Элементы 14(IV) группы и их соединения

Учебниковая опора

• Усманова М. Б., Сакарьянова К. Н., Сахариева Б. Н. «Химия», 8 класс, Атамура, 2018, с. 187–196
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9 класс», часть 2, 9 класс, Мектеп, 2019, с. 56–64
• Оспанова М. К., Аухадиева К. С., Белоусова Т. Г. «Химия» (ОГН), 11 класс, Мектеп, 2019, с. 5–7, 13, 233

Главное

• Группа: C, Si, Ge, Sn, Pb; внешний слой $ns^2np^2$, высшая степень окисления $+4$.
• Сверху вниз: радиус растёт, ЭО падает, металлические свойства усиливаются (C — неметалл, Si — полупроводник, Ge, Sn, Pb — металлы); устойчивость степени $+2$ растёт ($Pb^{+2}$ устойчивее $Pb^{+4}$).
• Аллотропы углерода: алмаз, графит, карбин, фуллерен $C_{60}$.
• $CO$ — несолеобразующий, ядовитый; $CO_2$ и $SiO_2$ — кислотные оксиды; оксиды Sn и Pb амфотерны.

Теория

Аллотропия углерода

Модификация	Строение	Свойства
Алмаз	тетраэдр, атомная решётка	самое твёрдое природное вещество, прозрачный, ток не проводит
Графит	слоистая структура	мягкий, серый, жирный на ощупь, проводит ток
Карбин	линейные цепи	образуется из графита при 2000 °C и низком давлении
Фуллерен	60 атомов, пяти- и шестиугольники («мяч»)	открыт недавно
Аморфный углерод (древесный уголь) — сильный адсорбент.

Химические свойства углерода

• полное горение $C + O_2 = CO_2$; при недостатке $O_2$ (> 1000 °C) $2C + O_2 = 2CO$;
• $C + 2Cl_2 = CCl_4$; $C + 2S = CS_2$; $C + 2H_2 = CH_4$;
• карбиды: $Ca + 2C = CaC_2$, $4Al + 3C = Al_4C_3$;
• водяной газ: $C + H_2O = CO + H_2$; $C + CO_2 = 2CO$;
• восстановитель: $2CuO + C = 2Cu + CO_2$; $3C + Fe_2O_3 = 2Fe + 3CO$.

Оксиды углерода

	$CO$	$CO_2$
Характер	несолеобразующий	кислотный
Свойства	ядовит (связывает железо гемоглобина), горит голубым пламенем, восстанавливает металлы: $CuO + CO = Cu + CO_2$	тяжелее воздуха ($D_{возд} = 1{,}52$), не поддерживает горение (огнетушители), парниковый газ
Реакции	$2CO + O_2 = 2CO_2$	$CO_2 + Ca(OH)_2 = CaCO_3\downarrow + H_2O$ — качественная реакция
Лабораторное получение $CO_2$: $CaCO_3 + 2HCl = CaCl_2 + CO_2\uparrow + H_2O$. Разложение: $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$.

Кремний. Кристаллический Si — серо-стальной с металлическим блеском, атомная решётка как у алмаза, $t_{пл} = 1415$ °C, полупроводник. Получение: $SiO_2 + 2C \xrightarrow{t} Si + 2CO$; чистый Si — зонной плавкой.

• При обычной температуре реагирует только со фтором: $Si + 2F_2 = SiF_4$; при нагревании — $Si + O_2 = SiO_2$, $3Si + 2N_2 = Si_3N_4$, $Si + C = SiC$.
• Со щелочью: $Si + 2KOH + H_2O = K_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$.
• С металлами — силициды ($2Mg + Si = Mg_2Si$, Si — окислитель); с неметаллами Si — восстановитель.

$SiO_2$ — кислотный оксид с атомной решёткой (кварц, песок), твёрдый и тугоплавкий в отличие от газа $CO_2$ (молекулярная решётка). С водой не реагирует; $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$; $SiO_2 + Na_2CO_3 \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + CO_2$; $CaO + SiO_2 = CaSiO_3$.

$H_2SiO_3$ — очень слабая кислота, студенистый осадок, на индикаторы не действует: $K_2SiO_3 + 2HCl = H_2SiO_3\downarrow + 2KCl$; угольная кислота тоже вытесняет её: $Na_2SiO_3 + CO_2 + H_2O = H_2SiO_3\downarrow + Na_2CO_3$. Растворимы только силикаты щелочных металлов («растворимое стекло»). Карборунд SiC — атомная решётка, по твёрдости уступает лишь алмазу и боразону.

Олово и свинец. $Sn + 2HCl = SnCl_2 + H_2$; $Pb + 2HCl = PbCl_2\downarrow + H_2$. $SnO_2$, $PbO_2$, $SnO$ — амфотерные, $PbO$ — с выраженными основными свойствами. $PbO_2$ — сильный окислитель: $PbO_2 + 4HCl = PbCl_2 + Cl_2 + 2H_2O$.

Примеры

1. Почему $SiO_2$ твёрдый, а $CO_2$ — газ? У $SiO_2$ атомная решётка, у $CO_2$ — молекулярная.
2. Как отличить $CO_2$ от $CO$? $CO_2$ мутит известковую воду; $CO$ горит голубым пламенем.
3. Какой объём $CO_2$ (н. у.) выделится из 10 г $CaCO_3$ с избытком HCl? $n = 0{,}1$ моль, $V = 2{,}24$ л.
4. В какой роли выступает кремний в реакции $2Mg + Si = Mg_2Si$? Окислитель ($Si^0 + 4e \to Si^{-4}$).

Типичные ошибки на ЕНТ

• Считают $CO$ кислотным оксидом — он несолеобразующий.
• Пишут реакцию $SiO_2$ с водой — её нет.
• Путают, какая модификация углерода проводит ток: графит, а не алмаз.
• Считают, что кремний не реагирует со щелочами: реагирует с выделением $H_2$.
• Забывают, что в группе вниз растёт устойчивость степени $+2$.

Самопроверка

1. Сколько атомов в молекуле фуллерена? — 60.
2. Какой газ образуется при $C + H_2O$? — Водяной газ: $CO + H_2$.
3. Тип решётки кремния? — Атомная.
4. Почему угарный газ ядовит? — Связывает железо гемоглобина крови.
5. Какой характер оксида $PbO$? — Амфотерный с преобладанием основных свойств.