Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff. Allgemeine Eigenschaften der Eigenschaften von Kohlenstoff und Silizium

Staatliche Bildungseinrichtung Allgemeinbildende Schule Nr. 89 des Bezirks Kalininsky in St. Petersburg
Chemielehrerin: Malinovskaya Yulia Vladislavovna
Zusammenfassung der Lektion zum Thema: „Die Stellung von Kohlenstoff und Silizium im Periodensystem der chemischen Elemente, eine vergleichende Beschreibung dieser Elemente. Allotropie von Kohlenstoff.
Klasse: Klasse 9
Ziel: schaffen Bedingungen für die Systematisierung und Vertiefung des Wissens der Schüler über die Struktur von Atomen, die Beziehung von Zusammensetzung - Struktur - Eigenschaften von Substanzen

Aufgaben:

Lehrreich:

• 
  Verallgemeinerung und Vertiefung des studentischen Wissens über den Aufbau von Atomen in Abhängigkeit von der Stellung im Periodensystem; Zusammenhänge von Zusammensetzung - Struktur - Stoffeigenschaften am Beispiel allotroper Kohlenstoffmodifikationen
• 
  Erweiterung des allgemeinen kulturellen Horizonts der Studierenden

Entwicklung:

• 
  Entwicklung von Fähigkeiten, um zu analysieren, zu vergleichen, Schlussfolgerungen zu ziehen, Beziehungen herzustellen

Lehrreich:

• 
  Offenlegung der Weltanschauungsidee über den Zusammenhang von Zusammensetzung, Struktur, Eigenschaften von Stoffen; Bildung einer intellektuell entwickelten Persönlichkeit; Förderung einer Kultur der Kommunikation

Unterrichtsart: für didaktische Zwecke - Verbesserung und Anwendung von Wissen; nach der Organisationsmethode - Anwendung von Wissen und Einarbeitung in neues Material
Verwendete Bildungstechnologien:

• 
  Informativ
• 
  Technologie der Aktualisierung persönlicher Erfahrung
• 
  Technologie der Orientierung an der kognitiven Entwicklung des Individuums

Formular durchführen: eine Kombination aus Konversation, unabhängiger Aktivität
Ausrüstung: Computer, Beamer, Computervorführung, Sammlung: „Kohlearten“, Proben von Kristallgittern aus Diamant und Graphit.
1 Stufe des Unterrichts

Organisatorisch. Bekanntgabe des Unterrichtsthemas.
Hallo! Heute werden wir in der Lektion über zwei chemische Elemente sprechen.

Die Namen dieser Elemente stammen von den lateinischen Wörtern carbo und lapis cremans. (Die Schüler verstehen sofort, dass wir über Kohlenstoff und Silizium sprechen werden.)

"Carbo" - "carboneum" - bedeutet "Kohle" - Kohlenstoff und "lapis kremans" - ein Stein, der Feuer gibt - Silizium.

Heute müssen wir in der Lektion eine vergleichende Beschreibung dieser Elemente geben, wobei wir zuvor erworbenes Wissen verwenden.

In Hefte notieren die Schüler das Unterrichtsthema: „Vergleichende Eigenschaften der Elemente Kohlenstoff und Silizium“.

Vergleichen bedeutet zunächst, die Vergleichskriterien auszuwählen. Bitte teilen Sie uns mit, welche Kriterien wir Ihrer Meinung nach vergleichen sollten. Die Schüler antworten: Position in PS, Atomstruktur, Wertigkeitsmöglichkeiten, Oxidationsstufen usw.

2-stufiger Unterricht

Anhand des Wissens über die Struktur von Atomen und die Eigenschaften von Elementen nach Position im PS füllen die Schüler selbstständig eine Vergleichstabelle Nr. 1 aus.

Tabelle Nr. 1. Vergleichende Eigenschaften der Elemente Kohlenstoff und Silizium

Vergleichskriterien	AUS Kohlenstoff	Si Silizium
Vorschriften in PS	2. Stunde, IV. Gruppe, Hauptuntergruppe (A)	3. Stunde, IV. Gruppe, Hauptuntergruppe (A)
Die Struktur der Atome	Z i = +6, p = 6, e = 6, n = 12 – 6 = 6, äußeres e = 4	Z i = +14, p = 14, e = 14, n = 28–14 = 14, externes e = 4
Elektronische Konfiguration von Atomen	1s 2 2s 2 2p 2	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Valenzmöglichkeiten	II im stationären Zustand IV im angeregten Zustand
Mögliche Oxidationsstufen	-4 bis +4 CH4, C2H6, C2H4, CaC2, C, C 2 F 2, CO, C 2 F 6, CO 2	-4, 0, +2, +4 Mg 2 Si, Si, SiO, SiO 2
Atomradius	steigt
Elektronegativität (auf der Pauling-Skala)	2,5	1,9
Formel des höheren Oxids, sein Charakter, Name	CO 2 - sauer, Kohlenmonoxid (IV), Kohlendioxid, Kohlendioxid	SiO 2 - Säure, Siliziumoxid (IV)
Formel des höheren Hydroxids, sein Charakter, Name	H 2 CO 3 - schwache instabile Säure (CO 2 + H 2 O), Salze - Carbonate	H 2 SiO 3 ist eine schwache Säure, hat eine Polymerstruktur (SiO 2 nH 2 O), Salze sind Silikate
Wasserstoffverbindung	CH 4 - Methan	SiH 4 - Silan (instabil)
In der Natur	Wesentliches Element der organischen Substanz	Das häufigste (nach Sauerstoff) Element der Erdkruste

Am Ende der selbstständigen Arbeit zum Ausfüllen der Tabelle füllt jeder zusammen mit der Lehrkraft eine zuvor an die Tafel geschriebene Tabelle aus. Während des gemeinsamen Füllens sprechen die Schüler zusammen mit dem Lehrer einige Merkmale der Elemente aus, auf die geachtet werden muss:

1. 
   In fast allen ihren Verbindungen sind Kohlenstoff und Silizium vierwertig, d.h. die Atome dieser Elemente befinden sich in einem angeregten Zustand. Der Lehrer (Schüler) zeigt dies an der Tafel:

1. 
   Die Vielfalt der Oxidationsstufen von Kohlenstoffatomen ist auf die Existenz organischer Verbindungen zurückzuführen; in anorganischen Substanzen sind die charakteristischsten Oxidationsstufen: -4, 0, +2, +4
2. 
   Ein charakteristischer Unterschied zwischen Kohlenstoff und Silizium ist die Fähigkeit von Kohlenstoff zur Kettenbildung. Kohlenstoffatome, die sich miteinander verbinden, bilden stabile Verbindungen, ähnliche Siliziumverbindungen sind instabil.

3-stufiger Unterricht

Von den Eigenschaften chemischer Elemente bis hin zu einfachen Substanzen.
Arbeit mit Computerpräsentation.

Allotropie ist charakteristisch für Kohlenstoffatome. Die Schüler erinnern sich an die Definition des Begriffs "Allotropie". Der Lehrer fragt: "Welche der zuvor bestandenen chemischen Elemente haben allotrope Modifikationen?".

Schüler nennen Beispiele: das Element Sauerstoff (O) - O 2 - Sauerstoff, O 3 - Ozon; elementschwefel (S) - kristalliner und plastischer Schwefel.
Als nächstes fragt der Lehrer die Schüler, ob sie allotrope Modifikationen von Kohlenstoff kennen.

Kohlenstoff existiert in Form der folgenden einfachen Substanzen: Diamant, Graphit, Karabiner, Fulleren. Kohle, Ruß können als Graphitsorten betrachtet werden.

Interessant ist Kohle.

Sogar der Urmensch kannte ihn: Er fand ihn an den Orten der Feuersbrünste und nach den Feuern, die er machte. Holzkohle hat eine hohe Porosität und sinkt nicht. 1785 verschüttete der Chemiker Toviy Lovitz versehentlich Weinsäure (braun gefärbt aufgrund von Verunreinigungen) auf einer Mischung aus Sand und Kohle. Lovitz sammelte die verschüttete Lösung, filterte sie von Sand und Kohle. Im Filter verbleibt eine farblose Substanz. Es stellte sich heraus, dass die Kohle die in der Weinsäure enthaltenen Verunreinigungen aufnahm. So wurde ein Phänomen namens Adsorption entdeckt.

Adsorption- die Eigenschaft von Kohle und anderen Feststoffen, Gase und gelöste Stoffe an ihrer Oberfläche festzuhalten. Stoffe, an deren Oberfläche Adsorption stattfindet, nennt man Adsorptionsmittel.

Die Adsorption von Kohle wird durch ihre Porosität bestimmt. Je mehr Poren, desto besser ist die Sorptionskapazität der Kohle. Aber normalerweise sind die Poren von Kohle mit verschiedenen Substanzen gefüllt. Zur Reinigung wird Kohle in einem Wasserdampfstrahl erhitzt. Eine solche Kohle mit gereinigten Poren wird als Aktivkohle bezeichnet.

Während des Ersten Weltkriegs fand das Phänomen der Adsorption Anwendung im Kampf gegen chemische Kampfstoffe. Chlor (ein erstickendes Gas) wurde 1915 an der Westfront in der Nähe der Stadt Ypern gegen die anglo-französischen Truppen eingesetzt. Der Chlorangriff machte eine ganze Division handlungsunfähig (15.000 Mann wurden außer Gefecht gesetzt, 5.000 wurden getötet).

Der russische Professor Nikolai Zelinsky (später Akademiker) erfand und testete im Juli 1915 eine Gasmaske, die auf der Grundlage des Adsorptionsphänomens funktionierte.

Silizium bildet eine einfache Substanz - kristallines Silizium. Es gibt auch amorphes Silizium - ein weißes Pulver.
Dann hält der Lehrer an und gibt die physikalischen Eigenschaften jeder einfachen Substanz an, die aus Kohlenstoffatomen besteht (Folien).

Der Lehrer macht die Schüler darauf aufmerksam, dass Diamant und Graphit, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, so unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben. Wieso den? (Nicht immer können Schüler diese Frage beantworten). Der Lehrer macht auf die unterschiedliche Struktur der Kristallgitter von Diamant und Graphit aufmerksam.

In einem Diamantkristall bildet jedes Kohlenstoffatom vier starke kovalente Bindungen, sie sind auf die Eckpunkte des Tetraeders gerichtet, alle Abstände zwischen den Atomen sind gleich. In Graphit ist der Abstand zwischen Atomen in einer Schicht viel kleiner als der Abstand zwischen Schichten (Proben von Kristallgittern).

4. Stufe des Unterrichts
Ziel ist es, den allgemeinen kulturellen Horizont der Studierenden zu erweitern, interdisziplinäre Verbindungen zwischen Chemie und Geschichte herzustellen.

In der vorangegangenen Stunde bat der Lehrer die Schüler als Hausaufgabe, interessante Fakten über die Geschichte des Diamanten zu finden und eine Rede mit einer Computerpräsentation vorzubereiten.

Wenn es Schüler gibt, die die Aufgabe erledigt haben, erteilt der Lehrer ihnen das Wort, wenn nicht, dann sagt er es selbst und zeigt seine Präsentation.

Lektion Stufe 5

Zusammenfassend. Betrachtung.
Die Schüler beantworten die Fragen:

Welche neuen Konzepte wurden im Unterricht gelernt?

Welche Fragen verursachten Probleme? Usw.

Der Lehrer benotet diejenigen Schüler, die während des Unterrichts gute und ausgezeichnete Kenntnisse gezeigt haben, waren aktiv.

