Общая характеристика элементов 4 А группы. углерод и кремний

План урока

Общая характеристика элементов ІV А группы.

Углерод и кремний

Цель:

Образовательная: сформировать у учащихся общее представление об элементах входящих в состав 4 – ой группы, изучить их основные свойства, рассмотреть их биохимическую роль и применение основных соединений элементов.

Развивающая: развить навыки письменной и устной речи, мышления, умение использовать полученные знания для решения различных заданий.

Воспитывающая: воспитать чувство потребности познания нового.

Ход урока

Повторение пройденной темы:

1. Сколько элементов относится к неметаллам? Укажите их место в ПСХЭ?

2. Какие элементы относятся к органогенным?

3. Укажите агрегатное состояние всех неметаллов.

4. Из скольких атомов состоят молекулы неметаллов?

5. Какие оксиды называются несолеобразующими? Написать формулы несолеобразующих оксидов неметаллов.

6. Осуществить цепочку превращений:

Cl₂ → HCl → CuCl₂ → ZnCl₂ → AgCl

1. Последнее уравнение реакции записать в ионном виде.

2. Дописать возможные уравнения реакций:

1) H₂ + Cl₂ = 6) CuO + H₂ =

2) Fe + Cl₂ = 7) KBr + I₂ =

3) NaCl + Br₂ = 8) Al + I₂ =

4) Br₂ + KI = 9) F₂ + H₂O =

5) Ca + H₂ = 10) SiO₂ + HF =

1. Записать уравнения реакций взаимодействия азота с а) кальцием; б) с водородом; в) с кислородом.

2. Осуществить цепочку превращений:

N₂ → Li₃N → NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

1. При разложении 192 г нитрита аммония по реакции NH₄NO₂ = N₂ + 2H₂O было получено 60 л азота. Найти выход продукта от теоретически возможного.

Изучение нового материала.

К 4 А группе относятся р-элементы: углерод, кремний, германий, олово и свинец. Отличаясь числом энергетических уровней, невозбужденные атомы их имеют на внешнем уровне по 4 электрона. В связи с увеличением в группе сверху вниз числа заполняемых электронных слоев и размеров атома ослабляется притяжение внешних валентных электронов к ядру, поэтому неметаллические свойства элементов в подгруппе сверху вниз ослабляются и усиливаются металлические свойства. Тем не менее углерод и кремний существенно отличаются по свойствам от других элементов. Это типичные неметаллы. У германия имеются металлические признаки, а у олова и свинца они преобладают над неметаллическими.

В природе углерод встречается в свободном состоянии в виде алмаза и графита. Содержание углерода в земной коре составляет около 0,1%. Он входит в состав природных карбонатов: известняка, мрамора, мела, магнезита, доломита. Углерод является главной составной частью органических веществ. Уголь, торф, нефть, дерево и природный газ рассматриваются обычно как горючие материалы, применяемые в качестве топлива.

Физические свойства. Углерод как простое вещество существует в несколько аллотропных формах: алмаз, графит, карбин и фуллерен, которые имеют резко различные физические свойства, что объясняется строением их кристаллических решеток. Карбин – мелкокристаллический порошок черного цвета, впервые синтезирован в 60 – х годах советскими химиками, позднее был найден в природе. При нагревании до 2800º без доступа воздуха превращается в графит. Фуллерен - в 80 – х годах были синтезированы сферические структуры, образованные атомами углерода, названные фуллеренами. Они представляют собой замкнутые структуры, состоящие из определенного числа атомов углерода – С₆₀ , С₇₀.

Химические свойства. В химическом отношении углерод при нормальных условиях инертен. Реакционная способность усиливается при повышении температуры. При высоких температурах углерод взаимодействует с водородом, кислородом, азотом, галогенами, водой и некоторыми металлами и кислотами.

1. При пропускании водяных паров через раскаленный уголь или кокс получается смесь оксида углерода (ІІ) и водорода:

C + H₂O = CO + H₂ (водяной пар),

Эта реакция проходи при 1200º, при температуре ниже 1000º происходит окисление до СО₂:

С + 2H₂O = СО₂ + 2H₂.

1. Промышленно важным процессом является превращение водяного газа в метанол (метиловый спирт):

СО + 2H₂ = СН₃ОН

1. Под воздействием высоких температур углерод способен взаимодействовать с металлами, образуя карбид, среди них выделяют «метаниды» и «ацетилениды», в зависимости от того, какой газ выделяется при взаимодействии их с водой или кислотой:

СаС₂ + HCl = CaCl₂ + C₂H₂ ↑

Al₄C₃ + 12H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3CH₄↑

1. Большое практическое значение имеет карбид кальция, который получается нагреванием извести СаО и кокса в электропечах без доступа воздуха:

СаО + 3С = СаС₂ + СО

Карбид кальция используют для получения ацетилена:

СаС₂ + 2H₂O = Са(ОН)₂ + C₂H₂ ↑

1. Однако для углерода характерны реакции, в которых он проявляет восстановительные свойства:

2ZnO + C = Zn + СО₂

Cоединения углерода.

1. Оксид углерода (СО) – угарный газ. В промышленности его получают пропусканием углекислого газа над раскаленным углем при высокой температуре. В лабораторных условиях СО получают действием конц.серной кислоты на муравьиную кислоту при нагревании (серная кислота отнимает воду):

НСООН = H₂O + СО↑

1. Оксид углерода (СО₂) – углекислый газ. В атмосфере углекислого газа мало 0,03% по объему, или 0,04 % по массе. Поставляют в атмосферу вулканы и горячие источники, и, наконец, человек сжигает горючие ископаемые. Атмосфера все время обменивается газами с океанической водой, которая содержит в 60 раз больше углекислого газа, чем атмосфера. Известно, что углекислый газ хорошо поглощает солнечные лучи в инфракрасной области спектра. Тем самым углекислый газ создает парниковый эффект и регулирует глобальную температуру.

В лабораторных условиях углекислый газ получают действием соляной кислоты на мрамор:

СаCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + СО₂↑

Свойство углекислого газа не поддерживать горение используется в противопожарных устройствах. При повышении давления растворимость углекислого газа резко возрастает. На этом основано его применение в изготовлении шипучих напитков.

Угольная кислота существует только в растворе. При нагревании раствора она разлагается на оксид углерода и воду. Соли кислоты устойчивые, хотя сама кислота неустойчива.

Важнейшей реакцией на карбонат – ион является действие разбавленных минеральных кислот – соляной или серной. При этом с шипением выделяются пузырьки углекислого газа, а при пропускании его через раствор гидроксида кальция (известковую воду) он мутнеет в результате образования карбоната кальция.

Кремний. После кислорода это самый распространенный элемент на Земле. Он составляет 25,7 % массы земной коры. Значительная его часть представлена оксидом кремния, называемого кремнеземом, который встречается в виде песка или кварца. В очень чистом виде оксид кремния встречается в виде минерала, называемого горным хрусталем. Кристаллический оксид кремния, окрашенный различными примесями, образует драгоценные и полудрагоценные камни: агат, аметист, яшму. Другая группа природных соединений кремния составляет силикаты – производные кремниевой кислоты.

В промышленности кремний получают восстановлением оксида кремния коксом в электрических печах:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO↑

В лабораториях в качестве восстановителей используют магний или алюминий:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

3 SiO₂ + 4Al = Si + 2Al₂O₃.

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами цинка:

SiCl₄ + 2Zn = Si + 2ZnCl₂

Физические свойства. Кристаллический кремний – хрупкое вещество темно – серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза. Кремний используют в качестве полупроводника. Из него изготавливают так называемые солнечные батареи, превращающие световую энергию в электрическую. Кремний используют в металлургии для получения кремнистых сталей, обладающих высокой жаростойкостью и кислотоупорностью.

Химические свойства. По химическим свойствам кремний, как и углерод, является неметаллом, но неметалличность его выражена слабее, так как он имеет большую величину атомного радиуса.

Кремний при обычных условиях химически довольно инертен. Непосредственно он взаимодействует только с фтором, образуя фторид кремния:

Si + 2F₂ = SiF₄

Кислоты (кроме смеси плавиковой НF и азотной) на кремний не действуют. Но он растворяется в гидроксидах щелочных металлов:

Si + NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑

При высокой температуре в электрической печи из смеси песка и кокса получается карбид кремния SiC – карборунд:

SiO₂ + 2С = SiC + СО₂↑

Из карбида кремния изготавливают точильные камни и шлифовальные круги.

Соединения металлов с кремнием называются силицидами:

Si + 2Mg = Mg₂Si

При действии на силицид магния соляной кислотой получается простейшее водородное соединение кремния силан – SiH₄:

Mg₂Si + 4НСl = 2MdCl₂ + SiH₄

Силан – ядовитый газ с неприятным запахом, сомовоспламеняющийся на воздухе.

Соединения кремния. Диоксид кремния – твердое тугоплавкое вещество. В природе распространен в двух видах кристаллический и аморфный кремнезем. Кремневая кислота - является слабой кислотой, при нагревании легко разлагается на воду и диоксид кремния. Может быть получена как в виде студнеобразной массы, содержащей воду, так и в виде коллоидного раствора (золя). Соли кремниевой кислоты называются силикатами. Природные силикаты – довольно сложные соединения, их состав обычно изображается как соединение нескольких оксидов. Только силикаты натрия и калия растворимы в воде. Их называют растворимым стеклом, а их раствор – жидким стеклом.

Задания для закрепления.

1.

2. Дописать возможные уравнения реакций, решить задачу.

1. Кроссворд.

По вертикали: 1. Соль угольной кислоты.

По горизонтали: 1. Самое твердое природное вещество на Земле. 2. Строительный материал. 3. Вещество, применяемое для изготовления теста. 4. Соединения кремния с металлами. 5. Элемент главной подгруппы 1V группы ПС химических элементов. 6. Соли угольной кислоты, содержащие водород. 7. Природное соединение кремния.

Домашнее задание: стр.210 – 229.