Номер 3, страница 153, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Дайте сравнительную характеристику графита и кристаллического кремния. Укажите сходство и различие:

а) в строении;

б) в физических и химических свойствах.

Ответ подтвердите необходимыми уравнениями реакций.

Графит и кристаллический кремний являются простыми веществами элементов 14-й (IVA) группы Периодической системы – углерода (C) и кремния (Si). Их расположение в одной группе обуславливает некоторые сходства, однако различие в периодах и, как следствие, в радиусе атомов и их электронном строении, приводит к существенным различиям.

а) в строении

Сходство:

Основное сходство в строении графита и кремния заключается в том, что оба они имеют атомную кристаллическую решетку. Это означает, что в узлах их решеток находятся атомы, связанные между собой прочными ковалентными связями. Также атомы углерода и кремния имеют по четыре валентных электрона на внешнем энергетическом уровне.

Различие:

Различия в строении более существенны и определяют разницу в свойствах.

1. Тип гибридизации атомов: В кристаллическом кремнии атомы находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. В графите атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации.

2. Структура кристаллической решетки: Каждый атом кремния связан с четырьмя соседними атомами, образуя тетраэдрическую структуру, аналогичную структуре алмаза. Это прочная трехмерная сетка. В графите каждый атом углерода в $sp^2$-гибридизации связан с тремя другими атомами в одной плоскости, образуя гексагональные кольца. Эти плоскости образуют слои, которые слабо связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса. Четвертый валентный электрон каждого атома углерода (с негибридизованной p-орбитали) образует единую делокализованную $\pi$-систему в пределах слоя.

Ответ: Сходство в строении графита и кремния заключается в атомном типе кристаллической решетки и наличии 4 валентных электронов. Различие заключается в типе гибридизации атомов ($sp^2$ у графита и $sp^3$ у кремния) и структуре решетки (слоистая у графита и тетраэдрическая объемная у кремния).

б) в физических и химических свойствах

Сходство в физических свойствах:

Оба вещества являются твердыми при комнатной температуре и обладают высокой температурой плавления (графит сублимирует при ~3642 o C, кремний плавится при 1414 o C), что характерно для веществ с атомной кристаллической решеткой. Оба имеют серо-черный цвет и некоторый металлический блеск.

Различие в физических свойствах:

- Твердость: Кремний — очень твердое и хрупкое вещество. Графит — очень мягкий, легко расслаивается, оставляет след на бумаге. Это объясняется слабой связью между слоями в его структуре.

- Электропроводность: Кремний является полупроводником, его электропроводность невелика и сильно зависит от температуры и примесей. Графит, благодаря делокализованным $\pi$-электронам в слоях, хорошо проводит электрический ток (вдоль слоев).

Сходство в химических свойствах:

И углерод (в виде графита), и кремний при обычных условиях достаточно инертны, но при нагревании проявляют восстановительные свойства.

1. Реагируют с кислородом при нагревании, образуя высшие оксиды:

$C + O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2$

$Si + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SiO_2$

2. Реагируют с активными металлами, образуя карбиды и силициды:

$2Mg + Si \xrightarrow{t^\circ} Mg_2Si$ (силицид магния)

$Ca + 2C \xrightarrow{t^\circ} CaC_2$ (карбид кальция)

3. При высоких температурах могут восстанавливать металлы из их оксидов:

$SiO_2 + 2C \xrightarrow{t^\circ} Si + 2CO$

$2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t^\circ} 4Fe + 3CO_2$

$2Mgo + Si \xrightarrow{t^\circ} 2Mg + SiO_2$

Различие в химических свойствах:

- Отношение к кислотам: Графит химически очень стоек, не реагирует с разбавленными кислотами и концентрированными кислотами-неокислителями. Реагирует только с сильными кислотами-окислителями (конц. $H_2SO_4$, $HNO_3$). Кремний также не реагирует с большинством кислот, но растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот:

$3Si + 4HNO_3(конц.) + 18HF(конц.) \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO\uparrow + 8H_2O$

- Отношение к щелочам: Графит не реагирует с растворами щелочей. Кремний легко реагирует с концентрированными растворами щелочей с выделением водорода:

$Si + 2NaOH + H_2o \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$

- Свойства высших оксидов: Оксид углерода(IV) $CO_2$ — газ, кислотный оксид, в твердом состоянии имеет молекулярную решетку («сухой лед»). Оксид кремния(IV) $SiO_2$ — твердое тугоплавкое вещество с атомной решеткой, также является кислотным оксидом.

Ответ: Сходство в физических свойствах заключается в том, что оба вещества твердые и тугоплавкие. Различия: графит мягкий и электропроводный, а кремний твердый и является полупроводником. Сходство в химических свойствах: оба проявляют восстановительные свойства, реагируя при нагревании с кислородом и другими неметаллами, а также с металлами. Различия: кремний, в отличие от графита, реагирует с растворами щелочей; также они по-разному реагируют с кислотами.