Krzem i jego związki. Krzem: zastosowanie, właściwości chemiczne i fizyczne

Jako niezależny pierwiastek chemiczny krzem stał się znany ludzkości dopiero w 1825 roku. Co oczywiście nie przeszkodziło w stosowaniu związków krzemu w tak wielu sferach, że łatwiej wymienić te, w których element nie jest używany. Ten artykuł rzuci światło na fizyczne, mechaniczne i użyteczne Właściwości chemiczne krzem i jego związki, obszary zastosowania, porozmawiamy również o tym, jak krzem wpływa na właściwości stali i innych metali.

Na początek zajmijmy się ogólną charakterystyką krzemu. Od 27,6 do 29,5% masy skorupa Ziemska tworzy silikon. W wodzie morskiej stężenie pierwiastka jest również przyzwoite – do 3 mg/l.

Pod względem rozpowszechnienia w litosferze krzem zajmuje drugie miejsce honorowe po tlenie. Jednak jego najbardziej znana forma, krzemionka, jest tlenkiem i to właśnie jej właściwości stały się podstawą tak szerokiego zastosowania.

Ten film powie Ci, czym jest krzem:

Koncepcja i cechy

Krzem jest niemetalem, ale różne warunki może wykazywać zarówno właściwości kwasowe, jak i zasadowe. Jest to typowy półprzewodnik i jest niezwykle szeroko stosowany w elektrotechnice. Jego właściwości fizyczne i chemiczne w dużej mierze zależą od stanu alotropowego. Najczęściej zajmują się formą krystaliczną, ponieważ jej cechy są bardziej poszukiwane w gospodarce narodowej.

Krzem jest jednym z podstawowych makroskładników w Ludzkie ciało. Jego niedobór jest szkodliwy dla stanu tkanka kostna, włosy Skóra Paznokcie. Ponadto krzem wpływa na działanie układu odpornościowego.
W medycynie pierwiastek, a raczej jego związki, znalazły swoje pierwsze zastosowanie w tym charakterze. Woda ze studni wyłożonych krzemieniem różniła się nie tylko czystością, ale również miała pozytywny wpływ na odporność na choroba zakaźna. Obecnie związki z krzemem służą jako podstawa leków przeciw gruźlicy, miażdżycy i artretyzmowi.
Na ogół niemetal jest nieaktywny, jednak nawet w czysta forma trudno go spotkać. Wynika to z faktu, że w powietrzu jest szybko pasywowany przez warstwę dwutlenku i przestaje reagować. Po podgrzaniu aktywność chemiczna wzrasta. W rezultacie ludzkość jest znacznie bardziej zaznajomiona ze związkami materii, a nie z samą sobą.

Tak więc krzem tworzy stopy z prawie wszystkimi metalami - krzemkami. Wszystkie wyróżniają się ogniotrwałością i twardością oraz znajdują zastosowanie w swoich dziedzinach: turbinach gazowych, piecach grzewczych.

Niemetal znajduje się w tabeli D. I. Mendelejewa w grupie 6 wraz z węglem, germanem, co wskazuje na pewną wspólność z tymi substancjami. Tak więc w przypadku węgla jest „wspólny” ze zdolnością do tworzenia związków typu organicznego. Jednocześnie krzem, podobnie jak german, może w niektórych reakcjach chemicznych wykazywać właściwości metalu, który jest wykorzystywany w syntezie.

Plusy i minusy

Jak każda inna substancja pod względem zastosowania w gospodarce narodowej, krzem ma pewne użyteczne lub niezbyt przydatne właściwości. Są ważne dla określenia obszaru użytkowania.

Istotną zaletą substancji jest jej dostępność. W przyrodzie nie występuje jednak w postaci swobodnej, ale i tak technologia pozyskiwania krzemu nie jest tak skomplikowana, choć jest energochłonna.
Drugą najważniejszą zaletą jest tworzenie wielu związków z niezwykłym użyteczne właściwości. Są to silany, krzemki, dwutlenek i oczywiście różne krzemiany. Zdolność krzemu i jego związków do tworzenia złożonych roztworów stałych jest praktycznie nieskończona, co umożliwia nieskończenie wiele różnych odmian szkła, kamienia i ceramiki.
Właściwości półprzewodników niemetal zapewnia mu miejsce jako materiał bazowy w elektrotechnice i radiotechnice.
Niemetal jest nietoksyczny, co pozwala na zastosowanie w dowolnej branży, a jednocześnie nie zamienia procesu technologicznego w potencjalnie niebezpieczny.