Referenzliste:

1. 
   Levkin A. N. Allgemeine und Anorganische Chemie: Prüfungsmaterialien. - St. Petersburg: "Parität", 2003 - 240 S.
2. 
   Malinovskaya Yu.V. Chemie. 6. Klasse / Propädeutikum. - St. Petersburg: LLP-Firma "Ikar", 2002, - 76 p.
3. 
   Taube P.R., Rudenko E.I. Von Wasserstoff zu Nobelium? - M.: Zustand. Verlag "Higher School", 1961 - 330 p.
4. 
   Chemie: Ein Lehrbuch für die allgemeine Bildung der 9. Klasse. Student / Rudzitis G.E., Feldman F.G. – 11. Aufl. Pro. - M.: Aufklärung, 2010

Kohlenstoff in seinen Verbindungen weist die Valenz II und IV auf. Der zweiwertige Kohlenstoff befindet sich in seiner elektronischen Grundkonfiguration und der IV-wertige in der angeregten Konfiguration. Beim Übergang in einen angeregten Zustand nimmt ein Elektron aus dem 2s-Orbital einen freien Platz im 2p-Orbital ein. Wenn eine chemische Bindung gebildet wird, hybridisieren Elektronenwolken. Kohlenstoff kann Oxidationsstufen von -4 bis +4 aufweisen. Anorganische Kohlenstoffverbindungen umfassen seine Oxide, Kohlensäure, seine Salze - Carbonate und Bicarbonate und Carbide.

In anorganischen Verbindungen weist Kohlenstoff eine Oxidationsstufe von +4, +2 und mehrere negative Oxidationsstufen in Carbiden auf. Eines der Merkmale von Kohlenstoffatomen ist ihre Fähigkeit, Ketten von unbegrenzter Länge zu bilden. Aus diesem Grund gibt es eine Vielzahl organischer Verbindungen.

Allotropie von Kohlenstoff

Für den Kohlenstoff einer einfachen Substanz charakteristische Allotropie. Die Frage der Allotropie des Kohlenstoffs ist sehr umstritten, da immer mehr neue allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs entdeckt werden. Kohle und Ruß gelten nicht mehr als allotrope Modifikation des Kohlenstoffs, da sie keine eindeutige Molekülstruktur aufweisen. Schauen wir uns Graphit und Diamant genauer an. Reis. 2-5. Diese Substanzen unterscheiden sich nicht nur im Aussehen, sondern auch in ihren Eigenschaften. Der Grund für den Unterschied zwischen Diamant und Graphit ist der Unterschied in den Kristallgittern dieser Substanzen.

im Kristall Diamant jedes Kohlenstoffatom befindet sich in sp3-Hybridisierung und bildet 4 äquivalente "Sigma"-σ-Bindungen mit Kohlenstoffatomen. Diese Bindungen sind auf die Ecken des Tetraeders gerichtet. Die Symmetrie und Stärke der C-C-Bindung in einem Diamantkristall bestimmt seine außergewöhnliche Stärke und das Fehlen elektronischer Leitfähigkeit.

im Kristall Graphit jedes Kohlenstoffatom befindet sich in sp2-Hybridisierung und bildet 3 äquivalente σ-Bindungen mit benachbarten Kohlenstoffatomen in derselben Ebene unter einem Winkel von 1200. In dieser Ebene wird eine Schicht aus sechsgliedrigen Ringen gebildet. Außerdem hat jedes Kohlenstoffatom ein ungepaartes Elektron, das sich in einem nicht hybridisierten p-Orbital senkrecht zur Schichtebene befindet. Diese Elektronen bilden ein gemeinsames System von π-Bindungen. Die Bindung zwischen den Schichten beruht auf relativ schwachen zwischenmolekularen Kräften. Und diese Bindungen zwischen den Schichten sind viel weniger stark als die Bindungen zwischen Atomen innerhalb der Schicht. Dies bestimmt die Fähigkeit von Graphit, sich leicht abzulösen, seine Weichheit, seinen metallischen Glanz, seine elektrische Leitfähigkeit und seine größere chemische Aktivität im Vergleich zu Diamant.

Sie können Übergänge zwischen verschiedenen allotropen Modifikationen von Kohlenstoff vornehmen. Graphit bei einer Temperatur von etwa 20.000 ° C und einem enormen Druck von bis zu 50.000 atm. unter Einwirkung eines Nickelkatalysators kann es sich teilweise in Diamant umwandeln. Solche Diamanten sind nur für technische Zwecke geeignet, da sie sehr klein sind und viele Verunreinigungen und Defekte enthalten.

Reaktive Modifikationen von Kohlenstoff sind Kohle und Ruß. Kohlenstoff ist durch Redox-Dualität gekennzeichnet.

Kohlenstoff ist ein Reduktionsmittel

С + О2СО2 (6000С - 7000С)

2C + O2CO (mehr als 10000C)

C(Koks) + CuO Cu + CO

2C(Koks) + SnO2 Sn + 2CO

C + H2O ⇄ CO + H2

Beim Erhitzen reagiert Kohlenstoff mit konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure.

C + 2H2SO4 CO2 + 2SO2 + 2H2O

C + 4HNO3 CO2 + 4NO2 + 2H2O

Kohlenstoff - Oxidationsmittel

C + H2CH4 (10 MPa)

С + Si SiC (10000С - 12000С) (Siliziumkarbid oder Karborund)

Bildung von Karbiden

Bei hohen Temperaturen interagiert Kohle mit Metallen und bildet Karbide.

2C + Ca CaC2 (Acetylenid)

3С + 4Al Al4C3 (Methanid)

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

Al4C3 + 12Н2О = 4Al(OH)3 + 3CH4

Kohlenmonoxid (II)

Dies ist eine molekulare Substanz. Die Bindung ist kovalent polar - dreifach. Zwei gemeinsame Elektronenpaare werden nach dem Austauschmechanismus und das dritte nach dem Donor-Akzeptor-Mechanismus gebildet. CO-Moleküle enthalten ein aktives einsames Elektronenpaar. Reis. 6. Sie kann als Donor dieses Elektronenpaares fungieren. Daher kann Kohlenmonoxid (II) aktiv mit Metallen interagieren.

Fe + 5CO Fe(CO)5 Eisencarbonyl.

Metallcarbonyle sind komplexe anorganische Verbindungen. Beispielsweise zersetzen sich Carbonyle beim Erhitzen leicht, und somit können hochreine Metalle erhalten werden. Sie sind auch wegen ihrer chemischen Eigenschaften interessant.

Unter normalen Bedingungen Kohlenmonoxid(II) Es ist ein Gas, farb- und geruchlos, schwer löslich in Wasser. Kohlenmonoxid ist hochgiftig. Die Größe eines CO-Moleküls kommt der Größe eines Sauerstoffmoleküls nahe, sodass es mit Hämoglobin wechselwirken kann, um Carboxyhämoglobin zu bilden. Und ein solcher Komplex kann keinen Sauerstoff mehr transportieren, was dazu führt, dass der Sauerstofftransport im Blut gestört ist.

