Углерод и кремний — соседи по IVA-группе и последние неметаллы в курсе 9 класса. Углерод — это грифель карандаша и пузырьки газировки, кремний — песок под ногами и процессор в твоём телефоне. Составители ОГЭ любят эту тему: здесь и аллотропия, и качественные реакции, и удобные расчётные задачи.
Аллотропия — способность одного химического элемента образовывать несколько разных простых веществ. Углерод — самый яркий пример в школьной химии.
В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями в жёсткий трёхмерный каркас. Отсюда свойства: самое твёрдое природное вещество, прозрачен, ток не проводит.
В графите атомы соединены в плоские слои-«соты», а слои между собой связаны слабо и легко скользят. Поэтому графит мягкий и оставляет след на бумаге — им ты пишешь карандашом. И, в отличие от алмаза, графит проводит электрический ток.
Состав один — чистый углерод, а свойства противоположные. Разное только строение кристаллической решётки. Тесты обожают этот вопрос: свойства вещества зависят не только от состава, но и от строения.
| Свойство | CO (угарный газ) | CO₂ (углекислый газ) |
|---|---|---|
| Цвет и запах | нет и нет | нет и нет |
| Действие на организм | ядовит | не ядовит (опасен в больших концентрациях — вытесняет кислород) |
| Тип оксида | несолеобразующий | кислотный |
| Горение | горит синим пламенем | не горит и гасит пламя |
| Когда образуется | неполное сгорание | полное сгорание, дыхание |
Угарный газ CO образуется при неполном сгорании топлива — когда кислорода не хватает. Он ядовит: связывается с гемоглобином крови прочнее кислорода и блокирует его перенос, а выдать себя цветом или запахом не может. Как оксид CO несолеобразующий — не реагирует ни с водой, ни со щелочами. Зато это отличный восстановитель: в доменной печи именно CO отбирает кислород у руды: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
Углекислый газ CO₂ — продукт полного сгорания и нашего дыхания. Он не горит, гасит пламя и тяжелее воздуха — на этом работают углекислотные огнетушители. Это типичный кислотный оксид: обратимо реагирует с водой, образуя угольную кислоту, реагирует со щелочами и основными оксидами. Твёрдый CO₂ — «сухой лёд» из тележек с мороженым.
В лаборатории CO₂ получают действием кислоты на мрамор: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. А распознают его известковой водой — это ключевая качественная реакция темы:
Угольная кислота H₂CO₃ — слабая и настолько неустойчивая, что существует только в растворе. Открой бутылку газировки: шипение — это она распадается на CO₂ и воду.
Зато её соли устойчивы и окружают нас всюду: мел, мрамор и известняк — это CaCO₃, пищевая сода — NaHCO₃. Качественная реакция на карбонат-ион — действие сильной кислоты: смесь «вскипает» от бурного выделения газа: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Чтобы доказать, что газ именно CO₂, его пропускают через известковую воду — она мутнеет от выпавшего CaCO₃.
Хитрость, которую любят на ОГЭ: если пропускать CO₂ дальше, муть исчезает — нерастворимый карбонат переходит в растворимый гидрокарбонат: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂. Обратный переход ты видел в чайнике: при кипячении гидрокарбонат кальция из водопроводной воды распадается, и на стенках оседает накипь: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑.
При сильном нагревании карбонаты разлагаются: CaCO₃ → CaO + CO₂↑ — так обжигом известняка получают негашёную известь.
Кремний Si — второй по распространённости элемент земной коры после кислорода. Это тёмно-серые кристаллы, полупроводник: проводит ток лучше диэлектриков, но хуже металлов. Из сверхчистого кремния делают процессоры и солнечные батареи.
Оксид кремния SiO₂ (кремнезём) — обычный песок, кварц, горный хрусталь. Формально оксид кислотный, но с водой он не реагирует вовсе — иначе пляжи растворялись бы в море. Реакции идут только в жёстких условиях, при сплавлении: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; SiO₂ + CaCO₃ → CaSiO₃ + CO₂↑ — нелетучий оксид вытесняет летучий из соли.
Кремниевая кислота H₂SiO₃ слабее угольной и нерастворима в воде. Получают её только из растворов силикатов: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓ — выпадает характерный студенистый осадок, ещё одна качественная реакция. Даже слабый углекислый газ вытесняет её из силикатов: Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓.
Силикаты повсюду: жидкое стекло (силикатный клей) — концентрированный раствор Na₂SiO₃, обычное стекло варят из песка, соды и известняка, цемент и керамика — тоже силикатные материалы.
Дано: при обжиге разложили 50 г карбоната кальция. Найти объём CO₂ (н. у.).