Номер 1, страница 63, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. В чем сходство и различия между углеродом и кремнием?

Углерод (C) и кремний (Si) являются химическими элементами, имеющими как значительные сходства, так и ключевые различия, определяющие их уникальные свойства и роль в природе и технологиях.

Сходство

• Положение в Периодической системе: И углерод, и кремний находятся в 14-й группе (по старой классификации — IV-A группа) Периодической системы Д. И. Менделеева. Это их основное сходство, определяющее многие другие общие черты.

• Строение атома: Атомы обоих элементов имеют по 4 валентных электрона на внешнем энергетическом уровне. Электронная конфигурация внешнего слоя: для углерода — $2s^22p^2$, для кремния — $3s^23p^2$.

• Валентность и степени окисления: Наиболее характерная валентность для обоих элементов — IV. Они проявляют схожие степени окисления, чаще всего +4 (например, в оксидах $CO_2$ и $SiO_2$) и -4 (например, в гидридах $CH_4$ и $SiH_4$).

• Тип химической связи: Как неметаллы (кремний также проявляет свойства металлоида), они преимущественно образуют ковалентные связи с другими атомами.

• Кристаллическая решетка: Оба элемента могут существовать в виде аллотропной модификации с кристаллической решеткой типа алмаза. В этой структуре каждый атом связан с четырьмя соседними атомами, образуя тетраэдр. Для углерода это алмаз, а для кремния — его основная кристаллическая форма.

• Высшие оксиды и гидриды: Они образуют высшие оксиды состава $ЭO_2$ ($CO_2$ — диоксид углерода, $SiO_2$ — диоксид кремния) и летучие водородные соединения состава $ЭH_4$ ($CH_4$ — метан, $SiH_4$ — силан).

Различия

• Атомные характеристики: Углерод находится во 2-м периоде, а кремний — в 3-м. Из-за этого атом кремния имеет больший радиус и меньшую электроотрицательность по сравнению с атомом углерода. Это напрямую влияет на прочность образуемых ими химических связей.

• Прочность связей и катенация: Связь C–C (около 348 кДж/моль) значительно прочнее связи Si–Si (около 226 кДж/моль). Благодаря этому углерод обладает уникальной способностью к катенации — образованию длинных и устойчивых цепей и циклов из своих атомов. Эта способность лежит в основе всего многообразия органических соединений. Кремний также может образовывать цепи (силаны), но они гораздо менее устойчивы и химически активны.

• Образование кратных связей: Малый радиус атома углерода позволяет ему эффективно образовывать стабильные двойные (C=C, C=O) и тройные (C≡C, C≡N) связи. Для более крупного атома кремния образование устойчивых кратных связей нехарактерно, так как р-орбитали перекрываются менее эффективно.

• Свойства высших оксидов: Это различие является следствием предыдущего пункта. В диоксиде углерода $CO_2$ реализуется двойная связь O=C=O, поэтому он является молекулярным веществом и при нормальных условиях — газ. В диоксиде кремния $SiO_2$ атом кремния образует четыре одинарные связи с атомами кислорода, что приводит к формированию полимерной атомной кристаллической решетки. Поэтому $SiO_2$ — это тугоплавкое твердое вещество (кварц, песок).

• Роль в природе: Углерод — основа жизни. Его соединения (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) составляют основу всех живых организмов. Кремний — основа неживой природы, второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода. Он входит в состав песка, глины, гранита и множества других минералов и горных пород.

• Физические свойства простых веществ: Кристаллический кремний является полупроводником, что сделало его основой современной микроэлектроники. Углерод в виде алмаза — диэлектрик, а в виде графита — проводник электрического тока.

Ответ:

Сходство углерода и кремния обусловлено их положением в одной группе Периодической системы, что определяет одинаковое число валентных электронов (4) и схожие степени окисления (IV). Оба образуют ковалентные связи, имеют аллотропные модификации с алмазоподобной структурой и формируют соединения типа $ЭH_4$ и $ЭO_2$.

Различия коренятся в том, что углерод находится во 2-м, а кремний — в 3-м периоде. Атом углерода меньше и более электроотрицателен, что позволяет ему образовывать прочные связи C–C и кратные связи, создавая огромное разнообразие стабильных органических молекул и являясь основой жизни. Атом кремния крупнее, его связи Si–Si слабее, он не образует стабильных кратных связей. Его оксид $SiO_2$ — твердое полимерное вещество, а сам кремний является основой неживой природы (минералы) и ключевым материалом в электронике благодаря своим полупроводниковым свойствам.