Kohlenmonoxid (II) ist nicht salzbildendes Oxid. Unter normalen Bedingungen reagiert es weder mit Säuren noch mit Basen. Aber wenn es erhitzt und unter Druck steht, kann es reagieren mit Alkali.

CO + KOH ⇆ NCOOK (Kaliumformiat)

Kohlenmonoxid hat ausgeprägte reduzierende Eigenschaften. Die reduzierenden Eigenschaften sind noch ausgeprägter als die von Wasserstoff. Beim Erhitzen ist es in der Lage, Metalle aus ihren Oxiden wiederherzustellen. Dies ist die Grundlage für die Verhüttung von Roheisen aus Eisenerzen in Hochöfen.

Fe2O3 + 3CO Fe + 3CO2

CO + O2 = CO2 (700°C)

Gewinnung im Labor

Kohlendioxid und Kohlensäure

Kohlendioxid CO2 ist eine molekulare Substanz. Unter normalen Bedingungen ist es ein farb- und geruchloses Gas, viel schwerer als Luft und in Wasser schlecht löslich. Bei t=-780C sublimiert festes Kohlendioxid. Dies ist die Grundlage für den Einsatz als komfortables Kältemittel. Es heißt „Trockeneis“.

Chemische Eigenschaften von Kohlenmonoxid ( IV )

Kohlendioxid CO2 ist ein saures Oxid. Aber nur ein kleiner Teil davon, weniger als 1 %, reagiert mit Wasser zu Kohlensäure.

CO2 + H2O → H2CO3

Kohlenmonoxid (IV) interagiert mit Alkalien unter Bildung von Carbonaten oder Bicarbonaten.

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

CO2 + NaOH = NaHCO3

Interagiert mit basischen Oxiden unter Bildung von Salzen.

MgO + CO2 = MgCO3

CO2 hat keine oxidierenden Eigenschaften. Einer der wenigen Fälle, in denen es oxidierende Eigenschaften aufweist, ist, wenn brennendes Magnesium in Kohlendioxid weiterbrennt.

CO2 + 2Mg 2MgO + C

Qualitative Reaktion zu Kohlendioxid ist die Trübung von Kalkwasser durch die Bildung von unlöslichen Karbonaten.

Сa(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ H2O, aber wenn ein Überschuss an Kohlendioxid durchgeleitet wird, verwandelt sich das Carbonat in ein lösliches Kohlenwasserstoffat und der Niederschlag verschwindet.

CaCO3↓+ CO2+ H2O = Сa(HCO3)2

Gewinnung von CO2 im Labor

Kreide oder Marmor wird durch starke Säuren angegriffen.

CaCO3↓+2HCl = CO2+ H2O+ CaCl2

Kohlensäuresalze - Carbonate und Bicarbonate

Kohlensäuresalze - Carbonate und Bicarbonate - Substanzen mit ionischer Struktur, weiß, wenn das Metallion nicht gefärbt ist. Lösliche Carbonate werden in wässrigen Lösungen unter Bildung eines alkalischen Mediums anionisch hydrolysiert.

Na2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOH

Im Alltag wird bei der Teigzubereitung oft eine Soda-Löschreaktion durchgeführt:

NaHCO3 + CH3COOH = CH3COONa + CO2 + H2O

Carbonate zersetzen sich beim Erhitzen

CaCO3↓ CaO + CO2

Verschiedene Carbonate kommen natürlich vor und haben triviale Namen. Siehe Abb. 7. Viele Carbonate sind von großer praktischer Bedeutung.

Soda verwendet bei der Herstellung von Glas, Seife, Waschmitteln, Farbstoffen, für die Verarbeitung von Erzen bei der Herstellung bestimmter Metalle.

Soda trinken weit verbreitet in der Lebensmittelindustrie, Medizin, Alltag. Trinksoda inklusive in Zubereitungen für Feuerlöscher.

Pottasche verwendet bei der Herstellung von Glas, Seife, Fotografie.

Kalziumkarbonat ist der Hauptbestandteil natürlicher Materialien: Kalkstein, Kreide und Marmor. Diese Stoffe werden im Bauwesen verwendet. Kalkstein wird auf den Boden aufgetragen, um seinen Säuregehalt zu reduzieren und seine Struktur zu verbessern.

Quellen

http://www.youtube.com/watch?t=5&v=N4MlI_xeUis

http://www.youtube.com/watch?t=12&v=CRi0G8RM9lY

Präsentationsquelle - http://ppt4web.ru/khimija/uglerod.html

Zusammenfassung http://interneturok.ru/ru/school/chemistry/11-klasse

Kohlenstoff ist in der Lage, mehrere allotrope Modifikationen zu bilden. Dies sind Diamant (die trägeste allotrope Modifikation), Graphit, Fulleren und Karabiner.

Holzkohle und Ruß sind amorpher Kohlenstoff. Kohlenstoff hat in diesem Zustand keine geordnete Struktur und besteht tatsächlich aus kleinsten Fragmenten von Graphitschichten. Mit heißem Wasserdampf behandelter amorpher Kohlenstoff wird als Aktivkohle bezeichnet. 1 Gramm Aktivkohle hat aufgrund der vielen Poren darin eine Gesamtoberfläche von mehr als dreihundert Quadratmetern! Aufgrund ihrer Fähigkeit, verschiedene Substanzen zu absorbieren, wird Aktivkohle häufig als Filterfüllstoff sowie als Enterosorbens für verschiedene Arten von Vergiftungen verwendet.

Aus chemischer Sicht ist amorpher Kohlenstoff seine aktivste Form, Graphit zeigt eine mittlere Aktivität und Diamant ist eine äußerst inerte Substanz. Aus diesem Grund sind die im Folgenden betrachteten chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff in erster Linie dem amorphen Kohlenstoff zuzuordnen.

Reduzierende Eigenschaften von Kohlenstoff

Als Reduktionsmittel reagiert Kohlenstoff mit Nichtmetallen wie Sauerstoff, Halogenen und Schwefel.

