«Элементы подгруппы углерода» (стр. 5 )

Карбонаты натрия и калия плавятся без разложения, а большинство остальных карбонатов при нагревании разлагаются на оксид металла и углекислый газ.

MgCO3 = MgO + CO2.

3.2 Проектное задание:

Укажите способы получения: оксида углерода (IV), солей угольной кислоты. Напишите уравнения процессов, происходящих при нагревании карбонатов.
3.3 Тест рубежного контроля

Тест содержит 6 заданий, на выполнение которых отводится 5 минут. Выберите наиболее правильный, по Вашему мнению, вариант ответа и отметьте его в бланке ответов любым значком (правильных ответов может быть несколько!)

1. Какой тип химической связи в молекуле диоксида углерода?
а) ковалентная полярная	б) ковалентная неполярная
в) ионная	г) двойная
2. С какими из перечисленных веществ реагирует углекислый газ?
а) вода, хлорид натрия, оксид кальция, гидроксид натрия	б) оксид кальция, гидроксид бария, вод вода, карбонат натрия;
в) вода, магний, оксид кальция, гидроксид натрия	г) вода, оксид кальция, гидроксид натрия; раствор ацетата свинца
3. Какова окраска лакмуса в растворе угольной кислоты?
а) фиолетовая	б) красная
в) синяя	г) бесцветная
4. Как диссоциирует угольная кислота?
а) H+ + HCO3—	б) H+ + CO32−
в) 2H+ + CO32−	г) H2+ + CO32−
5. Каковы продукты гидролиза (в обычных условиях) карбоната натрия?
а) NaHCO3 + NaOH	б) H2CO3 + NaOH
в) КHCO3 + КOH	г) СО2 + NaOH
6. Какие соли может образовывать угольная кислота?
а) нейтральные	б) кислые
в) основные	г) средние

Бланк ответов

№	1	2	3	4	5	6
А)
Б)
В)
Г)

Модуль 4. Диоксид кремния, кремниевые кислоты и их соли

Комплексная цель модуля: знать способы получения оксида и гидроксида углерода (IV); описывать их физические свойства; знать характеристику кислотно-основных свойств; давать характеристику окислительно-восстановительных свойств.

4.1 Содержание модуля.

Диоксид кремния SiO2 – бесцветное твердое вещество, с температурой плавления 1713ºС, нерастворимое в воде. SiO2 образует три стабильные кристаллические модификации: кварц, тридимит и кристобаллит. Стишовит и коусит являются метастабильными, но при обычных условиях могут существовать неограниченно долго. Различные модификации SiO2 отличаются расположением тетраэдров SiO4 в пространстве, поэтому различные кристаллические модификации SiO2 и безводный аморфный кремнезем представляют собой неорганические гетероцепные полимеры.

β-Кристобаллит имеет кубическую решетку, β-тридимит – гексагональную, а структура стишовита образована из кремнекислородных октаэдров.

Химическая активность модификаций возрастает от кварца к кристобаллиту и особенно кремнезему, полученному обезвоживанием геля кремниевой кислоты. Фтор, фтористый водород и плавиковая кислота энергично взаимодействуют с диоксидом кремния:

SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2; SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O.

В воде SiO2 практически нерастворим. Не реагирует он с кислотами (кроме плавиковой) и царской водкой. В щелочных растворах, особенно при нагревании, SiO2 легко растворяется, проявляя свою кислотную природу:

SiO2 + 4NaOH = Na4SiO4 + 2H2O

Диоксид кремния хорошо сплавляется со щелочами, оксидами металлов и карбонатами:

SiO2 + PbO = PbSiO3; SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2.

Кремниевые кислоты и их соли

Поскольку кремниевый ангидрид не растворим в воде, кремневую кислоту получают косвенным путем – действием минеральных кислот на растворы силикатов или гидролизом галогенидов, сульфидов и некоторых других соединений кремния. В растворах существует несколько форм кремниевых кислот, их достаточно трудно разделить.

Ортокремниевая кислота H4SiO4 хорошо растворима в воде, существует только в очень разбавленных растворах. Растворы кремниевой кислоты очень неустойчивы во времени, проявляется большая склонность к полимеризации, сопровождающейся поликонденсацией:

OH OH

│ │

HO─Si─OH + HO─Si─OH → (HO)3─Si─O─Si─(OH)3 + H2O

│ │

OH OH

Сначала получаются линейные, затем разветвленные, слоистые и смешанные, наконец - трехмерные структуры. При полимеризации кремниевой кислоты образуются очень крупные частицы, имеющие диаметр в сотни ангстрем. Золи кремниевой кислоты самопроизвольно переходят в гели, «застудневают». Степень полимеризации кремниевой кислоты резко возрастает с увеличением кислотности, поэтому даже небольшая концентрация ионов водорода вызывает осаждение кислоты из силикатных растворов.

