Углерод и кремний

Углерод и кремний — элементы IVA группы, у их атомов по четыре внешних электрона. Углерод — основа всей органической химии и жизни (тема 6.5), а кремний — основа неживой природы: из его соединений построены песок, глины и большинство горных пород.

Аллотропные модификации углерода

Углерод образует больше простых веществ, чем любой другой элемент. Аллотропные модификации углерода — это алмаз и графит, которые мы уже сравнивали в теме 3.2, а также фуллерены и графен. Фуллерены — молекулы-шарики из 60 и более атомов углерода, открытые в 1985 году. Графен — слой графита толщиной в один атом; он прочнее стали и прекрасно проводит ток. Уголь, сажа и кокс в основном состоят из мельчайших кристалликов графита.

Адсорбция

Древесный уголь пронизан множеством мельчайших пор, и его поверхность огромна: у особо обработанного, активированного угля один грамм имеет поверхность в сотни квадратных метров. Поверхность угля удерживает молекулы газов и растворённых веществ. Поглощение веществ поверхностью твёрдого тела называют адсорбция. Благодаря адсорбции активированный уголь очищает воду, сахарный сироп, воздух, а таблетки активированного угля помогают при отравлениях.

Углерод как восстановитель

При горении угля образуется углекислый газ, а при недостатке кислорода — угарный газ. Но важнее всего то, что углерод как восстановитель при нагревании отнимает кислород у оксидов металлов. На этом основана выплавка металлов из руд: из оксида железа в доменной печи получают чугун (тема 4.11).

\[ \ce{C + O2 -> CO2}, \qquad \ce{2C + O2 -> 2CO}, \qquad \ce{C + CO2 ->[t^\circ] 2CO} \]

\[ \ce{2CuO + C ->[t^\circ] 2Cu + CO2 ^}, \qquad \ce{Fe2O3 + 3C ->[t^\circ] 2Fe + 3CO ^}, \qquad \ce{ZnO + C ->[t^\circ] Zn + CO ^} \]

С металлами и водородом углерод реагирует уже как окислитель, образуя карбиды и метан: \(\ce{4Al + 3C ->[t^\circ] Al4C3}\).

Кремний

Кремний — второй после кислорода по распространённости элемент земной коры. В свободном виде он в природе не встречается: его соединения — это оксид кремния \(\ce{SiO2}\) (песок, кварц) и силикаты, из которых состоят глины и многие минералы. Кристаллический кремний — тёмно-серое вещество с металлическим блеском и атомной решёткой (тема 3.2). Он полупроводник, поэтому из сверхчистого кремния делают микросхемы и солнечные батареи.

При обычных условиях кремний малоактивен, а при нагревании реагирует с кислородом и магнием. Кремний растворяется в растворах щелочей с выделением водорода. Получают кремний восстановлением его оксида магнием или углеродом:

\[ \ce{Si + O2 ->[t^\circ] SiO2}, \qquad \ce{Si + 2Mg ->[t^\circ] Mg2Si}, \qquad \ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^} \]

\[ \ce{SiO2 + 2Mg ->[t^\circ] Si + 2MgO}, \qquad \ce{SiO2 + 2C ->[t^\circ] Si + 2CO ^} \]