Je nach Sauerstoffüberschuss oder -mangel bei der Verbrennung von Kohle ist die Bildung von Kohlenmonoxid CO oder Kohlendioxid CO 2 möglich:

Wenn Kohlenstoff mit Fluor reagiert, entsteht Tetrafluorkohlenstoff:

Beim Erhitzen von Kohlenstoff mit Schwefel entsteht Schwefelkohlenstoff CS 2:

Kohlenstoff ist in der Lage, Metalle nach Aluminium in der Aktivitätsreihe aus ihren Oxiden zu reduzieren. Zum Beispiel:

Kohlenstoff reagiert auch mit Oxiden aktiver Metalle, jedoch wird in diesem Fall in der Regel nicht die Reduktion des Metalls beobachtet, sondern die Bildung seines Carbids:

Wechselwirkung von Kohlenstoff mit Nichtmetalloxiden

Kohlenstoff geht mit Kohlendioxid CO 2 eine Coproportionierungsreaktion ein:

Eines der wichtigsten Verfahren aus industrieller Sicht ist das sog Dampfreformierung von Kohle. Der Prozess wird durchgeführt, indem Wasserdampf durch heiße Kohle geleitet wird. Dabei findet folgende Reaktion statt:

Bei hohen Temperaturen ist Kohlenstoff in der Lage, selbst eine so inerte Verbindung wie Siliziumdioxid zu reduzieren. Dabei ist je nach Bedingungen die Bildung von Silizium oder Siliziumkarbid möglich ( Karborund):

Außerdem reagiert Kohlenstoff als Reduktionsmittel mit oxidierenden Säuren, insbesondere konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure:

Oxidierende Eigenschaften von Kohlenstoff

Das chemische Element Kohlenstoff ist nicht stark elektronegativ, sodass die einfachen Substanzen, die es bildet, selten oxidierende Eigenschaften gegenüber anderen Nichtmetallen aufweisen.

Ein Beispiel für solche Reaktionen ist die Wechselwirkung von amorphem Kohlenstoff mit Wasserstoff beim Erhitzen in Gegenwart eines Katalysators:

sowie mit Silizium bei einer Temperatur von 1200-1300 über C:

Kohlenstoff weist gegenüber Metallen oxidierende Eigenschaften auf. Kohlenstoff kann mit aktiven Metallen und einigen Metallen mit mittlerer Aktivität reagieren. Beim Erhitzen laufen Reaktionen ab:

Aktive Metallkarbide werden durch Wasser hydrolysiert: sowie Lösungen nicht oxidierender Säuren: Dabei entstehen Kohlenwasserstoffe, die Kohlenstoff in der gleichen Oxidationsstufe wie im ursprünglichen Carbid enthalten.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Silizium kann ebenso wie Kohlenstoff im kristallinen und amorphen Zustand vorliegen, und ebenso wie Kohlenstoff ist amorphes Silizium chemisch wesentlich aktiver als kristallines Silizium.

Manchmal wird amorphes und kristallines Silizium als seine allotropen Modifikationen bezeichnet, was streng genommen nicht ganz richtig ist. Amorphes Silizium ist im Wesentlichen ein Konglomerat kleinster Teilchen aus kristallinem Silizium, die willkürlich zueinander angeordnet sind.

Wechselwirkung von Silizium mit einfachen Substanzen

Nichtmetalle

Unter normalen Bedingungen reagiert Silizium aufgrund seiner Trägheit nur mit Fluor:

Silizium reagiert nur beim Erhitzen mit Chlor, Brom und Jod. Charakteristisch ist, dass je nach Aktivität des Halogens eine entsprechend unterschiedliche Temperatur benötigt wird:

Mit Chlor läuft die Reaktion also bei 340-420 o C ab:

Mit Brom - 620-700 o C:

Mit Jod - 750-810 o C:

Die Reaktion von Silizium mit Sauerstoff läuft ab, erfordert jedoch eine sehr starke Erwärmung (1200-1300 ° C), da ein starker Oxidfilm die Wechselwirkung erschwert:

Bei einer Temperatur von 1200-1500 ° C interagiert Silizium langsam mit Kohlenstoff in Form von Graphit, um Carborundum SiC zu bilden - eine Substanz mit einem Atomkristallgitter, das Diamant ähnelt und ihm in seiner Festigkeit fast nicht unterlegen ist:

Silizium reagiert nicht mit Wasserstoff.

Metalle

Aufgrund seiner geringen Elektronegativität kann Silizium nur gegenüber Metallen oxidierende Eigenschaften aufweisen. Von den Metallen reagiert Silizium mit aktiven (Alkali- und Erdalkalimetallen) sowie vielen Metallen mittlerer Aktivität. Als Ergebnis dieser Wechselwirkung werden Silizide gebildet:

Wechselwirkung von Silizium mit komplexen Stoffen

Silizium reagiert auch beim Kochen nicht mit Wasser, jedoch interagiert amorphes Silizium mit überhitztem Wasserdampf bei einer Temperatur von etwa 400-500 ° C. In diesem Fall werden Wasserstoff und Siliziumdioxid gebildet:

Von allen Säuren reagiert Silizium (im amorphen Zustand) nur mit konzentrierter Flusssäure:

Silizium löst sich in konzentrierten Alkalilösungen. Die Reaktion wird von der Entwicklung von Wasserstoff begleitet.

Ein kurzer Unterrichtsplan in Chemie zum Thema "Die Position von Kohlenstoff und Silizium in PSCE, die Struktur ihrer Atome. Kohlenstoff, Allotropie, physikalische und chemische Eigenschaften" für die 9. Klasse, die nach den Lehrmaterialien von Rudzitis lernt, im Umfang von 2 Stunden pro Woche.

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Vorschau:

Lektion 27

Die Position von Kohlenstoff und Silizium in PSCE, die Struktur ihrer Atome. Kohlenstoff, Allotropie, physikalische und chemische Eigenschaften

Unterrichtsziele:

1. Charakterisieren Sie die Position von Kohlenstoff und Silizium in PSCE, die Struktur ihrer Atome, charakterisieren Sie die allotropen Modifikationen von Kohlenstoff, seine physikalischen und chemischen Eigenschaften(subjektives Ergebnis).

