Химия · 9 класс4 четвертьТема 9Лабораторная работаГОСО РК 2026Базовый

Углерод и кремний: аллотропия, оксиды углерода, силикатная промышленность

Углерод и кремний: аллотропия, оксиды углерода, силикатная промышленность

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ4 четвертьдескрипторы ГОСО

Углерод C — уникальный элемент IV-А группы, способный образовывать бесконечные прочные гомоцепные связи C–C. Благодаря разным типам гибридизации атомных орбиталей углерод образует удивительные аллотропные формы:

1. Алмаз (sp³-гибридизация) — каждый атом связан с четырьмя другими в тетраэдрический трехмерный сверхпрочный каркас. Алмаз — самое твердое вещество в природе (10 по шкале Мооса), диэлектрик с высоким показателем преломления.

2. Графит (sp²-гибридизация) — плоские слои из гексагональных колец (расстояние между слоями 0.335 нм). Внутри слоев связи прочные, а между слоями действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса, поэтому графит мягкий, жирный на ощупь, легко расслаивается и обладает полуметаллическим блеском и электропроводностью.

3. Графен (одноатомный монослой графита), нанотрубки и фуллерены (C₆₀ — сферическая молекула футбольного мяча).

Адсорбция — явление поглощения газов или растворенных веществ поверхностью твердого тела. Активированный уголь, обладающий гигантской удельной поверхностью пор (до 1000 м² на 1 г угля), является мощнейшим адсорбентом, используемым в противогазах Зелинского, фильтрах для воды и медицине.

Схема: Аллотропия углерода и кремния, силикаты

Векторная схема
ВЕЩЕСТВАЧистые веществаСмеси веществПростыеO₂, Fe, Cu, N₂СложныеH₂O, NaCl, H₂SO₄ОднородныеРастворы, воздухНеоднородныеСуспензии, эмульсииСложные вещества делятся на 4 класса: оксиды, основания, кислоты и соли
Алмаз (sp³, 3D каркас), графит (sp², слои), кремний Si и стекло CaSiO₃ · Na₂SiO₃ · 6SiO₂.
Сверхтвердый кристалл

Алмаз

Трехмерный каркас из sp³-гибридных атомов углерода с межатомным расстоянием 0.154 нм.
Поверхностный захват

Адсорбция

Удержание молекул загрязнителей в микропорах активированного угля силами межмолекулярного притяжения.

Противогаз Зелинского

В 1915 г. Николай Зелинский создал первый в мире угольный противогаз, спасший жизни миллионам солдат от хлора и фосгена.

Шаг 1
Определение структуры
Сопоставить гибридизацию: sp³ — алмаз, sp² — графит и графен.
Шаг 2
Сравнение свойств
Алмаз твердый и прозрачный; графит мягкий, черный и проводящий.
Шаг 3
Применение адсорбции
Использовать уголь для очистки воды от красителей, токсинов и газов.
Изотерма адсорбции Ленгмюра
Γ=Γ∞Kc1+Kc\Gamma = \Gamma_{\infty} \frac{K c}{1 + K c}
Описывает насыщение мономолекулярного адсорбционного слоя на поверхности пористого угля.

Углерод образует два важнейших оксида:

1. Оксид углерода(II) CO (угарный газ) — бесцветный газ без запаха, малорастворим в воде, несолеобразующий оксид. Крайне ядовит! Механизм токсичности: молекула CO связывается с железом гемоглобина крови в 250 раз прочнее кислорода, образуя карбоксигемоглобин, блокирующий перенос O₂ к мозгу и тканям. CO — сильнейший восстановитель в пирометаллургии: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

2. Оксид углерода(IV) CO₂ (углекислый газ) — бесцветный газ со слабым кисловатым запахом, в 1.5 раза тяжелее воздуха, не горит и не поддерживает горения (используется в углекислотных огнетушителях). Твердый CO₂ («сухой лед») возгоняется при -78.5 °C.

Качественная реакция на CO₂: пропускание через прозрачную известковую воду Ca(OH)₂ вызывает помутнение из-за выпадения белого осадка карбоната кальция:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

При длительном пропускании осадок растворяется, переходя в кислую растворимую соль гидрокарбонат: CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇄ Ca(HCO₃)₂ (причина карстовых пещер и образования накипи в чайниках).

Смертельный яд

Угарный газ CO

Блокатор клеточного дыхания и гемоглобина, образующийся при неполном сгорании топлива.
Кислотный ангидрид

Углекислый газ CO₂

Продукт полного окисления углерода, тушащий пламя и мутящий известковую воду.

Осторожно в подвалах и колодцах

Так как CO₂ тяжелее воздуха, он скапливается на дне погребов, колодцев и бродильных чанов, вызывая удушье без запаха.

Шаг 1
Получение углекислого газа
Подействовать кислотой на мрамор CaCO₃ + 2HCl -> CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
Шаг 2
Пропускание в известковую воду
Зафиксировать помутнение (образование CaCO₃↓).
Шаг 3
Дальнейшее пропускание
Наблюдать растворение осадка и обратное выпадение при кипячении.
Растворение осадка известняка в избытке CO₂
CaCO3↓+CO2+H2O⇌Ca(HCO3)2 (растворим)\text{CaCO}_3\downarrow + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Ca(HCO}_3)_2\text{ (растворим)}
Обратимый процесс растворения известняка формирует сталактиты и сталагмиты в карстовых пещерах.

