2020-01-14
221Неорганические соединения углерода с азотом и кислородом
В промышленности получают цианамид кальция:
CaC2 + N2 = CaCN2 + C ∆H0 = - 301 кДж.
Цианамид применяют в качестве азотного удобрения, поскольку он гидролизуется:
CaCN2 + 3 H2O = CaCO3 + 2 NH3.
Цианиды получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:
Na2CO3 + 2 NH3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H2O + H2 + 2 CO2 ∆H0 = +121 кДж
Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:
C = O: [:C = N:]–
Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:
2 Au + 4 KCN + H2O + 0,5 O2 = 2 K[Au(CN)2] + 2 KOH.
При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются роданиды: KCN + S = KSCN.
Растворы цианидов окисляются до цианатов:
2 KCN + O2 = 2 KOCN.
Циановая кислота существует в двух формах:
H-N=C=O; H-O-C = N:
В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH4OCN = CO(NH2)2 при упаривании водного раствора.
Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над "виталистической теорией".
Угольная кислота
Существует только в растворе Н2СO3 (Н2О · СО2).
Это слабая двухосновная кислота
Н2СO3 ↔ Н+ + НСO3 –
НСO3 –↔ Н+ + СO3 2– в незначительной степени
Угольная кислота, непрочное соединение, поэтому свойства этой кислоты можно рассматривать как свойства раствора углекислого газа.
Для нее характерны все свойства кислот: с металлами, основными оксидами, основаниями. Качественной реакцией на угольную кислоту в растворе является появление осадка в виде мути при взаимодействии с известковой водой Са(ОН)2
Са(ОН)2 + Н2СO3→ СаСO3↓+2 Н2О
Карбонаты и гидрокарбонаты
Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H2CO3 – слабая кислота (К1 =1,3·10-4; К2 =5·10-11). Карбонатный буфер поддерживает углекислотное равновесие в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:
H2CO3 ↔ H+ + HCO3-.
При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:
CO2 + H2O ↔ H2CO3.
При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:
H+ + CO32-↔ HCO3-
CaCO3(тв.) ↔ Ca2+ + CO32-
Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует "парниковому эффекту" – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na2CO3) используется в производстве стекла.
Получение карбонатов
СaO + CO2= CaCO3
KOH+ CO2 = К2СО3+ Н2О
KOH+ CO2 = КНСО3+ Н2О
Химические свойства карбонатов
1. Карбонаты обладают общими с другими солями свойствами.
2. Разлагаются при нагревании
Гидрокарбонаты, образованные щелочными металлами разлагаются только до карбонатов.
2 NaHCO3 = Na2CO3 + СО2 ↑+Н2О
Остальные разлагаются далее до оксидов и углекислого газа
Ca(НCO3)2 → CO2 ↑+ CaCO3 + Н2О
3Карбонаты разлагаются до оксидов и углекислого газа
FeCO3→ ↑CO2+FeO
3 Качественной реакцией на карбонаты является действие растворов кислот:
СаСО3 + HCl → СаCl2 + СО2 ↑+Н2О
4. Карбонаты и гидрокарбонаты могут переходить друг в друга
СаСО3 + CO2+ Н2О → Ca(НCO3)2
Ca(НCO3)2 → CO2 ↑+ CaCO3 + Н2О
Ca (НCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3+ 2 Н2О
5. Карбонаты подвергаются гидролизу
Na2 CO3+ Н2О→ NaHCO3+NaOH
Жесткость воды
Жесткость воды обусловлена содержанием в воде ионов Са 2+ и Mg 2+
Бывает временная и постоянная. Временная жесткость обусловлена наличием гидрокарбонатов магния и кальция Постоянная обусловлена наличием других растворимых солей кальция и магния.
Способы устранения жесткости. Кипячением устраняется временная Ca(НCO3)2 → CO2 ↑+ CaCO3 ↓ + Н2О, а постоянная кипячением не устраняется.
Для устранения жесткости используются реагенты например сода карбонат натрия и известь гидроксид кальция
Ca(НCO3)2+ Na2CO3 → CaCO3 + NaНCO3
Ca(НCO3)2+ Ca(OН)2→ 2CaCO3 + Н2О
Характеристика кремния. Свойства простых веществ и соединений
Атом кремния по числу валентных электронов является аналогом углерода. Однако у Si больше радиус атома и самое главное—как элемент 3-го периода он имеет свободные d-орбитали. Эти отличия в строении атома делают существенной разницу в химических свойствах. Достаточно сказать, что химия кремния — это область неживой природы, тогда как химия углерода — в основном химия органическая. Благодаря наличию свободной 3d-орбитали он может образовывать π-связи за счет неподеленных пар атомов, которые с ним соединяются. Он может путем заполнения 3d-орбитали создавать sp3d2-гибридизованное состояние и тогда его координационное число равно шести. Поэтому связи кремния с О, N, F, C1 и другими элементами прочнее, чем связи углерода с этими же элементами, а связи Si—Si и Si—Н менее прочные. В отличие от углерода кремний неспособен иметь устойчивые sp- или sp2-гибридизованные состояния. Самое характерное для него sp3-состояние. Атомы в решетке кремния расположены так же, как в алмазе. Атом в кристалле соединен с четырьмя вершинами тетраэдра за счет одинаковых sp3-гибридных связей. Радиус атома кремния меньше, чем у его предшественника по периоду А1 и в то же время больше, чем у углерода, поэтому восстановительные свойства Si выше, также как и ионная составляющая связи в соединениях с сильно электроотрицательными элементами.
Кремний – один из основных элементов земной коры (27,7 вес %).
С металлами он образует силициды.
Mg + Si → Mg2Si
Силициды обычно разлагаются с выделением силана:
Mg2Si + 4 H2O = 2 Mg(OH)2 + SiH4↑ .
Кремний легко растворяется в щелочах.
Si+2NaOH+ Н2О =Na2SiO3+2H2↑
В отличие от углерода, наиболее прочные структуры кремний образует с кислородными мостиками в оксиде SiО2
–0– Si – О – Si–О атомная кристаллическая решетка
Кристаллический кварц в воде практически не растворим в воде. (0,0005% при 250С)
Получить кислоту, поэтому прямым способом нельзя.
Очень слабую (слабее угольной) кремниевую кислоту
Можно получить из солей
Na2SiO3 + НСl→ H2SiO3 ↓+ NaСl - качественная реакция на силикаты.
Na2SiO3 + Н2CO3→ H2SiO3 ↓+ CO2
Ее невозможно выделить в виде H2SiO3, она выпадает в виде студня xSiO2∙yH2O.
При нагревании H2SiO3 → SiО2+ Н2О образуется силикагель, который используется как осушитель
Силикаты
Растворимы только соли щелочных металлов.
Na2SiO3 К2SiO3
Силикаты натрия и калия называют жидким стеклом.
Оконное стекло имеет формулу Na2O∙CaO∙6SiO2
Стекло варят при 14000С: сода + известь + песок
Na2CO3 + CaCO3 + 6 SiO2 = Na2O∙CaO∙6SiO2 + 2 CO2 ↑
Замена Na2CO3 на к2CO3 (поташ) тугоплавкое стекло
Замена Na2CO3 поташем, а CaCO3 оксидом свинца (IV)- хрусталь