Wady materiału obejmują tylko względną kruchość przy dobrej twardości. Krzem nie jest stosowany do konstrukcji nośnych, ale takie połączenie umożliwia odpowiednią obróbkę powierzchni kryształów, co jest ważne dla oprzyrządowania.

Porozmawiajmy teraz o głównych właściwościach krzemu.

Właściwości i cechy

Ponieważ krzem krystaliczny jest najczęściej wykorzystywany w przemyśle, to właśnie jego właściwości są ważniejsze i to właśnie one są podane w Specyfikacja techniczna. Fizyczne właściwości substancji to:

temperatura topnienia - 1417 C;
temperatura wrzenia - 2600 C;
gęstość wynosi 2,33 g/m3. patrz, co wskazuje na kruchość;
pojemność cieplna, a także przewodność cieplna nie są stałe nawet na najczystszych próbkach: 800 J/(kg K) lub 0,191 cal/(g deg) i 84-126 W/(m K), czyli 0,20-0, odpowiednio 30 cal/(cm s. stopnie);
przezroczyste na długofalowe promieniowanie podczerwone, które jest wykorzystywane w optyce podczerwieni;
stała dielektryczna - 1,17;
twardość w skali Mohsa - 7.

Właściwości elektryczne niemetalu w dużym stopniu zależą od zanieczyszczeń. W przemyśle ta cecha jest wykorzystywana przez modulację pożądanego typu półprzewodnika. W normalnych temperaturach krzem jest kruchy, ale po podgrzaniu powyżej 800 C możliwe jest odkształcenie plastyczne.

Właściwości amorficznego krzemu są uderzająco inne: jest wysoce higroskopijny i reaguje znacznie aktywniej nawet w normalnej temperaturze.

Strukturę i skład chemiczny, a także właściwości krzemu omówiono na poniższym filmie:

Skład i struktura

Krzem występuje w dwóch formach alotropowych, równie stabilnych w normalnej temperaturze.

Kryształ Ma wygląd ciemnoszarego proszku. Substancja, mimo że posiada diamentopodobną sieć krystaliczną, jest krucha – ze względu na zbyt długie wiązanie między atomami. Interesujące są jego właściwości półprzewodnikowe.
Bardzo wysokie ciśnienia do dyspozycji sześciokątny modyfikacja o gęstości 2,55 g / cu. zobacz Jednak ta faza nie znalazła jeszcze praktycznego znaczenia.
Amorficzny- Brązowy proszek. W przeciwieństwie do postaci krystalicznej reaguje znacznie aktywniej. Wynika to nie tyle z bezwładności pierwszej formy, ile z faktu, że w powietrzu substancja pokryta jest warstwą dwutlenku.

Ponadto konieczne jest uwzględnienie innego rodzaju klasyfikacji związanego z wielkością kryształu krzemu, które razem tworzą substancję. Sieć krystaliczna, jak wiadomo, implikuje uporządkowanie nie tylko atomów, ale także struktur, które te atomy tworzą – tak zwany porządek dalekiego zasięgu. Im jest większy, tym bardziej jednorodna będzie substancja we właściwościach.

monokrystaliczny– próbka to pojedynczy kryształ. Jego struktura jest jak najbardziej uporządkowana, właściwości są jednorodne i dobrze przewidywalne. To właśnie ten materiał jest najbardziej poszukiwany w elektrotechnice. Należy jednak również do najdroższych, ponieważ proces jego pozyskiwania jest skomplikowany, a tempo wzrostu niskie.
Multikrystaliczny– próbka składa się z wielu dużych ziaren krystalicznych. Granice między nimi tworzą dodatkowe poziomy wadliwe, co zmniejsza wydajność próbki jako półprzewodnika i prowadzi do szybszego zużycia. Technologia uprawy multikryształu jest prostsza, a zatem materiał jest tańszy.
Polikrystaliczny- zawiera duża liczba ziarna ułożone losowo względem siebie. To najczystsza odmiana krzemu przemysłowego, stosowana w mikroelektronice i energetyce słonecznej. Dość często wykorzystywana jest jako surowiec do uprawy multi- i monokryształów.
Krzem amorficzny również zajmuje w tej klasyfikacji odrębne miejsce. Tutaj kolejność atomów jest zachowana tylko na najkrótszych odległościach. Jednak w elektrotechnice nadal jest stosowany w postaci cienkich warstw.

