Silikon dan sebatiannya. Silikon: aplikasi, sifat kimia dan fizikal

Sebagai unsur kimia bebas, silikon diketahui oleh manusia hanya pada tahun 1825. Yang, tentu saja, tidak menghalang penggunaan sebatian silikon dalam sebilangan besar sfera yang lebih mudah untuk menyenaraikannya di mana unsur itu tidak digunakan. Artikel ini akan menerangkan tentang fizikal, mekanikal dan berguna Sifat kimia silikon dan sebatiannya, kawasan aplikasi, kita juga akan bercakap tentang bagaimana silikon mempengaruhi sifat keluli dan logam lain.

Sebagai permulaan, mari kita fikirkan ciri-ciri umum silikon. Dari 27.6 hingga 29.5% daripada jisim kerak bumi membentuk silikon. Di dalam air laut, kepekatan unsur juga adil - sehingga 3 mg / l.

Dari segi kelaziman dalam litosfera, silikon menduduki tempat kehormatan kedua selepas oksigen. Walau bagaimanapun, bentuknya yang paling terkenal, silika, adalah oksida, dan sifatnya yang tepat telah menjadi asas untuk aplikasi yang begitu luas.

Video ini akan memberitahu anda apa itu silikon:

Konsep dan ciri

Silikon adalah bukan logam, tetapi keadaan yang berbeza boleh mempamerkan kedua-dua sifat berasid dan asas. Ia adalah semikonduktor biasa dan digunakan secara meluas dalam kejuruteraan elektrik. Sifat fizikal dan kimianya sebahagian besarnya ditentukan oleh keadaan alotropik. Selalunya, mereka berurusan dengan bentuk kristal, kerana kualitinya lebih banyak diminta dalam ekonomi negara.

Silikon adalah salah satu makronutrien asas dalam badan manusia. Kekurangannya memudaratkan keadaan tisu tulang, rambut, kulit, kuku. Di samping itu, silikon menjejaskan prestasi sistem imun.
Dalam perubatan, unsur, atau lebih tepatnya, sebatiannya, mendapati penggunaan pertama mereka dalam kapasiti ini. Air dari telaga yang dipenuhi dengan batu api berbeza bukan sahaja dalam ketulenan, tetapi juga mempunyai kesan positif terhadap ketahanan terhadap penyakit berjangkit. Hari ini, sebatian dengan silikon berfungsi sebagai asas untuk ubat-ubatan terhadap tuberkulosis, aterosklerosis, dan arthritis.
Secara umum, bukan logam tidak aktif, walau bagaimanapun, walaupun dalam bentuk tulen susah nak jumpa dia. Ini disebabkan oleh fakta bahawa dalam udara ia cepat dipasifkan oleh lapisan dioksida dan berhenti bertindak balas. Apabila dipanaskan, aktiviti kimia meningkat. Akibatnya, manusia lebih mengenali sebatian jirim, dan bukan dengan dirinya sendiri.

Jadi, silikon membentuk aloi dengan hampir semua logam - silisid. Kesemua mereka dibezakan oleh refraktori dan kekerasan mereka dan digunakan di kawasan masing-masing: turbin gas, pemanas relau.

Bukan logam diletakkan dalam jadual D. I. Mendeleev dalam kumpulan 6 bersama-sama dengan karbon, germanium, yang menunjukkan persamaan tertentu dengan bahan-bahan ini. Jadi, dengan karbon, ia adalah "sama" dengan keupayaan untuk membentuk sebatian jenis organik. Pada masa yang sama, silikon, seperti germanium, boleh mempamerkan sifat logam dalam beberapa tindak balas kimia, yang digunakan dalam sintesis.

Kebaikan dan keburukan

Seperti mana-mana bahan lain dari segi penggunaan dalam ekonomi negara, silikon mempunyai kualiti tertentu yang berguna atau tidak. Mereka penting untuk menentukan kawasan penggunaan.

Kelebihan ketara bahan itu ialah ketersediaan. Secara semula jadi, bagaimanapun, ia bukan dalam bentuk bebas, tetapi masih, teknologi untuk mendapatkan silikon tidak begitu rumit, walaupun ia memakan tenaga.
Kelebihan kedua yang paling penting ialah pembentukan sebatian berganda dengan luar biasa sifat berguna. Ini adalah silanes, dan silisid, dan dioksida, dan, tentu saja, pelbagai silikat. Keupayaan silikon dan sebatiannya untuk membentuk penyelesaian pepejal yang kompleks boleh dikatakan tidak terhingga, yang memungkinkan untuk memperoleh pelbagai variasi kaca, batu dan seramik tanpa henti.
Sifat semikonduktor bukan logam memberikannya tempat sebagai bahan asas dalam kejuruteraan elektrik dan radio.
Bukan logam ialah tidak toksik, yang membolehkan aplikasi dalam mana-mana industri, dan pada masa yang sama tidak mengubah proses teknologi menjadi proses yang berpotensi berbahaya.

Kelemahan bahan termasuk hanya kerapuhan relatif dengan kekerasan yang baik. Silikon tidak digunakan untuk struktur menanggung beban, tetapi gabungan ini memungkinkan untuk memproses permukaan kristal dengan betul, yang penting untuk instrumentasi.

Sekarang mari kita bercakap tentang sifat utama silikon.

Sifat dan ciri

Oleh kerana silikon kristal paling kerap digunakan dalam industri, sifatnya yang lebih penting, dan ia adalah yang diberikan dalam spesifikasi teknikal. Sifat fizik sesuatu bahan ialah:

takat lebur - 1417 C;
takat didih - 2600 C;
ketumpatan ialah 2.33 g/cu. lihat, yang menunjukkan kerapuhan;
kapasiti haba, serta kekonduksian terma, tidak tetap walaupun pada sampel paling tulen: 800 J / (kg K), atau 0.191 kal / (g deg) dan 84-126 W / (m K), atau 0.20-0, 30 kal/(cm sec deg), masing-masing;
telus kepada sinaran inframerah gelombang panjang, yang digunakan dalam optik inframerah;
pemalar dielektrik - 1.17;
kekerasan pada skala Mohs - 7.

Sifat elektrik bukan logam sangat bergantung kepada bendasing. Dalam industri, ciri ini digunakan dengan memodulasi jenis semikonduktor yang dikehendaki. Pada suhu biasa, silikon rapuh, tetapi apabila dipanaskan melebihi 800 C, ubah bentuk plastik adalah mungkin.

Sifat silikon amorf sangat berbeza: ia sangat higroskopik dan bertindak balas dengan lebih aktif walaupun pada suhu biasa.

Struktur dan komposisi kimia, serta sifat silikon, dibincangkan dalam video di bawah:

Komposisi dan struktur

Silikon wujud dalam dua bentuk alotropik, sama stabil pada suhu normal.

Kristal Ia mempunyai rupa serbuk kelabu gelap. Bahan itu, walaupun ia mempunyai kekisi kristal seperti berlian, adalah rapuh - disebabkan oleh ikatan yang terlalu lama antara atom. Yang menarik ialah sifat semikonduktornya.
Pada sangat tekanan tinggi tersedia heksagon pengubahsuaian dengan ketumpatan 2.55 g / cu. lihat Walau bagaimanapun, fasa ini masih belum menemui kepentingan praktikal.
Amorfus- Serbuk coklat. Tidak seperti bentuk kristal, ia bertindak balas dengan lebih aktif. Ini bukan disebabkan oleh sifat lengai bentuk pertama, tetapi oleh fakta bahawa di udara bahan itu ditutup dengan lapisan dioksida.

Di samping itu, adalah perlu untuk mengambil kira satu lagi jenis klasifikasi yang berkaitan dengan saiz kristal silikon, yang bersama-sama membentuk bahan. Kekisi kristal, seperti yang diketahui, membayangkan susunan bukan sahaja atom, tetapi juga struktur yang membentuk atom ini - yang dipanggil susunan jarak jauh. Lebih besar ia, lebih homogen bahan akan berada dalam sifat.

monohablur– sampel adalah kristal tunggal. Strukturnya adalah teratur yang mungkin, sifatnya homogen dan boleh diramal dengan baik. Bahan inilah yang paling diminati dalam kejuruteraan elektrik. Walau bagaimanapun, ia juga tergolong dalam jenis yang paling mahal, kerana proses mendapatkannya adalah rumit, dan kadar pertumbuhannya rendah.
Multihablur– sampel terdiri daripada sebilangan butir kristal yang besar. Sempadan di antara mereka membentuk tahap kecacatan tambahan, yang mengurangkan prestasi sampel sebagai semikonduktor dan membawa kepada haus yang lebih cepat. Teknologi untuk mengembangkan multikristal adalah lebih mudah, dan oleh itu bahannya lebih murah.
Polihabluran- terdiri sebilangan besar bijirin disusun secara rawak berkenaan antara satu sama lain. Ini adalah jenis silikon perindustrian yang paling tulen, digunakan dalam mikroelektronik dan tenaga suria. Selalunya ia digunakan sebagai bahan mentah untuk menanam kristal berbilang dan tunggal.
Silikon amorf juga menduduki kedudukan berasingan dalam pengelasan ini. Di sini susunan atom dikekalkan hanya pada jarak terpendek. Walau bagaimanapun, dalam kejuruteraan elektrik, ia masih digunakan dalam bentuk filem nipis.

Pengeluaran bukan logam

Ia tidak begitu mudah untuk mendapatkan silikon tulen, memandangkan sifat lengai sebatiannya dan takat lebur yang tinggi bagi kebanyakannya. Dalam industri, pengurangan karbon dioksida paling kerap digunakan. Tindak balas dijalankan dalam relau arka pada suhu 1800 C. Oleh itu, bukan logam dengan ketulenan 99.9% diperolehi, yang tidak mencukupi untuk kegunaannya.

Bahan yang terhasil diklorin untuk mendapatkan klorida dan hidroklorida. Sambungan kemudiannya dibersihkan dengan semua kaedah yang mungkin daripada kekotoran dan berkurangan dengan hidrogen.

Ia juga mungkin untuk membersihkan bahan dengan mendapatkan magnesium silicide. Silisid terdedah kepada hidroklorik atau asid asetik. Silane diperolehi, dan yang terakhir disucikan cara yang berbeza- penyerapan, pembetulan dan sebagainya. Kemudian silane diuraikan menjadi hidrogen dan silikon pada suhu 1000 C. Dalam kes ini, bahan dengan pecahan kekotoran 10 -8 -10 -6% diperolehi.

Penggunaan bahan

Bagi industri, ciri elektrofizik bukan logam adalah yang paling diminati. Bentuk kristal tunggalnya ialah semikonduktor jurang tidak langsung. Sifatnya ditentukan oleh kekotoran, yang memungkinkan untuk mendapatkan kristal silikon dengan sifat yang dikehendaki. Jadi, penambahan boron, indium memungkinkan untuk mengembangkan kristal dengan kekonduksian lubang, dan pengenalan fosforus atau arsenik - kristal dengan kekonduksian elektronik.

Silikon secara literal berfungsi sebagai asas kejuruteraan elektrik moden. Transistor, fotosel, litar bersepadu, diod dan sebagainya dibuat daripadanya. Selain itu, kefungsian peranti hampir selalu ditentukan hanya oleh lapisan berhampiran permukaan kristal, yang membawa kepada keperluan yang sangat khusus untuk rawatan permukaan.
Dalam metalurgi, silikon teknikal digunakan sebagai pengubah aloi - ia memberikan kekuatan yang lebih besar, dan sebagai komponen - dalam, sebagai contoh, dan sebagai penyahoksida - dalam pengeluaran besi tuang.
Metalurgi ultra tulen dan halus membentuk asas tenaga suria.
Dioksida bukan logam terdapat di alam semula jadi dalam sangat bentuk yang berbeza. Varieti kristalnya adalah opal, agate, carnelian, amethyst, berlian buatan, telah mendapat tempat mereka dalam perniagaan barang kemas. Pengubahsuaian yang tidak begitu menarik dalam penampilan - batu api, kuarza, digunakan dalam metalurgi, dan dalam pembinaan, dan dalam kejuruteraan elektrik radio.
Sebatian bukan logam dengan karbon - karbida, digunakan dalam metalurgi, dan dalam pembuatan instrumen, dan dalam industri kimia. Ia adalah semikonduktor jurang lebar, dicirikan oleh kekerasan tinggi - 7 pada skala Mohs, dan kekuatan, yang membolehkan ia digunakan sebagai bahan pelelas.
Silikat - iaitu garam asid silisik. Tidak stabil, mudah terurai di bawah pengaruh suhu. Mereka luar biasa kerana mereka membentuk garam yang banyak dan pelbagai. Tetapi yang terakhir adalah asas untuk pengeluaran kaca, seramik, faience, kristal, dan. Kita boleh dengan selamat mengatakan bahawa pembinaan moden adalah berdasarkan pelbagai silikat.
Kaca mewakili paling banyak di sini kes yang menarik. Ia berasaskan aluminosilikat, tetapi kekotoran yang boleh diabaikan bagi bahan lain - biasanya oksida, memberikan bahan itu jisim sifat yang berbeza, termasuk warna. -, tembikar, porselin, sebenarnya, mempunyai formula yang sama, walaupun dengan nisbah komponen yang berbeza, dan kepelbagaiannya juga menakjubkan.
Bukan logam mempunyai keupayaan lain: ia membentuk sebatian jenis karbon, dalam bentuk rantai panjang atom silikon. Sebatian sedemikian dipanggil sebatian organosilicon. Skop permohonan mereka tidak kurang diketahui - ini adalah silikon, sealant, pelincir, dan sebagainya.

Silikon adalah unsur yang sangat biasa dan sangat penting dalam banyak bidang. ekonomi negara. Lebih-lebih lagi, bukan sahaja bahan itu sendiri digunakan secara aktif, tetapi semua sebatian yang pelbagai dan banyak.

Video ini akan bercakap tentang sifat dan aplikasi silikon:

pengenalan

Bab 2. Sebatian kimia karbon

2.1 Terbitan oksigen karbon

2.1.1 +2 keadaan pengoksidaan

2.1.2 +4 keadaan pengoksidaan

2.3 Karbida logam

2.3.1 Karbida larut dalam air dan asid cair

2.3.2 Karbida tidak larut dalam air dan dalam asid cair

Bab 3. Sebatian Silikon

3.1 Sebatian silikon oksigen

Bibliografi

pengenalan

Kimia adalah salah satu cabang sains semula jadi, subjeknya adalah unsur kimia(atom), bahan ringkas dan kompleks (molekul) yang mereka bentuk, penjelmaan mereka, dan undang-undang yang mengawal penjelmaan ini.

Mengikut definisi, D.I. Mendeleev (1871), "kimia dalam keadaan sekarang boleh ... dipanggil doktrin unsur-unsur."

Asal perkataan "kimia" tidak jelas sepenuhnya. Ramai penyelidik percaya bahawa ia berasal dari nama purba Mesir - Hemia (Yunani Chemia, terdapat dalam Plutarch), yang berasal dari "hem" atau "hame" - hitam dan bermaksud "sains bumi hitam" (Mesir), " sains Mesir".

Kimia moden berkait rapat dengan sains semula jadi lain dan dengan semua cabang ekonomi negara.