Кремний Si — второй по распространенности элемент земной коры после кислорода (составляет более 27% массы литосферы). В свободном виде — темно-серые твердые кристаллы с металлическим блеском, являющиеся важнейшим полупроводником в микроэлектронике и солнечных батареях.

Диоксид кремния SiO₂ (кварц, кремнезем, песок) имеет прочную атомную кристаллическую решетку, поэтому химически инертен и в воде не растворяется.

Кремниевая кислота H₂SiO₃ — очень слабая нерастворимая кислота, выпадающая при подкислении растворимых силикатов в виде студенистого бесцветного геля: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. При высушивании геля кремниевой кислоты получают пористый сорбент — силикагель.

Силикатная промышленность производит:

1. Стекло (оконное): Na₂O·CaO·6SiO₂ (сплавление песка, соды и известняка: Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ → Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂↑);

2. Керамику и фарфор (обжиг белой глины — каолинита Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O);

3. Цемент (высокотемпературный обжиг смеси известняка и глины с получением силикатов и алюминатов кальция).

Силикатный гель

Кремниевая кислота

Единственная нерастворимая в воде неорганическая кислота, образующая полимерный гель.
Стеклоделие

Оконное стекло

Аморфный прозрачный силикатный сплав состава Na₂O · CaO · 6SiO₂.

«Жидкое стекло»

Водные концентрированные растворы силикатов натрия Na₂SiO₃ и калия K₂SiO₃ называют жидким стеклом (канцелярский силикатный клей, огнеупорная пропитка).

Шаг 1
Идентификация силиката
Проверить наличие аниона SiO₃²⁻ в растворе соли.
Шаг 2
Подкисление
Прилить раствор сильной кислоты (HCl) к Na₂SiO₃.
Шаг 3
Фиксация геля
Зафиксировать выпадение студенистого прозрачного желеобразного осадка H₂SiO₃.
Реакция варки силикатного стекла
Na2CO3+CaCO3+6SiO2→1400∘CNa2O⋅CaO⋅6SiO2+2CO2↑\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CaCO}_3 + 6\text{SiO}_2 \xrightarrow{1400^{\circ}\text{C}} \text{Na}_2\text{O}\cdot\text{CaO}\cdot 6\text{SiO}_2 + 2\text{CO}_2\uparrow
Кварцевый песок вытесняет более летучий оксид углерода CO₂ из карбонатов при температуре расплава.

Качественный анализ соединений углерода:

Шаг 1
Действие кислоты на карбонат
К твердой соли или раствору карбоната прилить разбавленную HCl: мгновенное бурное «вскипание» с выделением бесцветного газа без запаха: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O.
Шаг 2
Пропускание через известковую воду
Пропустить выделяющийся газ через прозрачную известковую воду Ca(OH)₂: раствор мутнеет из-за образования нерастворимого осадка мела: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.
Шаг 3
Исчезновение мути при избытке CO₂
При длительном пропускании CO₂ муть полностью исчезает: нерастворимый карбонат превращается в растворимый гидрокарбонат кальция: CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂.

Сравнение оксидов углерода на ЕНТ:

1. Угарный газ CO:

Несолеобразующий оксид! Не реагирует со щелочами при обычных условиях. Чрезвычайно токсичен, так как необратимо связывается с гемоглобином крови (образуя карбоксигемоглобин), блокируя перенос кислорода тканям. Сильный восстановитель металлов из оксидов в металлургии: Fe₂O₃ + 3CO —(t)→ 2Fe + 3CO₂.

2. Жесткость воды:

Временная (карбонатная) жесткость обусловлена гидрокарбонатами Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Она устраняется простым кипячением: Ca(HCO₃)₂ —(t)→ CaCO₃↓(накипь) + CO₂↑ + H₂O.

Угарный газ — не кислотный оксид

CO не поглощается известковой водой и не реагирует со щелочами! Известковую воду мутит ТОЛЬКО углекислый газ CO₂!

Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул9 класс
Степень электролитической диссоциации:
α=Nдис/Nобщ=Cдис/Cобщ\alpha = N_{дис} / N_{общ} = C_{дис} / C_{общ}[б/р или %]
Закон разбавления Оствальда:
Kd=(α2⋅C)/(1−α)≈α2⋅CK_d = (\alpha^2 \cdot C) / (1 - \alpha) \approx \alpha^2 \cdot C[моль/л]
Ионное произведение воды:
K_w = [H^+] \cdot [OH^-] = 1.0 \cdot 10^{-14} \text{ (при 25°C)}[моль²/л²]
Водородный показатель pH:
pH=−lg⁡[H+],pOH=−lg⁡[OH−],pH+pOH=14pH = -\lg [H^+], \quad pOH = -\lg [OH^-], \quad pH + pOH = 14[ед. pH]
Следующая тема

Общие свойства металлов и сплавов. Электрохимический ряд напряжений, коррозия металлов

Перейти к теме →