2. Ideenfindungsfähigkeit weiterentwickeln, kausale Zusammenhänge erkennen, Analogien suchen und im Team arbeiten, alternative Informationsquellen nutzen(Metasubjektergebnis).

3. Bildung von Fähigkeiten zur Verwaltung ihrer Bildungsaktivitäten, Vorbereitung auf das Bewusstsein für die Wahl des weiteren Bildungswegs(persönliches Ergebnis).

Während des Unterrichts

1. Vorbereitung auf die Wahrnehmung von neuem Material (10 min)

Schüler für Hausaufgaben befragen.

1. Neues Material lernen (20 min)

Kohlenstoff und Silizium gehören zur Gruppe IV der Hauptnebengruppe des Periodensystems. Elektronische und elektronisch-grafische Formel. Wertigkeit, Oxidationsstufen.

Allotropie von Kohlenstoff: Diamant, Graphit, Karabiner, Fulleren.

Demonstration "Kristallgitter aus Diamant und Graphit", "Kennenlernen verschiedener Brennstoffarten".

Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff:

I. Bei einfachen Stoffen:

1. Verbrennung von Kohlenstoff: a) 2C + O 2 (ungenügend) \u003d 2 CO, b) C + O 2 (Bsp.) \u003d CO 2

2. Bei Nichtmetallen: a) C + 2F 2 \u003d CF 4, b) C + S \u003d CS 2, c) C + H 2 \u003d CH 4

3. Bei Metallen: a) Ca + 2C = CaC 2, b) 4Fe + 3C = Al 4 C 3

II. Bei komplexen Stoffen:

1. Stellt Me aus ihren Oxiden wieder her: 2СuO + C = 2Cu + CO 2

2. Mit Dampf: C + H 2 O \u003d CO + H 2 (über 1200 0 C)

C + 2H 2 O \u003d CO 2 + 2H 2 (ca. 1000 0 C)

Thema - 20: Untergruppe des Kohlenstoffs. Die Stellung des Kohlenstoffs im Periodensystem. Allotropie von Kohlenstoff.

Der Schüler muss:

Kennt:

· Strukturmerkmale der Atomuntergruppe des Kohlenstoffs.

· Eigenschaften, Zusammensetzung, Herstellung und Anwendungen der wichtigsten chemischen Verbindungen.

In der Lage sein:

· Beschreiben Sie die allgemeinen Eigenschaften der Kohlenstoffuntergruppe.

Schreiben Sie chemische Formeln für Wasserstoff- und Sauerstoffverbindungen.

· Chemische Experimente durchführen, die die Eigenschaften der untersuchten Nichtmetalle bestätigen.

20.1. Allgemeine Eigenschaften von Nichtmetallen (IV)Gruppen

Die Hauptuntergruppe der Gruppe IV bilden die Elemente Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (schn), und führen(Pb).

Die elektronische Konfiguration der äußeren elektronischen Schicht besteht aus Atomen der Elemente dieser Untergruppe ns2 np2 . BEI im Grundzustand (ungeregt) gibt es zwei ungepaarte Elektronen auf der p-Unterebene, die die allen Elementen gemeinsame Valenz gleich (II) bestimmen. Wenn Atome in einen angeregten Zustand übergehen, steigt die Anzahl der ungepaarten Elektronen auf vier, sodass eine weitere charakteristische Wertigkeit IV ist.

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Kohlenstoff und Silizium zeigen sich in verschiedenen Verbindungen sowohl positiv als auch und negative Oxidationsstufen. Die Metalle Ge, Sn, Pb weisen in allen Verbindungen positive Oxidationsstufen auf, mit Ausnahme der Wasserstoffverbindungen GeH4, SnH4 und PbH4, die sehr instabil sind.

Von der gesamten Untergruppe bildet nur Kohlenstoff eine stabile Wasserstoffverbindung CH4.

Elemente der Hauptuntergruppe der Gruppe IV bilden höhere Oxide vom Typ R02 und niedere Oxide vom Typ RO. Die Natur dieser Oxide ist unterschiedlich:

20.2.Kohlenstoff

Die elektronische Formel des Kohlenstoffatoms ist ls22s22p2. Elektronisch - grafische Formel der Außenschicht:

Mögliche Valenzen: II, IV. Mögliche Oxidationsstufen: -4, 0, +2, +4.

In den meisten seiner Verbindungen hat Kohlenstoff WertigkeitIVund Oxidationsstufe +4.

Da Kohlenstoff eine hohe Ionisierungsenergie und eine geringe Elektronenaffinität aufweist, ist er nicht durch die Bildung von ionischen Bindungen gekennzeichnet. Typischerweise bildet Kohlenstoff kovalente Bindungen mit niedriger Polarität.

Eine Besonderheit von Kohlenstoff ist die Fähigkeit seiner Atome, sich miteinander zu verbinden und zu bilden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Ketten: linear, verzweigt und zyklisch:

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Graphit- weiche dunkelgraue Substanz mit metallischem Glanz. Das Kristallgitter hat einen Schichtaufbau (Abb. 15).

In der Ebene einer Schicht sind Kohlenstoffatome durch starke kovalente Bindungen miteinander durch starke kovalente Bindungen verbunden und bilden sechsgliedrige Ringe. Getrennte Graphitschichten, die aus einer unendlichen Anzahl solcher Ringe bestehen, sind relativ schwach miteinander verbunden. Der Abstand zwischen Schichten in einem Graphitkristall ist 2,5-mal größer als der Abstand zwischen benachbarten Atomen in derselben Ebene.

Mit anderen Worten, jedes Kohlenstoffatom im Graphitkristallgitter bildet 3 starke kovalente Bindungen mit Kohlenstoffatomen in derselben Schicht, was drei Valenzelektronen verbraucht. Das vierte Elektron ist relativ frei. Diese freien Elektronen sind an der Bildung von Bindungen zwischen den Schichten beteiligt, indem sie von allen Atomen des Kristalls in Form einer metallischen Bindung sozialisiert werden. Somit kann das Kristallgitter von Graphit als Übergang zwischen Atom- und Metallgitter angesehen werden. Dies erklärt die relativ hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Graphit.