Ciri kualitatif bagi bentuk kimia bagi gerakan jirim, dan peralihannya kepada bentuk gerakan lain, menentukan kepelbagaian sains kimia dan kaitannya dengan bidang pengetahuan yang mengkaji kedua-dua bentuk gerakan yang lebih rendah dan lebih tinggi. Pengetahuan tentang bentuk kimia gerakan jirim memperkayakan doktrin umum perkembangan alam, evolusi jirim di Alam Semesta, dan menyumbang kepada pembentukan gambaran materialistik yang integral tentang dunia. Hubungan kimia dengan sains lain menimbulkan bidang tertentu penembusan bersama mereka. Oleh itu, bidang peralihan antara kimia dan fizik diwakili oleh kimia fizik dan fizik kimia. Antara kimia dan biologi, kimia dan geologi, kawasan sempadan khas timbul - geokimia, biokimia, biogeokimia, biologi molekul. Undang-undang kimia yang paling penting dirumuskan dalam bahasa matematik, dan kimia teori tidak boleh berkembang tanpa matematik. Kimia telah memberi dan memberi pengaruh terhadap perkembangan falsafah, dan telah sendiri mengalami dan sedang mengalami pengaruhnya.

Dari segi sejarah, dua cabang utama kimia telah berkembang: kimia tak organik, yang mengkaji terutamanya unsur kimia dan bahan mudah dan kompleks yang terbentuk (kecuali sebatian karbon), dan kimia organik, yang subjeknya ialah sebatian karbon dengan unsur lain ( bahan organik).

Sehingga akhir abad ke-18, istilah "kimia tak organik" dan "kimia organik" hanya menunjukkan dari mana "kerajaan" alam semula jadi (mineral, tumbuhan atau haiwan) sebatian tertentu diperolehi. Bermula dari abad ke-19. istilah ini telah menunjukkan kehadiran atau ketiadaan karbon dalam bahan tertentu. Kemudian mereka memperoleh makna baru yang lebih luas. Kimia tak organik bersentuhan terutamanya dengan geokimia dan kemudian dengan mineralogi dan geologi, i.e. dengan ilmu alam tak organik. Kimia organik mewakili satu cabang kimia yang mengkaji pelbagai sebatian karbon sehingga kepada bahan biopolimer yang paling kompleks. Melalui kimia organik dan bioorganik, kimia bersempadan dengan biokimia dan seterusnya dengan biologi, i.e. dengan keseluruhan ilmu-ilmu alam hidup. Di persimpangan antara kimia anorganik dan organik adalah kawasan sebatian unsur organ.

Dalam kimia, idea tentang tahap struktur organisasi jirim terbentuk secara beransur-ansur. Komplikasi bahan, bermula dari atom yang paling rendah, melalui langkah-langkah molekul, makromolekul, atau sebatian molekul tinggi (polimer), kemudian antara molekul (kompleks, klatrat, catenane), dan akhirnya, struktur makro yang pelbagai (kristal, misel. ) sehingga pembentukan bukan stoikiometri yang tidak tentu. Disiplin yang sepadan secara beransur-ansur berkembang dan menjadi terpencil: kimia sebatian kompleks, polimer, kimia kristal, kajian sistem tersebar dan fenomena permukaan, aloi, dll.

Kajian tentang objek dan fenomena kimia kaedah fizikal, mewujudkan undang-undang transformasi kimia, berdasarkan prinsip umum fizik, mendasari kimia fizikal. Bidang kimia ini merangkumi beberapa disiplin yang sebahagian besarnya bebas: termodinamik kimia, kinetik kimia, elektrokimia, kimia koloid, kimia kuantum dan kajian struktur dan sifat molekul, ion, radikal, kimia sinaran, fotokimia, doktrin pemangkinan, keseimbangan kimia, larutan dan lain-lain. kimia Analisis, yang kaedahnya digunakan secara meluas dalam semua bidang kimia dan industri kimia. Dalam bidang aplikasi praktikal kimia, sains dan disiplin saintifik seperti teknologi kimia dengan banyak cabangnya, metalurgi, kimia pertanian, kimia perubatan, kimia forensik, dll., timbul.

Seperti yang dinyatakan di atas, kimia mempertimbangkan unsur kimia dan bahan yang terbentuk, serta undang-undang yang mengawal transformasi ini. Salah satu aspek ini (iaitu, sebatian kimia berasaskan silikon dan karbon) dan akan saya pertimbangkan dalam kertas kerja ini.

Bab 1. Silikon dan karbon - unsur kimia

1.1 Pengenalan kepada karbon dan silikon

Karbon (C) dan silikon (Si) adalah ahli kumpulan IVA.

Karbon bukanlah unsur yang sangat biasa. Walaupun begitu, kepentingannya sangat besar. Karbon adalah asas kehidupan di bumi. Ia adalah sebahagian daripada karbonat (Ca, Zn, Mg, Fe, dll.) yang sangat biasa di alam semula jadi, wujud di atmosfera dalam bentuk CO 2, berlaku dalam bentuk arang batu semula jadi (grafit amorf), minyak dan semula jadi. gas, serta bahan mudah (berlian, grafit).

Silikon adalah unsur kedua paling banyak dalam kerak bumi (selepas oksigen). Jika karbon adalah asas kehidupan, maka silikon adalah asas kepada kerak bumi. Ia ditemui dalam pelbagai jenis silikat (Rajah 4) dan aluminosilikat, pasir.

Silikon amorfus ialah serbuk coklat. Yang terakhir ini mudah diperolehi dalam keadaan hablur dalam bentuk hablur keras kelabu, tetapi agak rapuh. Silikon kristal adalah semikonduktor.

Jadual 1. Data am kimia mengenai karbon dan silikon.

Pengubahsuaian stabil karbon pada suhu biasa - grafit - adalah jisim berminyak kelabu yang legap. Berlian - bahan paling keras di bumi - tidak berwarna dan lutsinar. Struktur kristal grafit dan berlian ditunjukkan dalam Rajah.1.

Rajah 1. Struktur berlian (a); struktur grafit (b)

Karbon dan silikon mempunyai derivatif khusus mereka sendiri.

Jadual 2. Derivatif karbon dan silikon yang paling berciri

1.2 Penyediaan, sifat kimia dan penggunaan bahan ringkas

Silikon diperoleh dengan pengurangan oksida dengan karbon; untuk mendapatkan dalam keadaan tulen terutamanya selepas pengurangan, bahan dipindahkan ke tetraklorida dan sekali lagi dikurangkan (dengan hidrogen). Kemudian ia dicairkan menjadi jongkong dan tertakluk kepada pembersihan oleh lebur zon. Jongkong logam dipanaskan dari satu hujung supaya zon logam cair terbentuk di dalamnya. Apabila zon bergerak ke hujung jongkong yang lain, kekotoran, larut dalam logam cair lebih baik daripada pada pepejal, dikeluarkan, dan dengan itu logam itu disucikan.

Karbon adalah lengai, tetapi pada suhu yang sangat tinggi (dalam keadaan amorf) ia berinteraksi dengan kebanyakan logam untuk membentuk larutan pepejal atau karbida (CaC 2, Fe 3 C, dll.), serta dengan banyak metaloid, contohnya:

2C + Ca \u003d CaC 2, C + 3Fe \u003d Fe 3 C,

Silikon lebih reaktif. Ia bertindak balas dengan fluorin pada suhu biasa: Si + 2F 2 \u003d SiF 4

Silikon mempunyai pertalian yang sangat tinggi untuk oksigen juga:

Tindak balas dengan klorin dan sulfur berlaku pada kira-kira 500 K. Pada sangat suhu tinggi silikon berinteraksi dengan nitrogen dan karbon:

Silikon tidak berinteraksi secara langsung dengan hidrogen. Silikon larut dalam alkali:

Si + 2NaOH + H 2 0 \u003d Na 2 Si0 3 + 2H 2.

Asid selain hidrofluorik tidak menjejaskannya. Dengan HF terdapat tindak balas

Si+6HF=H 2 +2H 2 .

Karbon dalam komposisi pelbagai arang, minyak, semula jadi (terutamanya CH4), serta gas yang diperoleh secara buatan adalah asas bahan api yang paling penting di planet kita

pengenalan

2.1.1 +2 keadaan pengoksidaan

2.1.2 +4 keadaan pengoksidaan

2.3 Karbida logam

Bab 3. Sebatian Silikon

Bibliografi

pengenalan

Kimia adalah salah satu cabang sains semula jadi, subjeknya ialah unsur kimia (atom), bahan ringkas dan kompleks (molekul) yang dibentuknya, penjelmaannya dan undang-undang yang dipatuhi oleh penjelmaan ini.

Mengikut definisi, D.I. Mendeleev (1871), "kimia dalam keadaan sekarang boleh ... dipanggil doktrin unsur-unsur."

Kimia moden berkait rapat dengan sains semula jadi lain dan dengan semua cabang ekonomi negara.

Sehingga akhir abad ke-18, istilah "kimia tak organik" dan "kimia organik" hanya menunjukkan dari mana "kerajaan" alam semula jadi (mineral, tumbuhan atau haiwan) sebatian tertentu diperolehi. Bermula dari abad ke-19. istilah ini telah menunjukkan kehadiran atau ketiadaan karbon dalam bahan tertentu. Kemudian mereka memperoleh makna baru yang lebih luas. Kimia tak organik bersentuhan terutamanya dengan geokimia dan kemudian dengan mineralogi dan geologi, i.e. dengan ilmu alam tak organik. Kimia organik ialah cabang kimia yang mengkaji pelbagai sebatian karbon sehingga kepada bahan biopolimer yang paling kompleks. Melalui kimia organik dan bioorganik, kimia bersempadan dengan biokimia dan seterusnya dengan biologi, i.e. dengan keseluruhan ilmu-ilmu alam hidup. Di persimpangan antara kimia anorganik dan organik adalah kawasan sebatian unsur organ.

Kajian objek dan fenomena kimia dengan kaedah fizikal, pembentukan corak transformasi kimia, berdasarkan prinsip umum fizik, mendasari kimia fizikal. Bidang kimia ini merangkumi beberapa disiplin yang sebahagian besarnya bebas: termodinamik kimia, kinetik kimia, elektrokimia, kimia koloid, kimia kuantum dan kajian struktur dan sifat molekul, ion, radikal, kimia sinaran, fotokimia, doktrin pemangkinan, keseimbangan kimia, larutan dan lain-lain. Kimia analitik memperoleh watak bebas , yang kaedahnya digunakan secara meluas dalam semua bidang kimia dan industri kimia. Dalam bidang aplikasi praktikal kimia, sains dan disiplin saintifik seperti teknologi kimia dengan banyak cabangnya, metalurgi, kimia pertanian, kimia perubatan, kimia forensik, dll., timbul.

Bab 1. Silikon dan karbon - unsur kimia

1.1 Pengenalan kepada karbon dan silikon

Karbon (C) dan silikon (Si) adalah ahli kumpulan IVA.

Silikon amorfus ialah serbuk coklat. Yang terakhir ini mudah diperolehi dalam keadaan hablur dalam bentuk hablur keras kelabu, tetapi agak rapuh. Silikon kristal adalah semikonduktor.

Jadual 1. Data am kimia mengenai karbon dan silikon.

Rajah 1. Struktur berlian (a); struktur grafit (b)

Karbon dan silikon mempunyai derivatif khusus mereka sendiri.

Jadual 2. Derivatif karbon dan silikon yang paling berciri

1.2 Penyediaan, sifat kimia dan penggunaan bahan ringkas

2C + Ca \u003d CaC 2, C + 3Fe \u003d Fe 3 C,

Silikon lebih reaktif. Ia bertindak balas dengan fluorin pada suhu biasa: Si + 2F 2 \u003d SiF 4

Silikon mempunyai pertalian yang sangat tinggi untuk oksigen juga:

Tindak balas dengan klorin dan sulfur berlaku pada kira-kira 500 K. Pada suhu yang sangat tinggi, silikon berinteraksi dengan nitrogen dan karbon:

Silikon tidak berinteraksi secara langsung dengan hidrogen. Silikon larut dalam alkali:

Si + 2NaOH + H 2 0 \u003d Na 2 Si0 3 + 2H 2.

Asid selain hidrofluorik tidak menjejaskannya. Dengan HF terdapat tindak balas

Si+6HF=H 2 +2H 2 .

Karbon dalam komposisi pelbagai arang, minyak, semula jadi (terutamanya CH4), serta gas yang diperoleh secara buatan adalah asas bahan api yang paling penting di planet kita

Grafit digunakan secara meluas untuk membuat mangkuk pijar. Batang grafit digunakan sebagai elektrod. Banyak grafit digunakan untuk penghasilan pensel. Karbon dan silikon digunakan untuk menghasilkan pelbagai gred besi tuang. Dalam metalurgi, karbon digunakan sebagai agen pengurangan, dan silikon, kerana pertalian tinggi untuk oksigen, sebagai penyahoksida. Silikon kristal dalam keadaan tulen terutamanya (tidak lebih daripada 10 -9 at.% kekotoran) digunakan sebagai semikonduktor dalam pelbagai peranti dan peranti, termasuk sebagai transistor dan termistor (peranti untuk pengukuran suhu yang sangat halus), serta dalam fotosel, operasi yang Ia berdasarkan keupayaan semikonduktor untuk mengalirkan arus apabila diterangi.

Bab 2. Sebatian kimia karbon

Karbon dicirikan oleh ikatan kovalen yang kuat antara atomnya sendiri (C-C) dan dengan atom hidrogen (C-H), yang tercermin dalam banyaknya sebatian organik (beberapa ratus juta). Selain tahan lama Sambungan C-H, C-C dalam pelbagai kelas sebatian organik dan tak organik, ikatan karbon dengan nitrogen, sulfur, oksigen, halogen, dan logam diwakili secara meluas (lihat Jadual 5). Kemungkinan besar pembentukan ikatan sedemikian adalah disebabkan oleh saiz atom karbon yang kecil, yang membolehkan orbital valensnya 2s 2 , 2p 2 bertindih sebanyak mungkin. Sebatian tak organik yang paling penting diterangkan dalam Jadual 3.

Antara sebatian karbon bukan organik, terbitan yang mengandungi nitrogen adalah unik dalam komposisi dan struktur.

Dalam kimia bukan organik, derivatif asid CH3COOH asetik dan asid oksalik H 2 C 2 O 4 diwakili secara meluas - asetat (jenis M "CH3COO) dan oksalat (jenis M I 2 C 2 O 4).

Jadual 3. Sebatian tak organik yang paling penting bagi karbon.

2.1 Terbitan oksigen karbon

2.1.1 +2 keadaan pengoksidaan

Karbon monoksida CO (karbon monoksida): mengikut struktur orbital molekul (Jadual 4).

CO serupa dengan molekul N 2. Seperti nitrogen, CO mempunyai tenaga disosiasi yang tinggi (1069 kJ/mol), mempunyai Tm (69 K) dan Tbp (81.5 K) yang rendah), kurang larut dalam air, dan lengai secara kimia. CO bertindak balas hanya pada suhu tinggi, termasuk:

CO + Cl 2 \u003d COCl 2 (fosgen),

CO + Br 2 \u003d SOVg 2, Cr + 6CO \u003d Cr (CO) 6 -kromium karbonil,

Ni + 4CO \u003d Ni (CO) 4 - karbonil nikel

CO + H 2 0 pasangan \u003d HCOOH (asid formik).

Pada masa yang sama, molekul CO mempunyai pertalian tinggi untuk oksigen:

CO +1/202 \u003d C0 2 +282 kJ / mol.

Oleh kerana pertalian yang tinggi untuk oksigen, karbon monoksida (II) digunakan sebagai agen penurunan untuk oksida banyak logam berat (Fe, Co, Pb, dll.). Di makmal, CO oksida diperoleh dengan menyahhidratkan asid formik.

Dalam teknologi, karbon monoksida (II) diperoleh dengan mengurangkan CO 2 dengan arang batu (C + CO 2 \u003d 2CO) atau dengan mengoksidakan metana (2CH 4 + 3O 2 \u003d \u003d 4H 2 0 + 2CO).

Antara derivatif CO, karbonil logam mempunyai kepentingan teori dan praktikal tertentu (untuk mendapatkan logam tulen).

Ikatan kimia dalam karbonil dibentuk terutamanya oleh mekanisme penerima-penderma disebabkan oleh orbital bebas d- unsur dan pasangan elektron molekul CO, terdapat juga n-bertindih oleh mekanisme datif (logam CO). Semua karbonil logam adalah bahan diamagnet yang dicirikan oleh kekuatan rendah. Seperti karbon monoksida (II), karbonil logam adalah toksik.

Jadual 4. Taburan elektron ke atas orbital molekul CO

2.1.2 +4 keadaan pengoksidaan

Karbon dioksida CO 2 (karbon dioksida). Molekul CO 2 adalah linear. Skim tenaga untuk pembentukan orbital molekul CO 2 ditunjukkan dalam Rajah 2. Karbon monoksida (IV) boleh bertindak balas dengan ammonia dalam tindak balas.

Apabila garam ini dipanaskan, baja berharga diperoleh - carbamide CO (MH 2) 2:

Urea diuraikan oleh air

CO (NH 2) 2 + 2HaO \u003d (MH 4) 2COz.

Rajah 2. Rajah tenaga pembentukan orbital molekul CO 2.

Dalam teknologi, CO 2 oksida diperoleh melalui penguraian kalsium karbonat atau natrium bikarbonat:

Dalam keadaan makmal, ia biasanya diperoleh melalui tindak balas (dalam radas Kipp)

CaCO3 + 2HC1 = CaC12 + CO2 + H20.

Derivatif CO 2 yang paling penting ialah asid karbonik lemah H 2 CO s dan garamnya: M I 2 CO 3 dan M I HC 3 (masing-masing karbonat dan bikarbonat).

Kebanyakan karbonat tidak larut dalam air. Karbonat larut air mengalami hidrolisis yang ketara:

COz 2- + H 2 0 COz- + OH - (peringkat I).

Disebabkan oleh hidrolisis lengkap larutan akueus adalah mustahil untuk mengasingkan karbonat Cr 3+ , ai 3 + , Ti 4+ , Zr 4+ dsb.

Secara praktikalnya penting ialah Ka 2 CO3 (soda), K 2 CO3 (potash) dan CaCO3 (kapur, marmar, batu kapur). Bikarbonat, tidak seperti karbonat, larut dalam air. Daripada bikarbonat kegunaan praktikal mencari NaHCO 3 ( minum soda). Karbonat asas yang penting ialah 2CuCO3-Cu (OH) 2 , PbCO 3 X XPb (OH) 2 .

Sifat-sifat karbon halida diberikan dalam Jadual 6. Daripada karbon halida, yang paling penting ialah cecair tidak berwarna, agak toksik. AT keadaan biasa CCI 4 adalah lengai secara kimia. Ia digunakan sebagai pelarut tidak mudah terbakar dan tidak mudah terbakar untuk resin, varnis, lemak, serta untuk mendapatkan freon CF 2 CI 2 (T bp = 303 K):

Satu lagi pelarut organik yang digunakan dalam amalan ialah karbon disulfida CSa (cecair tidak berwarna, meruap dengan Tbp = 319 K) - bahan reaktif:

CS 2 +30 2 \u003d C0 2 + 2S0 2 +258 kcal / mol,

CS 2 + 3Cl 2 \u003d CCl 4 -S 2 Cl 2, CS 2 + 2H 2 0 \u003d\u003d C0 2 + 2H 2 S, CS 2 + K 2 S \u003d K 2 CS 3 (garam asid tiokarbonik H 2 CSz).

Wap karbon disulfida adalah beracun.

Asid hidrosianik (hidrosianik) HCN (H-C \u003d N) ialah cecair tidak berwarna, mudah bergerak, mendidih pada 299.5 K. Pada 283 K, ia menjadi pejal. HCN dan derivatifnya sangat beracun. HCN boleh didapati melalui tindak balas

Asid hidrosianik larut dalam air; pada masa yang sama, ia terurai dengan lemah

HCN=H++CN-, K=6.2.10-10.

Garam asid hidrosianik (sianida) dalam beberapa tindak balas menyerupai klorida. Contohnya, CH - -ion dengan ion Ag + memberikan mendakan putih AgCN sianida perak, kurang larut dalam asid mineral. Sianida logam alkali dan alkali tanah larut dalam air. Disebabkan oleh hidrolisis, larutan mereka berbau asid hidrosianik (bau badam pahit). Sianida logam berat tidak larut dalam air. CN ialah ligan kuat, sebatian kompleks yang paling penting ialah K 4 dan Kz [Re (CN) 6].

Sianida adalah sebatian rapuh, dengan pendedahan berpanjangan kepada CO 2 yang terkandung di udara, sianida terurai

2KCN+C0 2 +H 2 0=K 2 C0 3 +2HCN.

(CN) 2 - sianogen (N=C-C=N) -

gas beracun tidak berwarna; berinteraksi dengan air untuk membentuk asid sianik (HOCN) dan hidrosianik (HCN):

asid (HCN):

(CN) 2 + H 2 0 \u003d\u003d HOCN + HCN.

Dalam hal ini, seperti dalam tindak balas di bawah, (CN) 2 adalah serupa dengan halogen:

CO + (CN) 2 \u003d CO (CN) 2 (analog fosgen).

Asid sianik dikenali dalam dua bentuk tautomerik:

H-N=C=O==H-0-C=N.

Isomer ialah asid H-0=N=C (asid letupan). Garam HONC meletup (digunakan sebagai detonator). Asid rhodohidrogen HSCN ialah cecair tidak berwarna, berminyak, meruap, mudah memejal (Tm=278 K). Dalam keadaan tulen, ia sangat tidak stabil; apabila ia terurai, HCN dibebaskan. Tidak seperti asid hidrosianik, HSCN ialah asid yang agak kuat (K=0.14). HSCN dicirikan oleh keseimbangan tautomerik:

H-N \u003d C \u003d S \u003d H-S-C \u003d N.

SCN - ion merah darah (reagen untuk ion Fe 3+). Garam rhodanide yang berasal dari HSCN - mudah diperoleh daripada sianida dengan penambahan sulfur:

Kebanyakan tiosianat larut dalam air. Garam Hg, Au, Ag, Cu tidak larut dalam air. Ion SCN-, seperti CN-, cenderung untuk memberikan kompleks jenis M3 1 M "(SCN) 6, di mana M" "Cu, Mg dan beberapa yang lain. Dirodan (SCN) 2 - kristal kuning muda, lebur - 271 K Dapatkan (SCN) 2 melalui tindak balas

2AgSCN+Br 2 ==2AgBr+ (SCN) 2 .

Daripada sebatian lain yang mengandungi nitrogen, sianamida harus ditunjukkan.

dan derivatifnya - kalsium cyanamide CaCN 2 (Ca=N-C=N), yang digunakan sebagai baja.

2.3 Karbida logam

Karbida ialah hasil interaksi karbon dengan logam, silikon dan boron. Mengikut keterlarutan, karbida dibahagikan kepada dua kelas: karbida yang larut dalam air (atau asid cair) dan karbida yang tidak larut dalam air (atau asid cair).

2.3.1 Karbida larut dalam air dan asid cair

A. Karbida membentuk C 2 H 2 apabila dibubarkan Kumpulan ini termasuk karbida logam daripada dua kumpulan utama yang pertama; dekat dengan mereka adalah karbida Zn, Cd, La, Ce, Th komposisi MC 2 (LaC 2 , CeC 2 , ТhC 2 .)

CaC 2 + 2H 2 0 \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2, ThC 2 + 4H 2 0 \u003d Th (OH) 4 + H 2 C 2 + H 2.

ANSz + 12H 2 0 \u003d 4Al (OH) s + ZSN 4, Be 2 C + 4H 2 0 \u003d 2Be (OH) 2 + CH 4. Mengikut sifat mereka, Mn z C adalah berhampiran dengan mereka:

Mn s C + 6H 2 0 \u003d ZMn (OH) 2 + CH 4 + H 2.

B. Karbida, yang, apabila dibubarkan, membentuk campuran hidrokarbon dan hidrogen. Ini termasuk kebanyakan karbida logam nadir bumi.

2.3.2 Karbida tidak larut dalam air dan dalam asid cair

Kumpulan ini termasuk kebanyakan karbida logam peralihan (W, Mo, Ta, dll.), serta SiC, B 4 C.

Mereka larut dalam persekitaran pengoksidaan, contohnya:

VC + 3HN0 3 + 6HF \u003d HVF 6 + CO 2 + 3NO + 4H 2 0, SiC + 4KOH + 2C0 2 \u003d K 2 Si0 3 + K 2 C0 3 + 2H 2 0.

Rajah 3. Icosahedron B 12

Secara praktikalnya penting ialah karbida logam peralihan, serta karbida silikon SiC dan boron B 4 C. SiC - carborundum - kristal tidak berwarna dengan kekisi berlian, menghampiri berlian dalam kekerasan (SiC teknikal mempunyai warna gelap akibat kekotoran). SiC adalah sangat refraktori, konduktif haba dan konduktif elektrik pada suhu tinggi, sangat lengai secara kimia; ia hanya boleh dimusnahkan oleh pelakuran dalam udara dengan alkali.

B 4 C - polimer. Kekisi boron karbida dibina daripada tiga atom karbon dan kumpulan tersusun secara linear yang mengandungi 12 atom B yang disusun dalam bentuk ikosahedron (Rajah 3); kekerasan B4C lebih tinggi daripada kekerasan SiC.

Bab 3. Sebatian Silikon

Perbezaan antara kimia silikon dan karbon terutamanya disebabkan oleh saiz atomnya yang besar dan kemungkinan menggunakan orbital 3d percuma. Oleh kerana pengikatan tambahan (mengikut mekanisme penerima penderma), ikatan silikon dengan oksigen Si-O-Si dan fluorin Si-F (Jadual 17.23) adalah lebih kuat daripada karbon, dan disebabkan oleh saiz yang lebih besar daripada atom Si, berbanding dengan atom C, ikatan Si-H dan Si-Si adalah kurang kuat daripada ikatan karbon. Atom silikon boleh dikatakan tidak mampu membentuk rantai. Siri homolog silikon hidrogen SinH2n+2 (silanes) yang serupa dengan hidrokarbon diperoleh hanya sehingga komposisi Si4Hio. Oleh kerana saiz yang lebih besar, atom Si juga mempunyai kebolehan yang dinyatakan dengan lemah untuk pertindihan n; oleh itu, bukan sahaja ikatan rangkap tiga, tetapi juga ikatan berganda adalah sedikit ciri untuknya.

Apabila silikon berinteraksi dengan logam, silisid terbentuk (Ca 2 Si, Mg 2 Si, BaSi 2, Cr 3 Si, CrSi 2, dll.), serupa dalam banyak aspek dengan karbida. Silisid bukan ciri unsur kumpulan I (kecuali Li). Silikon halida (Jadual 5) adalah sebatian yang lebih kuat daripada karbon halida; bagaimanapun, mereka diuraikan oleh air.

Jadual 5. Kekuatan beberapa ikatan karbon dan silikon

Silikon halida yang paling tahan lama ialah SiF 4 (ia terurai hanya di bawah tindakan nyahcas elektrik), tetapi, seperti halida lain, ia mengalami hidrolisis. Apabila SiF 4 berinteraksi dengan HF, asid heksafluorosilisik terbentuk:

SiF 4 +2HF=H 2 .

H 2 SiF 6 mempunyai kekuatan yang hampir dengan H 2 S0 4 . Derivatif asid ini - fluorosilicates, sebagai peraturan, larut dalam air. Fluorosilikat logam alkali (kecuali untuk Li dan NH 4) tidak larut dengan baik. Fluorosilicates digunakan sebagai racun perosak (insektisida).

Halida yang penting secara praktikal ialah SiCO 4 . Ia digunakan untuk mendapatkan sebatian organosilikon. Jadi, SiCL 4 mudah berinteraksi dengan alkohol untuk membentuk ester asid silisik HaSiO 3:

SiCl 4 + 4C 2 H 5 OH \u003d Si (OC 2 H 5) 4 + 4HCl 4

Jadual 6. Karbon dan silikon halida

Ester asid silicic, menghidrolisis, membentuk silikon - bahan polimer struktur rantai:

(R-organic radical), yang telah menemui aplikasi dalam pengeluaran getah, minyak dan pelincir.

Silikon sulfida (SiS 2) bahan n-polimer; stabil pada suhu biasa; terurai oleh air:

SiS 2 + ZN 2 O \u003d 2H 2 S + H 2 SiO 3.

3.1 Sebatian silikon oksigen

Sebatian oksigen yang paling penting bagi silikon ialah silikon dioksida SiO 2 (silika), yang mempunyai beberapa pengubahsuaian kristal.

Pengubahsuaian suhu rendah (sehingga 1143 K) dipanggil kuarza. Kuarza mempunyai sifat piezoelektrik. Varieti semula jadi kuarza: kristal batu, topaz, amethyst. Varieti silika ialah chalcedony, opal, agate,. jasper, pasir.

Silika tahan kimia; hanya larutan fluorin, asid hidrofluorik dan alkali yang bertindak ke atasnya. Ia mudah melepasi keadaan berkaca (kaca kuarza). Kaca kuarza rapuh, tahan kimia dan haba. Asid silicic sepadan dengan SiO 2 tidak mempunyai komposisi yang pasti. Asid silisik biasanya ditulis sebagai xH 2 O-ySiO 2 . Asid silicic telah diasingkan: H 2 SiO 3 (H 2 O-SiO 2) - metasilikon (tri-oxosilicon), H 4 Si0 4 (2H 2 0-Si0 2) - orthosilicon (tetra-oxosilicon), H 2 Si2O 5 (H 2 O * SiO 2) - dimethosilicon.

Asid silisik adalah bahan yang tidak larut. Selaras dengan sifat silikon yang kurang metalloid berbanding karbon, H 2 SiO 3 sebagai elektrolit lebih lemah daripada H 2 CO3.

Garam silikat yang sepadan dengan asid silisik tidak larut dalam air (kecuali silikat logam alkali). Silikat larut dihidrolisiskan mengikut persamaan

2SiOz 2 - + H 2 0 \u003d Si 2 O 5 2 - + 20H-.

Larutan pekat silikat larut dipanggil kaca cecair. Kaca tingkap biasa, natrium dan kalsium silikat, mempunyai komposisi Na 2 0-CaO-6Si0 2 . Ia diperoleh daripada tindak balas

Pelbagai jenis silikat (lebih tepat, oxosilicates) diketahui. Keteraturan tertentu diperhatikan dalam struktur oxosilicates: semuanya terdiri daripada Si0 4 tetrahedra, yang disambungkan antara satu sama lain melalui atom oksigen. Gabungan tetrahedra yang paling biasa ialah (Si 2 O 7 6 -), (Si 3 O 9) 6 -, (Si 4 0 l2) 8-, (Si 6 O 18 12 -), yang, sebagai unit struktur, boleh digabungkan menjadi rantai, pita, jerat dan bingkai (Gamb. 4).

Silikat semulajadi yang paling penting ialah, sebagai contoh, talkum (3MgO * H 2 0-4Si0 2) dan asbestos (SmgO*H 2 O*SiO 2). Seperti SiO 2 , silikat dicirikan oleh keadaan berkaca (amorfus). Dengan penghabluran terkawal kaca, adalah mungkin untuk mendapatkan keadaan kristal halus (sitalls). Sitalls dicirikan oleh peningkatan kekuatan.

Sebagai tambahan kepada silikat, aluminosilikat diedarkan secara meluas dalam alam semula jadi. Aluminosilicates - oxosilicates bingkai, di mana beberapa atom silikon digantikan oleh trivalen Al; contohnya Na 12 [(Si, Al) 0 4] 12.

Bagi asid silisik, keadaan koloid adalah ciri apabila terdedah kepada garam asid H 2 SiO 3 tidak memendakan serta-merta. Larutan koloid asid silisik (sol) dalam keadaan tertentu (contohnya, apabila dipanaskan) boleh ditukar menjadi gel jisim gelatin yang telus dan homogen bagi asid silisik. Gel ialah sebatian molekul tinggi dengan struktur spatial, sangat longgar yang dibentuk oleh molekul Si0 2, lompangnya diisi dengan molekul H 2 O. Apabila gel asid silisik didehidrasi, gel silika diperoleh - produk berliang dengan penjerapan yang tinggi kapasiti.

Rajah 4. Struktur silikat.

kesimpulan

Setelah meneliti sebatian kimia berdasarkan silikon dan karbon dalam kerja saya, saya membuat kesimpulan bahawa karbon, sebagai unsur kuantitatif yang tidak begitu biasa, adalah komponen terpenting dalam kehidupan duniawi, sebatiannya wujud dalam udara, minyak, dan juga dalam bahan mudah seperti berlian dan grafit. Satu daripada ciri yang paling penting karbon mempunyai ikatan kovalen yang kuat antara atom, serta atom hidrogen. Sebatian tak organik karbon yang paling penting ialah: oksida, asid, garam, halida, derivatif yang mengandungi nitrogen, sulfida, karbida.

Bercakap tentang silikon, perlu diperhatikan sejumlah besar rizabnya di bumi, ia adalah asas kerak bumi dan terdapat dalam pelbagai jenis silikat, pasir, dll. Pada masa ini, penggunaan silikon kerana sifat semikonduktornya semakin meningkat. Ia digunakan dalam elektronik dalam pembuatan pemproses komputer, litar mikro dan cip. Sebatian silikon dengan logam membentuk silisid, sebatian oksigen yang paling penting bagi silikon ialah silikon oksida SiO 2 (silika). Secara semula jadi, terdapat pelbagai jenis silikat - talc, asbestos, aluminosilikat juga biasa.

Bibliografi

1. Ensiklopedia Soviet Hebat. Edisi ketiga. T.28. - M.: Ensiklopedia Soviet, 1970.

2. Zhiryakov V.G. Kimia organik. ed ke-4. - M., "Kimia", 1971.

3. Ensiklopedia kimia ringkas. - M. "Ensiklopedia Soviet", 1967.

4. Kimia am / Ed. MAKAN. Sokolovskaya, L.S. Guzeya. ed ke-3. - M.: Rumah Penerbitan Moscow. un-ta, 1989.

5. Dunia alam yang tidak bernyawa. - M., "Sains", 1983.

6. Potapov V.M., Tatarinchik S.N. Kimia organik. Buku teks.4th ed. - M.: "Kimia", 1989.

Karbon mampu membentuk beberapa pengubahsuaian alotropik. Ini adalah berlian (pengubahsuaian alotropik yang paling lengai), grafit, fullerene dan karbina.

Arang dan jelaga adalah karbon amorf. Karbon dalam keadaan ini tidak mempunyai struktur yang teratur dan sebenarnya terdiri daripada serpihan terkecil lapisan grafit. Karbon amorf yang dirawat dengan wap air panas dipanggil karbon teraktif. 1 gram karbon diaktifkan, kerana kehadiran banyak liang di dalamnya, mempunyai jumlah permukaan lebih daripada tiga ratus meter persegi! Oleh kerana keupayaannya untuk menyerap pelbagai bahan, karbon teraktif ditemui aplikasi yang luas sebagai pengisi penapis, serta enterosorben untuk pelbagai jenis keracunan.

Dari sudut pandangan kimia, karbon amorf ialah bentuknya yang paling aktif, grafit mempamerkan aktiviti sederhana, dan berlian adalah bahan yang sangat lengai. Atas sebab ini, sifat kimia karbon yang dipertimbangkan di bawah harus dikaitkan terutamanya dengan karbon amorf.

Mengurangkan sifat karbon

Sebagai agen penurunan, karbon bertindak balas dengan bukan logam seperti oksigen, halogen, dan sulfur.

Bergantung kepada lebihan atau kekurangan oksigen semasa pembakaran arang batu, pembentukan karbon monoksida CO atau karbon dioksida CO 2 adalah mungkin:

Apabila karbon bertindak balas dengan fluorin, karbon tetrafluorida terbentuk:

Apabila karbon dipanaskan dengan sulfur, karbon disulfida CS 2 terbentuk:

Karbon mampu mengurangkan logam selepas aluminium dalam siri aktiviti daripada oksidanya. Sebagai contoh:

Karbon juga bertindak balas dengan oksida logam aktif, bagaimanapun, dalam kes ini, sebagai peraturan, bukan pengurangan logam diperhatikan, tetapi pembentukan karbidanya:

Interaksi karbon dengan oksida bukan logam

Karbon memasuki tindak balas perkadaran bersama dengan karbon dioksida CO 2:

Salah satu proses yang paling penting dari sudut pandangan industri ialah apa yang dipanggil pembaharuan wap arang batu. Proses ini dijalankan dengan menghantar wap air melalui arang panas. Dalam kes ini, tindak balas berikut berlaku:

Pada suhu tinggi, karbon mampu mengurangkan walaupun sebatian lengai seperti silikon dioksida. Dalam kes ini, bergantung kepada keadaan, pembentukan silikon atau silikon karbida adalah mungkin ( carborundum):

Juga, karbon sebagai agen pengurangan bertindak balas dengan asid pengoksida, khususnya, asid sulfurik dan nitrik pekat:

Sifat pengoksidaan karbon

Karbon unsur kimia tidak mempunyai keelektronegatifan yang tinggi, oleh itu, dibentuk olehnya bahan mudah jarang menunjukkan sifat pengoksidaan berhubung dengan bukan logam lain.

