Номер 11, страница 150, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

11*. Выскажите предположение о том, почему углерод, имея больше всех остальных элементов соединений (особенно органических), распространен на Земле меньше, чем кремний (массовая доля углерода — 0,14%, а у кремния — 29,5%)?

Этот, на первый взгляд, парадокс объясняется совокупностью астрофизических, геологических и химических причин, связанных с историей формирования нашей планеты и уникальными свойствами самих элементов. Различие в распространенности углерода и кремния — это результат их поведения на макроуровне (формирование планет), в то время как разнообразие их соединений определяется их свойствами на микроуровне (атомное строение и химические связи).

1. Формирование Солнечной системы и летучесть соединений

Земля и другие планеты земной группы формировались вблизи молодого Солнца, где температура была очень высокой. Это имело решающее значение для распределения химических элементов.

• Кремний в протопланетном диске существовал в виде тугоплавких соединений — силикатов и оксида кремния ($SiO_2$). Эти вещества конденсируются (переходят в твердое состояние) при очень высоких температурах. Поэтому они смогли образовать твердые частицы пыли, которые затем слипались, формируя планетоиды и, в конечном итоге, каменистые планеты, включая Землю.
• Углерод, наоборот, в основном находился в форме летучих соединений: метана ($CH_4$), угарного газа ($CO$) и углекислого газа ($CO_2$). Эти вещества остаются газами даже при относительно высоких температурах. Мощный солнечный ветер и излучение молодого Солнца "выдули" эти легкие, летучие газы во внешние, более холодные области Солнечной системы.

Таким образом, исходный "строительный материал", из которого образовалась Земля, был естественным образом обогащен кремнием и обеднен углеродом.

2. Геохимия и строение Земли

После формирования Земля прошла через стадию расплавления и дифференциации — разделения на слои.

• Кремний, как основной компонент силикатных минералов, является "литофильным" элементом (от греч. "литос" — камень). Он, соединяясь с кислородом (самым распространенным элементом в земной коре), сформировал огромное разнообразие силикатов, которые составляют основу мантии и земной коры. Этим и объясняется его огромная массовая доля (29,5%) в земной коре.
• Судьба углерода оказалась сложнее. Значительная его часть, как полагают ученые, могла раствориться в расплавленном железе и "утонуть" в ядре планеты. Оставшийся углерод распределился между мантией, корой, атмосферой и океаном. Поэтому та доля углерода, которую мы видим на поверхности (0,14%), не отражает его общее количество на планете, большая часть которого для нас недоступна.

3. Уникальные химические свойства углерода

Способность элемента образовывать большое количество соединений зависит не от его распространенности, а от его электронного строения.

• Углерод уникален своей способностью к катенации — образованию прочных и длинных цепей из собственных атомов. Атом углерода имеет четыре валентных электрона и малый радиус, что позволяет ему образовывать прочные одинарные, двойные и тройные ковалентные связи как с другими атомами углерода, так и с атомами других элементов (H, O, N, S). Энергия связи $C-C$ ($~348$ кДж/моль) достаточно велика, чтобы обеспечить стабильность сложных органических молекул.
• Кремний, хотя и является аналогом углерода по группе, обладает этим свойством в гораздо меньшей степени. Связь $Si-Si$ ($~226$ кДж/моль) значительно слабее, чем $C-C$. При этом связь кремния с кислородом $Si-O$ ($~452$ кДж/моль) чрезвычайно прочна и энергетически выгодна. Поэтому в присутствии кислорода кремний всегда будет стремиться образовывать не цепи $Si-Si-Si$, а очень устойчивые силикатные структуры с чередующимися атомами $...-Si-O-Si-O-...$, которые и составляют основу горных пород. Это и ограничивает его способность к созданию такого же химического разнообразия, как у углерода.

Ответ: Высокая распространенность кремния на Земле (в коре) объясняется его тугоплавкими свойствами, которые позволили ему стать основным "строительным материалом" для каменистых планет. Углерод, будучи более летучим, был в значительной степени удален из зоны формирования Земли. С другой стороны, огромное число соединений углерода является следствием его уникальной химической способности образовывать стабильные и сложные цепи и кольца, чего не может делать кремний, предпочитающий образовывать чрезвычайно прочные, но менее разнообразные по структуре связи с кислородом. Таким образом, распространенность элемента определяется его геохимической историей, а разнообразие его соединений — его внутренними химическими свойствами.