Лабораторная работа 27

Углерод, кремний

Цель работы: изучить химические свойства соединений углерода и кремния.

Задание: получить оксид углерода (IV) и исследовать его кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства; получить кремниевую кислоту и сравнить ее силу с угольной кислотой. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

Углерод и кремний находятся в главной подгруппе IV группы. Их атомы имеют на внешнем уровне 4 электрона (ns²np²), могут проявлять степени окисления от −4 до +4. Наиболее характерной степенью окисления является +4.

Углерод и кремний при обычных условиях весьма инертны, не растворяются в воде, разбавленных кислотах, вступают в реакцию только с очень энергичными окислителями. При нагревании химическая активность их повышается.

Углерод и кремний образуют оксиды СО, СО₂, SiO₂. Оксид углерода (II) СО – несолеобразующий оксид. При обычных условиях не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, является энергичным восстановителем.

Оксид углерода (IV) СO₂ – кислотный оксид, реагирует со щелочами, водой. В водном растворе оксида углерода (IV) устанавливается следующее равновесие:

CO₂ + H₂O H₂CO₃ H⁺ + НСO₃‾ 2H⁺ + CO₃²‾

Н₂СO₃ – слабая непрочная кислота, существует только в разбавленных растворах. Будучи двухосновной кислотой, угольная кислота образует два ряда солей – карбонаты и гидрокарбонаты. Из карбонатов в воде растворимы только карбонаты щелочных металлов и аммония, гидрокарбонаты растворимы почти все. Оксид углерода (IV) проявляет окислительные свойства при взаимодействии только с очень сильными восстановителями. Например, в его атмосфере горит магний, при этом СО₂ восстанавливается до СО или до свободного углерода. В лаборатории СO₂ получают в аппарате Киппа по реакции

СаСО₃ + 2HCl = СаСl₂ + СO₂ + Н₂O.

Оксид кремния (IV) SiO₂ по своему характеру является кислотным оксидом, химически устойчив. С водой SiO₂ непосредственно не соединяется. Соответствующая оксиду кремния кремниевая кислота Н₂SiO₃ может быть получена действием кислот на растворы ее солей. Кремниевая кислота малорастворима в воде. Осадок имеет вид бесцветного студня, причем состав его отвечает не простой формуле H₂SiO₃, а более общей nSiO₂∙mН₂О. Кремниевая кислота очень слабая, ее соли называются силикатами. Из силикатов растворимы только соли щелочных металлов Na₂ SiO₃ и K₂SiO₃, называемые растворимым стеклом. Их растворы подвергаются гидролизу и имеют щелочную реакцию:

2K₂SiO₃ + 2Н₂О = K₂Si₂O₅ + 2KOH.

Выполнение работы

Опыт 1. Растворение оксида углерода (IV) в воде

В пробирку налить 3–4 мл воды, добавить несколько капель синего лакмуса и пропустить в воду углекислый газ из аппарата Киппа.

Требование к результатам опыта

Написать уравнение реакции взаимодействия воды с СО₂ и объяснить изменение окраски лакмуса.

Опыт 2. Тушение огня оксидом углерода (IV) (групповой)

Сухой стакан наполнить СO₂ из аппарата Киппа. В фарфоровую чашку, налить 15–20 капель спирта и поджечь его. Затем "вылить" из стакана СO₂ на горящий спирт. Что наблюдается?

Опыт 3. Окислительные свойства оксида углерода (IV) (групповой)

Наполнить стакан СО₂. Взять щипцами ленту магния, поджечь ее на спиртовке и быстро внести в стакан с СО₂, не касаясь его стенок. По окончании горения магния в стакан налить немного воды, обмыть стенки стакана, прилить несколько капель фенолфталеина. Что наблюдается?

Требования к результатам опыта

1. Закончить уравнения реакций: Mg + CO₂ = …;

MgO + H₂O = ….

2. Сделать вывод об окислительных свойствах СО₂.

Опыт 4. Получение кремниевой кислоты

К 1–3 мл концентрированного раствора Na₂SiO₃ добавить 1–2 мл раствора HCl (1:1), перемешать стеклянной палочкой. В результате образования кремниевой кислоты содержимое пробирки застывает в виде прозрачного геля (студенистого осадка).

Требование к результатам опыта

Написать уравнение реакции получения кремниевой кислоты.

Опыт 5. Сравнение силы угольной и кремниевой кислот

Налить в пробирку 2–3 мл раствора Na₂SiО₃, пропустить ток СO₂. Объяснить наблюдаемое.

Требования к результатам опыта

1. Написать уравнение реакции взаимодействия Na₂SiО₃ с СO₂.

2. Сравнить константы диссоциации угольной и кремниевой кислот и сделать вывод, какая из кислот (угольная или кремниевая) более слабая.

Опыт 6. Гидролиз силикатов

В две пробирки налить по 1–2 мл раствора силиката натрия Na₂SiO₃. В одну прилить несколько капель фенолфталеина. Что наблюдается? В другую пробирку добавить 2–4 мл раствора хлорида аммония NH₄Cl. Определить, какой газ выделяется.

Требования к результатам опыта

1. Составить уравнение реакции гидролиза силиката натрия.

2. Закончить уравнение реакции Na₂SiO₃ + NH₄Cl + H₂O = … и объяснить образование газа.