Contoh tindak balas sedemikian ialah interaksi karbon amorf dengan hidrogen apabila dipanaskan dengan kehadiran mangkin:

serta dengan silikon pada suhu 1200-1300 kira-kira C:

Karbon mempamerkan sifat pengoksidaan berhubung dengan logam. Karbon boleh bertindak balas dengan logam aktif dan beberapa logam aktiviti sederhana. Tindak balas berlaku apabila dipanaskan:

Karbida logam aktif dihidrolisiskan oleh air:

serta larutan asid bukan pengoksida:

Dalam kes ini, hidrokarbon terbentuk mengandungi karbon dalam keadaan pengoksidaan yang sama seperti dalam karbida asal.

Sifat kimia silikon

Silikon boleh wujud, begitu juga karbon dalam keadaan hablur dan amorfus, dan, sama seperti dalam kes karbon, silikon amorfus secara ketara lebih aktif secara kimia daripada silikon kristal.

Kadang-kadang silikon amorfus dan kristal dipanggil pengubahsuaian alotropiknya, yang, secara tegasnya, tidak sepenuhnya benar. Silikon amorfus pada dasarnya adalah konglomerat yang tersusun secara rawak relatif antara satu sama lain zarah terkecil silikon kristal.

Interaksi silikon dengan bahan mudah

bukan logam

Di bawah keadaan biasa, silikon, kerana lengainya, bertindak balas hanya dengan fluorin:

Silikon bertindak balas dengan klorin, bromin dan iodin hanya apabila dipanaskan. Ia adalah ciri bahawa, bergantung kepada aktiviti halogen, suhu yang sama berbeza diperlukan:

Jadi dengan klorin, tindak balas berlangsung pada 340-420 o C:

Dengan bromin - 620-700 o C:

Dengan iodin - 750-810 o C:

Tindak balas silikon dengan oksigen diteruskan, bagaimanapun, ia memerlukan pemanasan yang sangat kuat (1200-1300 ° C) kerana fakta bahawa filem oksida yang kuat membuat interaksi sukar:

Pada suhu 1200-1500 ° C, silikon perlahan-lahan berinteraksi dengan karbon dalam bentuk grafit untuk membentuk carborundum SiC - bahan dengan kisi kristal atom yang serupa dengan berlian dan hampir tidak kalah kekuatannya:

Silikon tidak bertindak balas dengan hidrogen.

logam

Oleh kerana keelektronegatifannya yang rendah, silikon boleh mempamerkan sifat pengoksidaan hanya berkenaan dengan logam. Daripada logam, silikon bertindak balas dengan aktif (alkali dan alkali tanah), serta banyak logam aktiviti sederhana. Hasil daripada interaksi ini, silisid terbentuk:

Interaksi silikon dengan bahan kompleks

Silikon tidak bertindak balas dengan air walaupun semasa mendidih, bagaimanapun, silikon amorfus berinteraksi dengan wap air panas lampau pada suhu kira-kira 400-500 ° C. Ini menghasilkan hidrogen dan silikon dioksida:

Daripada semua asid, silikon (dalam keadaan amorf) hanya bertindak balas dengan asid hidrofluorik pekat:

Silikon larut dalam larutan alkali pekat. Tindak balas itu disertai dengan evolusi hidrogen.

Di bawah keadaan biasa, pengubahsuaian alotropik karbon - grafit dan berlian - agak lengai. Tetapi dengan peningkatan dalam t, mereka secara aktif memasuki tindak balas kimia dengan bahan mudah dan kompleks.

Sifat kimia karbon

Oleh kerana keelektronegatifan karbon rendah, bahan mudah adalah agen penurunan yang baik. Lebih mudah untuk mengoksidakan karbon hablur halus, lebih sukar - grafit, malah lebih sukar - berlian.

Pengubahsuaian alotropik karbon dioksidakan oleh oksigen (terbakar) pada suhu penyalaan tertentu: grafit menyala pada 600 °C, berlian pada 850-1000 °C. Jika oksigen berlebihan, karbon monoksida (IV) terbentuk, jika terdapat kekurangan, karbon monoksida (II):

C + O2 = CO2

2C + O2 = 2CO

Karbon mengurangkan oksida logam. Dalam kes ini, logam diperolehi dalam bentuk bebas. Sebagai contoh, apabila plumbum oksida dikalsinkan dengan kok, plumbum dileburkan:

PbO + C = Pb + CO

agen pengurangan: C0 - 2e => C+2

pengoksida: Pb+2 + 2e => Pb0

Karbon juga mempamerkan sifat pengoksidaan berkenaan dengan logam. Pada masa yang sama, ia membentuk pelbagai jenis karbida. Jadi, aluminium mengalami tindak balas pada suhu tinggi:

3C + 4Al = Al4C3

C0 + 4e => C-4 3

Al0 – 3e => Al+3 4

Sifat kimia sebatian karbon

1) Oleh kerana kekuatan karbon monoksida adalah tinggi, ia memasuki tindak balas kimia pada suhu tinggi. Dengan pemanasan yang ketara, sifat pengurangan tinggi karbon monoksida ditunjukkan. Jadi, ia bertindak balas dengan oksida logam:

CuO + CO => Cu + CO2

Pada suhu tinggi(700 °C) ia menyala dalam oksigen dan terbakar dengan nyalaan biru. Daripada nyalaan ini, anda boleh mengetahui bahawa karbon dioksida terbentuk hasil daripada tindak balas:

CO + O2 => CO2

2) Ikatan berganda dalam molekul karbon dioksida cukup kuat. Pecahnya memerlukan tenaga yang ketara (525.6 kJ/mol). Oleh itu, karbon dioksida agak lengai. Tindak balas yang dimasukinya selalunya berlaku pada suhu tinggi.

Karbon dioksida mempamerkan sifat berasid apabila ia bertindak balas dengan air. Ini membentuk larutan asid karbonik. Tindak balas boleh diterbalikkan.

Karbon dioksida, sebagai oksida berasid, bertindak balas dengan alkali dan oksida asas. Apabila karbon dioksida dialirkan melalui larutan alkali, sama ada garam purata atau asid boleh terbentuk.

3) Asid karbonik mempunyai semua sifat asid dan berinteraksi dengan alkali dan oksida asas.

Sifat kimia silikon

silikon lebih aktif daripada karbon, dan dioksidakan oleh oksigen pada 400 °C. Bukan logam lain boleh mengoksidakan silikon. Tindak balas ini biasanya berlaku pada suhu yang lebih tinggi daripada dengan oksigen. Dalam keadaan sedemikian, silikon berinteraksi dengan karbon, khususnya dengan grafit. Dalam kes ini, carborundum SiC terbentuk - bahan yang sangat keras, lebih rendah daripada kekerasan hanya kepada berlian.

Silikon juga boleh menjadi agen pengoksidaan. Ini ditunjukkan dalam tindak balas dengan logam aktif. Sebagai contoh:

Si + 2Mg = Mg2Si

Aktiviti silikon yang lebih tinggi berbanding karbon ditunjukkan dalam fakta bahawa, tidak seperti karbon, ia bertindak balas dengan alkali:

Si + NaOH + H2O => Na2SiO3 + H2

Sifat kimia sebatian silikon

1) Ikatan kuat antara atom dalam kekisi kristal silikon dioksida menerangkan aktiviti kimia yang rendah. Tindak balas yang dimasuki oksida ini berlaku pada suhu tinggi.

Silikon oksida ialah oksida berasid. Seperti yang anda tahu, ia tidak bertindak balas dengan air. Sifat berasidnya ditunjukkan dalam tindak balas dengan alkali dan oksida asas:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

Tindak balas dengan oksida asas berlaku pada suhu tinggi.

Silikon oksida mempamerkan sifat pengoksidaan yang lemah. Ia dikurangkan oleh beberapa logam aktif.