Mit einigen Vorbehalten (aufgrund des Vorhandenseins von Verunreinigungen) zu Allotrope Modifikationen von Kohlenstoff können auch den sogenannten zugeordnet werden amorpher Kohlenstoff, deren wichtigste Vertreter sind Ruß, Cola und Kohle . Aus Holzkohle durch Behandlung mit überhitztem Dampf bei hoher Temperatur, Aktivkohle.

Eine weitere allotrope Modifikation des Kohlenstoffs wird künstlich gewonnen - Karabiner. Das ist ein Schwarzpulver. Mit Einschlüsse größerer Partikel. In Karabinern sind Kohlenstoffatome in langen linearen Ketten von zwei Arten miteinander verbunden: Mit abwechselnd Dreifach- und Einfachbindungen ... - C \u003d C-C \u003d C - C \u003d C- ... und mit einem kontinuierlichen System von Doppelbindungen ... \u003d C \u003d C \u003d C \u003d C \u003d ... Karabiner kommen in der Natur vor.

20.2.2. Chemische Eigenschaften von Kohlenstoff

Bei normalen Temperaturen zeigt Kohlenstoff wenig chemische Aktivität. Beim Erhitzen steigt die Reaktivität, insbesondere bei Graphit und amorphem Kohlenstoff.

Mit 4 Elektronen auf der äußeren Elektronenschicht können Kohlenstoffatome sie abgeben, während sie angezeigt werden restaurative Eigenschaften:

C0- 4 → C+4

AUS Andererseits können Kohlenstoffatome die fehlenden 4 Elektronen bis zum Oktett aufnehmen, während sie zeigen oxidierende Eigenschaften:

C0 + 4e→ C-4.

Da Kohlenstoff eine geringe Elektronegativität (im Vergleich zu Mit Halogene, Sauerstoff, Stickstoff und andere aktive Nichtmetalle), dann sind seine oxidierenden Eigenschaften viel weniger ausgeprägt.

1. Kohlenstoff als Reduktionsmittel

Beim Interagieren Mit einfache Substanzen, die von elektronegativeren Nichtmetallen gebildet werden, Kohlenstoff hat reduzierende Eigenschaften.

a) Vorgewärmte Kohle brennt an der Luft
Mit setzen eine große Menge Wärme frei und bilden ein Oxid
Kohlenstoff (CO2) oder Kohlendioxid:

C+02 = CO2 + Q (T° = -394 kJ/mol).

Bei Sauerstoffmangel entsteht Kohlenmonoxid (II) oder Kohlenmonoxid CO:

2С + 02 → 2СО.

b) Heißer Kohlenstoff wechselwirkt Mit Grau und sie
in Dämpfen unter Bildung von Schwefeldisulfid CS2 (Kohlenstoffdisulfid):

C + 2S = CS2 - Q (dies ist eine endotherme Reaktion)

Schwefelkohlenstoff ist eine flüchtige (Siedetemperatur = 46 °C), farblose Flüssigkeit mit charakteristischem Geruch; ist ein hervorragendes Lösungsmittel für Fette, Öle, Harze etc.

c) Von den Halogenen reagiert Kohlenstoff am leichtesten
mit Fluor:

C + 2F2 = CF4-Tetrafluorkohlenstoff

d) Kohlenstoff interagiert nicht direkt mit Stickstoff.
Kohlenstoff wirkt als Reduktionsmittel gegenüber komplexen Stoffen:

a) wenn Wasserdampf durch eine Glühlampe geleitet wird
Kohle bildet ein Gemisch aus Kohlenstoff (II) mit Wasserstoff (Wassergas)

b) bei hoher Temperatur stellt Kohlenstoff wieder her
Metalle aus ihren Oxiden:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image008_58.jpg" height="12">Reaktionen zeigen, dass Kohlenstoff in seiner Reduktionsfähigkeit Metallen nahe kommt.

2. Kohlenstoff als Oxidationsmittel

Kohlenstoff zeigt gegenüber Metallen und Wasserstoff oxidierende Eigenschaften.

a) Es gibt eine riesige Menge an Kohlenwasserstoffen CxHy, d.h. Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Die direkte Wechselwirkung einfacher Substanzen C und H2 verläuft jedoch bei hohen Temperaturen und Drücken in Gegenwart eines Katalysators (Platin oder Nickel) sehr schwierig. Als Ergebnis dieser reversiblen Reaktion wird der einfachste Kohlenstoff, Methan, gebildet.

b) Kohlenstoff interagiert etwas leichter mit Metallen und bildet Metallcarbide:

1
Ca + 2C ° \u003d CaC2 Calciumcarbid

Metallkarbide interagieren aktiv mit Wasser und Säuren.

20.3. Allgemeine Eigenschaften von Silizium

Silizium ist analog zu Kohlenstoff. Die elektronische Konfiguration des Siliziumatoms:

Gebäudehttps://pandia.ru/text/80/150/images/image010_52.jpg" width="150 height=57" height="57">

Silizium ist wie Kohlenstoff ein Nichtmetall und weist in seinen Verbindungen sowohl positive als auch negative Oxidationsstufen auf, die charakteristischsten sind die folgenden: -4 (Silan SiH4, Metallsilizide Mg2Si, Ca2Si usw.);

O (einfache Substanz Si) +4 (Siliziumoxid (IV), Kieselsäure H2Si03 und ihre Salze - Silikate, Siliziumhalogenide (IV) SiF usw.) Die stabilste Oxidationsstufe für Silizium ist +4.

20.3.1. In der Natur sein

Silizium ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste (mehr als 25 % der Masse). Der Hauptteil der Erdkruste besteht aus Silikatgestein, das sind Verbindungen von Silizium mit Sauerstoff und einer Reihe anderer Elemente. Natürliche Silikate sind ziemlich komplexe Substanzen. Ihre Zusammensetzung wird meist als Kombination mehrerer Oxide dargestellt. Verbindungen, die Aluminiumoxid enthalten, werden Alumosilikate genannt. Diese sind: weißer Ton A1203 2Si02 2H20, Feldspat K20 A1203 6Si02, Glimmer K20 A1203 6 Si02 H20.

