ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКА
Химия · 11 класс · § 41
Открываем, наблюдаем, объясняем

§ 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний

Почему соединения углерода и кремния при похожих формулах имеют разное строение?

Обучающая модель4 смысловых раздела10 вопросов
Главный вопрос

Почему соединения углерода и кремния при похожих формулах имеют разное строение?

Исследуем вместе

Три углеродных материала

Выбирай материал. Схема меняет организацию связей и поверхности и связывает её с физическим свойством.

Схема объясняет процесс; размеры, расстояния и цвета частиц условны. Это учебная модель, а не инструкция проведения опыта.

01

Атомная и молекулярная решётки

В атомной решётке атомы связаны ковалентными связями в протяжённую сеть: пример — алмаз. В молекулярной решётке сохраняются отдельные молекулы, а между ними действуют межмолекулярные силы: примеры — лёд и твёрдый CO₂.

Признак / объектЧто означаетПояснение
АлмазАтомы C и ковалентная сетьОчень твёрдый
ЛёдМолекулы H₂O и водородные связиМолекулы сохраняются при плавлении
Твёрдый CO₂Молекулы CO₂Легко сублимирует при обычном давлении

При плавлении молекулярного вещества обычно ослабляется межмолекулярный порядок, а сами молекулы сохраняются. Для разрушения атомной сети нужно нарушить много прочных связей. Это объясняет большие различия температур плавления.

Атомная решётка представляет единую ковалентную сеть. Молекулярная решётка сохраняет отдельные молекулы вещества.

02

Кремний рядом с углеродом

Кремний имеет атомный номер 14 и распределение электронов 2, 8, 4. Он находится в третьем периоде, группе 14. Четыре внешних электрона связывают его с углеродом, но размеры атомов и прочность разных связей приводят к отличиям химии.

  1. Si

    Один элемент · Простое вещество

  2. SiO₂

    Кремний и кислород · Кислотный оксид

  3. Na₂SiO₃

    Натрий, кремний, кислород · Силикат

Пояснение к ходу решения

В распространённых кислородных соединениях Si имеет степень окисления +4. В природе он обычно встречается связанным в SiO₂ и силикатах. Простой кремний не следует путать с кварцем: кварц содержит ещё и кислород.

Кремний имеет атомный номер 14 и распределение электронов 2, 8, 4. Он находится в третьем периоде, группе 14.

Алмаз, графит и их структуры

Образцы и схемы строения двух простых веществ углерода: алмаза и графита. Состав одинаков, пространственные связи различны.

Itub; составная иллюстрация из работ, указанных на странице файла · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0. Без изменений.

Модель молекулы углекислого газа

Молекула CO₂ линейна: две полярные связи расположены симметрично, поэтому их вклады в полярность компенсируются.

Ben Mills · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.

03

CO и CO₂ — разные вещества

В CO углерод имеет +2, в CO₂ — +4. Оксид углерода(II) в школьной классификации несолеобразующий, а CO₂ — кислотный. Оба газа бесцветны, поэтому внешнего вида недостаточно для различения состава воздуха.

ПризнакCOCO₂
Степень C+2+4
Класс оксидаНесолеобразующийКислотный
Окисление кислородомДо CO₂Обычного дальнейшего окисления C нет

CO токсичен и образуется, в частности, при неполном сгорании топлива. Его нельзя обнаруживать по запаху. CO₂ при обычных условиях не поддерживает горение большинства веществ, но это не универсальная химическая инертность: активные восстановители способны реагировать и с ним.

В CO углерод имеет +2, в CO₂ — +4. Оксид углерода(II) в школьной классификации несолеобразующий, а CO₂ — кислотный.

04

SiO₂ — сеть, а не отдельные молекулы

В кварце атомы связаны в пространственную структуру; формула SiO₂ задаёт отношение Si : O = 1 : 2. Прочные связи объясняют твёрдость и высокую температуру плавления. Структура отличается от молекулярного CO₂, хотя простейшие формулы похожи.

Наглядное объяснение

Похожая формула — разная архитектура

CO₂ И SiO₂

Похожая формула — разная архитектураOCOSiOSiOSiOSiOSiОтдельная молекулаФрагмент сети Si—O—SiCO₂Отдельные линейные молекулыГаз при обычных условияхКварц SiO₂Пространственная сетьсвязейТвёрдый материал с высокойтемпературой плавления

Кислотный характер SiO₂ не означает заметной реакции кварца с водой. Формула 1:2 не задаёт молекулярность.

Кислотный характер оксида не означает обязательной реакции с водой. SiO₂ с водой в обычных условиях не образует заметного количества кремниевой кислоты. Поэтому схему «любой кислотный оксид + вода» нужно проверять для конкретного вещества. Оксид CO — несолеобразующий и восстановитель, CO₂ — кислотный оксид. Кремний восстанавливают из SiO₂ углеродом при высокой температуре: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Сходство C и Si по четырём внешним электронам не делает их оксиды одинаковыми по строению: CO₂ молекулярный, SiO₂ обычно сетчатый. Поэтому SiO₂ твёрдый и не даёт кремниевую кислоту простым добавлением воды.

Подробности: понятия и примеры
Признак / объектЧто означаетПояснение
CO₂Молекулярное строениеГаз при обычных условиях
SiO₂Пространственная сетьТвёрдое вещество
Общий признакКислотные оксидыНе гарантирует одинаковых реакций с водой

В кварце атомы связаны в пространственную структуру; формула SiO₂ задаёт отношение Si : O = 1 : 2. Прочные связи объясняют твёрдость и высокую температуру плавления.

Соберём главное

Шесть выводов

01Атомная решётка представляет единую ковалентную сеть. Молекулярная решётка сохраняет отдельные молекулы вещества.
02Кремний имеет атомный номер 14 и распределение электронов 2, 8, 4. Он находится в третьем периоде, группе 14.
03В CO углерод имеет +2, в CO₂ — +4. Оксид углерода(II) в школьной классификации несолеобразующий, а CO₂ — кислотный.
04В кварце атомы связаны в пространственную структуру; формула SiO₂ задаёт отношение Si : O = 1 : 2. Прочные связи объясняют твёрдость и высокую температуру плавления.
05При плавлении молекулярного вещества обычно ослабляется межмолекулярный порядок, а сами молекулы сохраняются. Для разрушения атомной сети нужно нарушить много прочных связей.
06CO является несолеобразующим оксидом и восстановителем. CO₂ и SiO₂ относятся к кислотным оксидам, но различаются строением.
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
1. Алмаз и графит состоят из…
2. Почему алмаз твёрдый?
3. Почему графит расслаивается?
4. Какой оксид может получаться при недостатке O₂?
5. Степень C в CO₂?
6. Роль C при восстановлении CuO?
7. Почему SiO₂ отличается от CO₂ по состоянию и свойствам?
8. Восстановление SiO₂ углеродом при высокой T…
9. Какой оксид несолеобразующий?
10. Образуется ли кремниевая кислота простым добавлением воды к кварцу?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Химия, 11 класс», § 41. Материал переработан и дополнен разъяснениями; источник: 11 класс. Химия — § 41. Элементы IVA-группы. Углерод и кремний.pdf. Указаны условия реакций, единицы величин и границы применимости моделей. Числовые примеры решены по шагам.

Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.

OpenStax: Chemistry 2e
↑

Загрузка прогресса…