Химические свойства какого элемента наиболее похожи на свойства элемента кремния

Задача 1044. 
Рассмотреть особенности строения атомов элементов главной подгруппы третьей группы. Какие валентные состояния характерны для этих элементов? Как изменяются их свойства с увеличением порядкового номера элемента?
Решение:
Элементы главной подгруппы IIIА группы характеризуются наличием трёх электронов в наружном электронном слое атома. Электронная формула валентных подуровней имеет вид ns2np1. Строение электронных остовов атомов данной подгруппы сильно различаются. Только бор и алюминий имеют атомные остовы, которые можно описать электронными формулами характерными для благородных газов; второй снаружи электронный слой атома бора содержит два электрона, атома алюминия – восемь. У галлия и индия атомные остовы завершаются d-подуровнями, а у таллия – d- и  f-подуровни. 

Имея на наружном электронном слое один неспаренный р-электрон. Элементы IIIА группы в основном состоянии проявляют ковалентность равную 1. В возбуждённом состоянии (ns1np2) для всех элементов подгруппы характерна ковалентность равная 3.

В своих соединениях для всех элементов IIIА группы характерна степень окисления +3; таллий в большинстве своих соединений проявляет степень окисления +1. С увеличением порядкового номера возрастают радиусы атомов элементов, поэтому металлические свойства рассматриваемых элементов заметно усиливаются с возрастанием порядкового номера, энергия ионизации I1, I2, I3 закономерно уменьшаются (только у таллия I3 выше, чем у индия). Бор – неметалл, алюминий – амфолит; а галлий, индий и таллий – типичные металлы. Электроотрицательность элементов IIIА группы закономерно уменьшается с увеличением порядкового номера. Основные свойства гидроксидов усиливаются сверху вниз – бор – образует кислоту, алюминий – амфолит, а остальные – основания. С возрастанием порядкового номера элемента восстановительная способность элементов увеличиваются, а окислительные – уменьшаются (самый сильный  восстановитель – таллий, самый сильный окислитель – бор).

Сходство химических свойств бора и кремния

Задача 1045. 
В чем проявляется сходство химических свойств бора и кремния? Чем объясняется это сходство?
Решение:
По своим химическим свойствам бор в значительной степени сходен с кремнием (бор и кремний образуют ряд гидридов), находящимся в третьем периоде и в четвёртой группе периодической системы, т. е. правее и ниже бора. Это явление, носящее название диагонального сходства, наблюдается не только у бора и кремния, но так же у лития и магния, натрия и кальция. У бора и у кремния ионные потенциалы Z/R, где Z – заряд иона, R – радиус иона, следует ожидать близкие значения. Действительно, ионные потенциалы для ионов бора и кремния, будут равны 3/0,41 = 7,32 и 4/0,56 = 7,31. Близость ионных потенциалов приводит к близким свойствам самих соединений. При близких значениях ионных потенциалов следует ожидать примерно одинакового поляризующего действия катионов на однотипные анионы. В этом случае  физико-химические характеристики разных соединений могут оказаться близкими. Оба элемента образуют прочные бинарные соединения.  Энтальпии образования характеристических оксидов В2О3 -1273,8 кДж/моль и SiO2 -911,6 кДж/моль. Бор и кремний образуют преимущественно ковалентные  -связи. Электроотрицательности В и Si имеют близкие значения, соответственно 2,07 и 1,79. Оба элемента – неметаллы. При обычных условия и бор, и кремний химически инертны и реагируют только с фтором. Бор и кремний образуют слабые кислоты, их соединения – слабые восстановители.

Химические свойства углерода

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO2:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS2:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO2:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля. Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 оС:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 оС:

С бромом – 620-700 оС:

С йодом – 750-810 оС:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300оС) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 оС кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500оС. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода: