (условие- присутствие воды и избыток углекислого газа)
Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O (условие- нагревание, кипение)

Жесткость воды: самостоятельное изучение, подготовить сообщение

Практическая работа №6 «Получение углекислого газа. Распознавание карбонатов»

Цель: научиться получать углекислый газ лабораторным способом, а также распознавать карбонаты по качественному признаку среди других веществ.

Сделайте вывод о проделанной работе исходя из поставленной цели