Так, если к раствору силиката натрия Na2SiO3 приливать соляную кислоту, то в зависимости от концентрации взятых растворов, образующаяся кремниевая кислота выделяется из раствора в виде студенистого осадка (иногда весь раствор превращается в студнеобразную массу) или остается в растворе в коллоидном состоянии:

хNa2SiO3 + 2х HCl → 2х NaCl + xSiO3 ∙ yH2O↓ + (х-у)Н2О.

Кислоты состава xSiO3 ∙ yH2O со значением x>1 называются поликремневыми. Простейшей поликремневой кислотой является двуметакремневая кислота Н2Si2O5 или 2SiO2∙H2O. При x=1, y=2 – ортокремневая кислота H4SiO4 или SiO3∙2H2O. Выделить каждую из кислот в отдельности не удается, вследствие их нестойкости. Формулы кремневых кислот были выведены на основе состава природных солей. Например, тальку Mg3H2Si4O12 соответствует поликремневая кислота H8Si4O12 или 4Si2O∙4H2O.

Все кремневые кислоты – очень слабые. Поэтому их соли в растворах подвергаются сильному гидролизу. Водные растворы силикатов щелочных металлов вследствие сильного гидролиза имеют щелочную реакцию:

2Na2SiO3 + H2O ↔ Na2Si2O5 + 2 NaOH

SiO32− + H2O ↔ HSiO3− + OH−; 2HSiO3− ↔ Si2O52− + H2O

Уравнения реакций записаны в упрощенном виде, SiO32− не существует.

Кремневая кислота xSiO3 ∙ yH2O содержит большое количество воды. При нагревании она постепенно теряет воду, а при прокаливании превращается в диоксид кремния.

Строение оксосиликатов

Структурной единицей оксосиликатов, как и SiO2, является тетраэдрическая группировка атомов SiO4. Два соседних кремнекислородных тетраэдра SiO4 соединены друг с другом только через один атом кислорода. Если в кристаллах SiO2 каждый SiO4–тетраэдр дает на образование связей Si-O-Si четыре вершины (см. рисунок), то в оксосиликатах SiO4–тетраэдры на связь Si-O-Si могут давать три, две или одну вершину:

O− O− O−

│ │ │

— O − Si − O− — O − Si − O — — O − Si − O —

│ │ │

O− O− O

│

Этим объясняется большое разнообразие возможных способов сочетаний друг с другом SiO4–тетраэдров; структур и типов оксосиликатов.

Тетраэдры SiO4 могут объединяться попарно (Si2O76−), в замкнутые кольца из трех (Si3O96−), четырех (Si4O128−), шести (Si6O1812−) тетраэдров (рис. 2).

Рис.2 Кремнекислородные тетраэдры в силикатах с островными структурами

Эти относительно простые структурные единицы в свою очередь могут объединяться в полимерные цепочки, ленты, сетки (рис. 3).

Рис.3 Кремнекислородные тетраэдры в силикатах с цепочечными (д), ленточными (е) и слоистыми (ж) структурами

Простейшая формула такого аниона рассчитывается по числу атомов, приходящихся на одно повторяющееся в полимере звено: SiO32−, Si4O116−, Si2O52−.

Цепной оксосиликатный анион состава (SiO32−)n содержат так называемые пироксены. Примерами последних являются энстатит Mg[SiO3], диопсид CaMg[SiO3]2 и сподумен LiAl[SiO3]2.

Ленточные анионы состава (Si4O116−)n содержат так называемые амфиболы. Типичным представителем амфиболов является минерал тремолит Ca2Mg[Si4O11]2 (OH)2.

Слоистые оксосиликатные анионы имеют состав (Si2O52−)n.

Цепи, ленты и слои связаны между собой расположенными между ними катионами. В зависимости от типа оксосиликатных анионов силикаты имеют волокнистую (типа асбеста), слоистую (типа слюды), а SiO2 – координационную структуру.

В оксосиликатах и SiO2, а также в кремнийорганических соединениях валентный угол SiOSi изменяется от 131 до 180º, т. е. ближе к 180, чем к 90º. Этот факт дает основание считать, что атом кислорода находится в состоянии sp-гибридизации. Стабилизация этого состояния и выпрямление угла обусловлены π-связыванием за счет 2p-электронов кислорода и 3d-орбиталей атома кремния.

Синтетические силикаты

Силикаты щелочных металлов, полученные в результате сплавления кремнезема со щелочами, представляют собой стеклообразную массу и вследствие их растворимости в воде называются растворимым стеклом. В промышленности силикат натрия Na2SiO3 получают сплавлением песка с содой или со смесью сульфата натрия и угля: