Номер 3, страница 118 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 24. Соединения кремния. Глава 1. Неметаллы - номер 3, страница 118.

Условие.

3. Сравните свойства оксида кремния и углекислого газа, рассмотрев взаимодействие их с водой, щелочами, магнием, углём.

Решение.

Решение 2.

Оксид кремния($IV$), $SiO_2$, и оксид углерода($IV$), $CO_2$, являются высшими оксидами элементов 14-й группы (IVА) Периодической системы. Несмотря на формальное сходство состава, их физические и химические свойства значительно различаются. Это обусловлено, в первую очередь, разным типом строения. $CO_2$ при обычных условиях — это газ, состоящий из отдельных неполярных молекул $O=C=O$. В твердом состоянии ("сухой лед") он образует молекулярную кристаллическую решетку. $SiO_2$ (кварц, песок) — это твёрдое, очень тугоплавкое вещество с атомной кристаллической решеткой. В его структуре каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя атомами кислорода, образуя прочный трехмерный каркас.

Взаимодействие с водой

Оксид углерода($IV$), являясь кислотным оксидом, обратимо взаимодействует с водой, образуя слабую и нестабильную угольную кислоту ($H_2CO_3$). Равновесие этой реакции сильно смещено влево.
$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Оксид кремния($IV$), несмотря на свой кислотный характер, с водой не реагирует. Причина — очень высокая энергия атомной кристаллической решетки, которую молекулы воды не могут разрушить. Соответствующую ему кремниевую кислоту ($H_2SiO_3$), нерастворимую в воде, получают косвенными методами (например, реакцией обмена между раствором силиката и кислотой).

Ответ: $CO_2$ обратимо реагирует с водой с образованием угольной кислоты, в то время как $SiO_2$ с водой не взаимодействует из-за прочности своей кристаллической решетки.

Взаимодействие с щелочами

Как кислотные оксиды, оба вещества реагируют с щелочами с образованием солей (карбонатов и силикатов).

Оксид углерода($IV$) активно реагирует с водными растворами щелочей уже при комнатной температуре. Продукты зависят от соотношения реагентов:
При избытке щелочи образуется средняя соль (карбонат): $CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
При избытке оксида образуется кислая соль (гидрокарбонат): $CO_2 + NaOH \rightarrow NaHCO_3$

Оксид кремния($IV$) реагирует только с концентрированными растворами щелочей при нагревании или при сплавлении с твердыми щелочами. Это снова объясняется необходимостью разрушить прочную атомную решетку.
$SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$

Ответ: Оба оксида реагируют со щелочами. $CO_2$ вступает в реакцию легко в растворе при обычных условиях, а для реакции с $SiO_2$ требуется нагревание или сплавление.

Взаимодействие с магнием

Магний — активный металл и сильный восстановитель, способный восстанавливать и углерод, и кремний из их оксидов при нагревании.

Оксид углерода($IV$): Магний, подожженный на воздухе, продолжает ярко гореть в атмосфере углекислого газа. Поэтому $CO_2$ нельзя использовать для тушения горящего магния.
$2Mg + CO_2 \xrightarrow{t} 2MgO + C$

Оксид кремния($IV$): При сильном нагревании смеси порошков оксида кремния и магния происходит реакция восстановления кремния (силикотермия).
$2Mg + SiO_2 \xrightarrow{t} 2MgO + Si$

Ответ: И $CO_2$, и $SiO_2$ реагируют с активным металлом магнием при нагревании. Магний выступает в роли восстановителя, образуя свой оксид, а углерод и кремний восстанавливаются до простых веществ.

Взаимодействие с углём

При высоких температурах уголь (кокс) является сильным восстановителем для обоих оксидов.

Оксид углерода($IV$): При пропускании через раскаленный уголь восстанавливается до оксида углерода($II$) (угарного газа). Это равновесная реакция, играющая важную роль в металлургии (равновесие Будуара).
$CO_2 + C \rightleftharpoons 2CO$

Оксид кремния($IV$): Восстанавливается коксом при очень высоких температурах (порядка $1800-2000^\circ C$) в электродуговых печах. Это основной промышленный способ получения технического кремния.
$SiO_2 + 2C \xrightarrow{t} Si + 2CO\uparrow$

Ответ: Оба оксида восстанавливаются углём при высоких температурах. $CO_2$ восстанавливается до оксида углерода($II$), а $SiO_2$ — до элементарного кремния.