Глава 11. Подгруппа углерода и кремния

Главную подгруппу IV группы составляют углерод, кремний, германий, олово и свинец. Электронные конфигурации внешнего слоя элементов ns²np², в соединениях они могут проявлять степени окисления от –4 до +4. Углерод и кремний — типичные неметаллы, германий проявляет промежуточные свойства, а олово и свинец — типичные металлы. Поэтому и здесь (так же, как в V группе) мы рассматриваем только подгруппу углерода и кремния и не рассматриваем подгруппу германия.

§ 11.1. Задачи с решениями

Задача 122. Рассчитайте, сколько кубических метров CO₂ (при н.у.) можно получить из 1,5 т известняка, содержащего 90% CaCO₃.

Решение. В 1,5 т известняка содержится 1,50,9 = 1,3510³ кг CaCO₃, что составляет 1,3510³/100 = 13,5 кмоль. При прокаливании карбоната кальция или при действии на него соляной кислотой

t

CaCO₃  CaO + CO₂,

t

CaCO₃ + 2HCl  CaCl₂ + CO₂ + H₂O

можно получить также 13,5 кмоль CO₂ объемом 13,522,4 = 302,4 м³.

Ответ. 302,4 м³ CO₂.

Задача 123. При взаимодействии углерода с концентрированной серной кислотой выделилось 13,44 л смеси двух газов (н.у.). Рассчитайте массу углерода, вступившего в реакцию.

Решение. Пусть в реакцию

C + 2H₂SO_4(конц) = CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

вступило x моль C, тогда образовалось x моль CO₂ и 2x моль SO₂, всего 3x моль газов. По условию, количество газов в смеси равно 13,44/22,4 = 0,6 = 3x, откуда x = 0,2. Масса углерода равна 0,212 = 2,4 г.

Ответ. 2,4 г C.

Задача 124. В одной из трех склянок имеется раствор гидроксида натрия, в другой — гидрокарбоната натрия, в третьей — карбоната натрия. Как распознать содержимое каждой склянки? Приведите уравнения реакций.

Решение. Склянка с гидроксидом натрия – единственная, где не выделяется газ при добавлении соляной кислоты:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O,

NaHCO₃ + HCl = NaCl + CO₂ + H₂O,

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂ + H₂O.

(Выделение CO₂ при действии сильных кислот – качественная реакция на карбонаты и гидрокарбонаты).

Карбонат натрия можно отличить гидрокарбоната по реакции с раствором хлорида кальция:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaCl,

CaCl₂ + NaHCO₃ /.

Задача 125. При полном гидролизе смеси карбидов кальция и алюминия образуется смесь газов, которая в 1,6 раза легче кислорода. Определите массовые доли карбидов в исходной смеси.

Решение. В результате гидролиза образуются метан и ацетилен:

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄,

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂.

Пусть в исходной смеси содержалось x моль Al₄C₃ и y моль CaC₂, тогда в газовой смеси содержится 3x моль CH₄ и y моль C₂H₂. Средняя молярная масса газовой смеси равна:

M_ср = M(O₂) / 1,6 = 20 = (3x16+y26) / (3x+y),

откуда y = 2x.

Массовые доли карбидов в исходной смеси равны:

(Al₄C₃) = 144x / (144x+64y)  100% = 52,94%,

(CaC₂) = 64y / (144x+64y)  100% = 47,06%.

Ответ. 52,94% Al₄C₃, 47,06% CaC₂.

Задача 126. При взаимодействии сложного вещества "A" с избытком магния при нагревании образуются два вещества, одно из которых — "B" — под действием соляной кислоты выделяет ядовитый газ "C". При сжигании газа "C" образуются исходное вещество "A" и вода. Назовите вещества "A", "B" и "C". Напишите уравнения перечисленных химических реакций.

Решение. Вещество "A" — оксид кремния, SiO₂. При взаимодействии SiO₂ с магнием сначала образуется кремний, который реагирует с избытком магния и образует силицид кремния, Mg₂Si (вещество "B"):

SiO₂ + 4Mg = Mg₂Si + 2MgO.

Силицид магния легко гидролизуется с образованием ядовитого газа силана, SiH₄ (вещество "C"):

Mg₂Si + 4HCl = SiH₄ + 2MgCl₂.

При сгорании силана образуются исходное вещество SiO₂ и вода:

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O.

Задача 127. Смесь кремния и угля, массой 5,0 г, обработали избытком концентрированного раствора щелочи при нагревании. В результате реакции выделилось 2,8 л водорода (н.у.). Вычислите массовую долю углерода в этой смеси.

Решение. С раствором щелочи реагирует только кремний:

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂.

(H₂) = 2,8/22,4 = 0,125 моль. (Si) = 0,125/2 = 0,0625 моль. m(Si) = 0,02528 = 1,75 г. m(C) = 5,0–1,75 = 3,25 г. Массовая доля углерода равна: (C) = 3,25/5,0 = 0,65, или 65%.

Ответ. 65% C.

Задача 128. При сплавлении гидроксида натрия и оксида кремния (IV) выделилось 4,5 л водяных паров (измерено при 100 ^oC и 101 кПа). Какое количество силиката натрия при этом образовалось?

Решение. При сплавлении происходит реакция:

2NaOH + SiO₂ = Na₂SiO₃ + H₂O.

Количество выделившейся воды равно: (H₂O) = PV / RT = = 1014,5 / (8,31373) = 0,147 моль. Количество образовавшегося Na₂SiO₃ также равно 0,147 моль.

Ответ. 0,147 моль Na₂SiO₃.