Углерод, кремний и их соединения — тренажёр для 9 класса

Определение

Углерод и кремний — элементы IVA-группы Периодической системы, образующие простые вещества с атомной кристаллической решёткой и два ряда кислородных соединений: оксиды (CO, CO₂, SiO₂) и слабые кислоты (H₂CO₃, H₂SiO₃) с их солями — карбонатами и силикатами.

Атом углерода содержит на внешнем уровне 4 электрона (2s²2p²), атом кремния — тоже 4 (3s²3p²). Одинаковое строение внешнего слоя даёт сходную высшую валентность IV и однотипные формулы высших оксидов ЭО₂. Различие радиусов атомов объясняет расхождение свойств: углерод образует прочные связи С—С и цепи, кремний — прочные связи Si—O и каркасы.

Тема замыкает изучение неметаллов в 9 классе и связывает химию с материаловедением: на карбонатах и силикатах построены известь, стекло, цемент и керамика — материалы, из которых сложена строительная промышленность.

Ключевые правила

Свойства соединений углерода и кремния определяются типом кристаллической решётки простого вещества и силой соответствующей кислоты.

1. Аллотропия углерода объясняется разным способом соединения атомов. Алмаз — тетраэдрический каркас (sp³), графит — слои шестиугольников (sp²), фуллерен C₆₀ — замкнутая сфера из 60 атомов.
2. Углерод в реакциях выступает и окислителем, и восстановителем: с металлами — окислитель (Ca + 2C → CaC₂), с оксидами металлов — восстановитель (C + 2CuO → 2Cu + CO₂↑).
3. Оксид углерода(II) CO — несолеобразующий оксид: с водой, щелочами и кислотами не реагирует, но при нагревании восстанавливает металлы из оксидов.
4. Оксид углерода(IV) CO₂ — кислотный оксид: реагирует с водой, щелочами и основными оксидами. CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.
5. Угольная кислота H₂CO₃ существует только в растворе и разлагается: H₂CO₃ ⇄ CO₂↑ + H₂O. Её соли — карбонаты (Na₂CO₃) и гидрокарбонаты (NaHCO₃).
6. Оксид кремния(IV) SiO₂ — кислотный оксид, но с водой не реагирует; растворяется только в щелочах при сплавлении и в плавиковой кислоте.
7. Кремниевая кислота H₂SiO₃ слабее угольной, нерастворима, получается косвенно: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓.

Разбор примеров

Пример 1. Неполное сгорание угля: 2C + O₂ → 2CO. При избытке кислорода образуется CO₂, при недостатке — CO. В печи с плохой тягой возникает угарный газ, который связывает гемоглобин крови прочнее кислорода. Вывод: состав продукта горения зависит от соотношения реагентов.

Пример 2. Восстановление меди: CO + CuO →(t) Cu + CO₂. Углерод в CO имеет степень окисления +2 и повышает её до +4, отдавая 2 электрона; медь понижает степень окисления с +2 до 0. Вывод: CO — сильный восстановитель, поэтому применяется в доменном процессе.

Пример 3. Распознавание карбоната: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. Выделяющийся газ пропускают через известковую воду: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O — раствор мутнеет. При избытке CO₂ осадок растворяется: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂. Вывод: помутнение с последующим просветлением — качественная реакция на CO₂.

Пример 4. Вытеснение кремниевой кислоты: Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓. Более сильная угольная кислота вытесняет более слабую кремниевую из её соли, выпадает студенистый осадок. Вывод: ряд силы кислот H₂CO₃ > H₂SiO₃ определяет направление обмена.

Пример 5. Варка стекла: Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ →(t) Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂↑. Сода, известняк и песок сплавляются при 1400 °C; углекислый газ уходит, остаётся сплав силикатов. Вывод: оконное стекло — не индивидуальное вещество, а смесь силикатов переменного состава.

Таблица

Типичные ошибки

Смешение CO и CO₂ по химическому характеру. Ошибка возникает из-за одинакового элемента в составе. Неправильно: CO + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. Правильно: с NaOH реагирует только CO₂: CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.

Запись реакции SiO₂ с водой. Ученик переносит свойство CO₂ на SiO₂ по аналогии. Неправильно: SiO₂ + H₂O → H₂SiO₃. Правильно: H₂SiO₃ получают из силикатов: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓.

Утверждение «аллотропы — разные элементы». Причина — путаница понятий «элемент» и «простое вещество». Алмаз, графит и фуллерен состоят из одного элемента C, но различаются строением решётки.

Пропуск условия «сплавление» в реакциях SiO₂ со щёлочью. Без указания t уравнение считается неверным. Правильно: SiO₂ + 2NaOH →(сплавление) Na₂SiO₃ + H₂O.

Отнесение стекла и цемента к чистым веществам. Оба материала — смеси силикатов и алюмосиликатов, поэтому не имеют постоянной температуры плавления.

Пошаговый алгоритм

1. Определите степень окисления углерода или кремния в исходном веществе (C⁰, C⁺², C⁺⁴, Si⁰, Si⁺⁴).
2. Отнесите вещество к классу: простое вещество, несолеобразующий оксид, кислотный оксид, кислота, соль.
3. Выберите тип реакции: окислительно-восстановительная (если степень окисления меняется) или обмена.
4. Для обмена проверьте условие протекания: осадок, газ или слабый электролит.
5. Для окислительно-восстановительной реакции составьте электронный баланс и расставьте коэффициенты.
6. Укажите условия: нагревание, сплавление, избыток или недостаток реагента.
7. Проверьте результат: число атомов каждого элемента слева и справа совпадает, суммы зарядов равны, формулы продуктов соответствуют валентностям.

Как запомнить

• «Алмаз — куб, графит — слой, фуллерен — мяч» — три образа для трёх решёток.
• «Угарный газ угорает — щёлочь не замечает»: CO несолеобразующий.
• «Мутнеет — CO₂, просветлело — гидрокарбонат»: две стадии качественной реакции.
• «Уголь сильнее кремния»: H₂CO₃ вытесняет H₂SiO₃ из силикатов.
• Формула стекла: сода + известняк + песок (Na₂CO₃ + CaCO₃ + SiO₂).
• Цемент = известняк + глина, бетон = цемент + песок + щебень + вода.