Viele natürliche Silikate in ihrer reinen Form sind Edelsteine, zum Beispiel Aquamarin, Smaragd, Topas und andere.

Ein wesentlicher Teil des natürlichen Siliziums wird durch Siliziumoxid (IV) Si02 repräsentiert. Freies Si02 in der Erdkruste etwa 12 %, in Form von Steinen 43 %. Insgesamt bestehen mehr als 50 % der Erdkruste aus Siliziumoxid (IV)

Sehr reines kristallines Si02 ist bekannt als die Mineralien Bergkristall und Quarz. Quarz ist in Form von Sand und dem harten Mineral Feuerstein (hydratisiertes Siliziumoxid (IV) oder Kieselerde) üblich.

Siliziumoxid (IV), gefärbt mit verschiedenen Verunreinigungen, bildet Edelsteine ​​und Halbedelsteine, Achat, Amethyst, Jaspis. Silizium kommt in der Natur nicht in freier Form vor.

20.3.2. Kassenbon

In der Industrie wird reiner Si02-Sand zur Gewinnung von Silizium verwendet. In Elektroöfen bei hohen Temperaturen wird Silizium mit Koks (Kohle) aus seinem Oxid reduziert:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Im Labor werden Magnesium oder Aluminium als Reduktionsmittel verwendet:

SiO2 + 2Mg I Si + 2MgO

3Si02 + 4A1 =° 3Si + 2A1203

Das reinste Silizium erhält man durch Reduktion von Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff oder Zink:

Verdrahtung "href="/text/category/yelektroprovodka/" rel="bookmark"> elektrische Leitfähigkeit. Kristallines Silizium wird durch Rekristallisation von amorphem Silizium gewonnen. Amorphes Silizium ist reaktiver als chemisch eher inertes kristallines Silizium. Kristallines Silizium ist ein Halbleiter, Seine elektrische Leitfähigkeit nimmt mit Beleuchtung und Erwärmung zu.

20.3.4. Chemische Eigenschaften

Hinsichtlich der chemischen Eigenschaften ist Silizium Kohlenstoff in vielerlei Hinsicht ähnlich, was durch den gleichen Aufbau der äußeren Elektronenschicht erklärt wird. Unter normalen Bedingungen ist Silizium aufgrund der Stärke seines Kristallgitters ziemlich inert. Direkt bei Raumtemperatur interagiert es nur mit Fluor. Bei einer Temperatur von 400-600 ° C reagiert Silizium mit Chlor und Brom, und zerkleinertes Silizium verbrennt in Sauerstoff. Silizium reagiert bei sehr hohen Temperaturen mit Stickstoff und Kohlenstoff. Bei all diesen Reaktionen spielt Silizium eine Rolle die Rolle eines Restaurators.

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In der Technik wird Karborund in Elektroöfen aus einem Sand-Koks-Gemisch gewonnen:

Carborundum hat ein diamantartiges Kristallgitter, in dem jedes Siliziumatom von vier Kohlenstoffatomen umgeben ist und umgekehrt. Kovalente Bindungen zwischen Atomen sind sehr stark. Daher ist Karborund in der Härte ähnlich wie Diamant. In der Technik wird Karborund zur Herstellung von Schleifsteinen und Schleifscheiben verwendet.

Silizium als Reduktionsmittel interagiert auch mit einigen komplexen Stoffen, beispielsweise mit Fluorwasserstoff:

Es reagiert nicht mit anderen Halogenwasserstoffen.

In der Kälte reagiert Silizium mit einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure (HF):

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Silan ist ein giftiges Gas mit unangenehmem Geruch, das sich leicht an der Luft entzündet:

SiH4 + 202 = SiO2 + 2H20

20.3.4. Siliziumoxid (IV). Kieselsäure uihr Salz

Siliziumoxid (IV) Si02 (Siliziumdioxid, Kieselsäure, Kieselsäureanhydrid) ist eine feste feuerfeste Substanz (Schmelzpunkt 1713 ° C), in Wasser unlöslich; Von allen Säuren zersetzt es nur die Flusssäure allmählich:

Si02 + 4HF = SiF4T + 2H20

Wie reagiert das saure Oxid Si02 beim Erhitzen oder Schmelzen mit basischen Oxiden, Alkalien und einigen Salzen (z. B. Carbonaten) zu Kieselsäure - Silikate.

Künstlich gewonnene Silikate von Natrium und Kalium - Wasserglas- stark hydrolysiert. Ihre konzentrierte Lösung, genannt flüssiges Glas, reagiert stark alkalisch. Flüssiges Glas wird zur Herstellung von feuerfesten Stoffen, Imprägnierung von Holzprodukten, als Klebstoff und verwendet usw.

Kieselsäure H2Si03 bezeichnet sehr schwache Säuren. Sie ist im Wasser praktisch unlöslich bildet aber leicht kolloidale Lösungen. Es kann aus Silikatlösungen durch Einwirkung stärkerer Säuren gewonnen werden: Salzsäure, Schwefelsäure, Essigsäure und sogar Kohlensäure. Aus der Lösung fällt H2Si03 als gallertartiger Niederschlag aus:

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20.3.5. Medizinisch-biologische Bedeutung von Kohlenstoff und Silizium

Kohlenstoff. Es ist die Grundlage aller organischen Verbindungen, es ist das Organogen Nummer eins. Es ist ein Teil von Zellen und Geweben, alles biologisch aktive Verbindungen. Natrium- und Kaliumbicarbonate im Körper Mit Kohlensäure bilden ein Puffersystem, das an der Aufrechterhaltung beteiligt ist KOS(Säure-Basen-Zustand des Körpers). Natriumbicarbonat (Backpulver) wird als Antazida verwendet. Aktivkohle als Sorptionsmittel wird bei Blähungen, Lebensmittelvergiftungen sowie bei Vergiftungen mit Alkaloiden und Schwermetallsalzen eingesetzt.

Silizium ist Teil der Zellen von Epithel- und Bindegewebe, Leber, Nebenniere, Augenlinse. Eine Verletzung des Siliziumstoffwechsels ist mit dem Auftreten von Bluthochdruck, Rheuma, Hepatitis usw. verbunden.