Produkcja niemetalowa

Nie jest łatwo uzyskać czysty krzem, biorąc pod uwagę obojętność jego związków i wysoką temperaturę topnienia większości z nich. W przemyśle najczęściej stosuje się redukcję dwutlenku węgla. Reakcję prowadzi się w piecach łukowych w temperaturze 1800 C. W ten sposób otrzymuje się niemetal o czystości 99,9%, co nie wystarcza do jego zastosowania.

Otrzymany materiał poddaje się chlorowaniu w celu uzyskania chlorków i chlorowodorków. Połączenia są następnie czyszczone ze wszystkich możliwe metody z zanieczyszczeń i redukować wodorem.

Możliwe jest również oczyszczenie substancji poprzez otrzymanie krzemku magnezu. Krzemek jest wystawiony na działanie chlorowodoru lub kwas octowy. Pozyskuje się silan, który jest oczyszczany różne sposoby- sorpcja, rektyfikacja i tak dalej. Następnie silan rozkłada się na wodór i krzem w temperaturze 1000°C. W tym przypadku otrzymuje się substancję o frakcji zanieczyszczeń 10-8-10-6%.

Stosowanie substancji

W przemyśle największym zainteresowaniem cieszą się właściwości elektrofizyczne niemetalu. Jego postać monokrystaliczna jest półprzewodnikiem z pośrednią przerwą. O jego właściwościach decydują zanieczyszczenia, co umożliwia uzyskanie kryształów krzemu o pożądanych właściwościach. Tak więc dodatek boru, indu umożliwia hodowlę kryształu o przewodności dziurowej, a wprowadzenie fosforu lub arsenu - kryształu o przewodności elektronicznej.

Krzem dosłownie służy jako podstawa nowoczesnej elektrotechniki. Z niego wykonane są tranzystory, fotokomórki, układy scalone, diody i tak dalej. Co więcej, o funkcjonalności urządzenia prawie zawsze decyduje jedynie przypowierzchniowa warstwa kryształu, co prowadzi do bardzo specyficznych wymagań dotyczących obróbki powierzchni.
W metalurgii krzem techniczny stosowany jest zarówno jako modyfikator stopu - daje większą wytrzymałość, jak i jako składnik - np. i jako odtleniacz - w produkcji żeliwa.
Ultraczysta i wyrafinowana metalurgia stanowi podstawę energii słonecznej.
Dwutlenek niemetali występuje w przyrodzie w bardzo Różne formy. Jego odmiany krystaliczne to opal, agat, karneol, ametyst, kryształ górski, znalazły swoje miejsce w branży jubilerskiej. Modyfikacje, które nie są tak atrakcyjne z wyglądu - krzemień, kwarc, są stosowane w metalurgii, budownictwie i elektrotechnice radiowej.
Związek niemetalu z węglem - węglik, jest stosowany w metalurgii, w produkcji instrumentów oraz w przemysł chemiczny. Jest to półprzewodnik szerokoszczelinowy, charakteryzujący się wysoką twardością – 7 w skali Mohsa oraz wytrzymałością, która pozwala na zastosowanie go jako materiału ściernego.
Krzemiany – czyli sole kwasu krzemowego. Niestabilny, łatwo rozkładający się pod wpływem temperatury. Wyróżniają się tym, że tworzą liczne i różnorodne sole. Ale te ostatnie są podstawą do produkcji szkła, ceramiki, fajansu, kryształu i. Można śmiało powiedzieć, że współczesne budownictwo opiera się na różnorodnych krzemianach.
Szkło reprezentuje tutaj najwięcej ciekawy przypadek. Opiera się na glinokrzemianach, ale znikome zanieczyszczenia innych substancji - najczęściej tlenki nadają materiałowi masę różne właściwości, w tym kolor. - fajans, porcelana w rzeczywistości ma tę samą formułę, choć o innej proporcji składników, a jej różnorodność też jest niesamowita.
Niemetal ma inną zdolność: tworzy związki typu węglowego w postaci długiego łańcucha atomów krzemu. Takie związki nazywane są związkami krzemoorganicznymi. Zakres ich zastosowania jest nie mniej znany - są to silikony, uszczelniacze, smary i tak dalej.

Krzem jest bardzo powszechnym pierwiastkiem i jest niezwykle ważny w tak wielu dziedzinach. Gospodarka narodowa. Co więcej, aktywnie wykorzystywana jest nie tylko sama substancja, ale wszystkie jej różne i liczne związki.

W tym filmie omówimy właściwości i zastosowania krzemu:

Wstęp

Rozdział 2. Związki chemiczne węgla

2.1 Pochodne tlenowe węgla

2.1.1 +2 stopień utlenienia

2.1.2 +4 stopień utlenienia

2.3 Węgliki metali

2.3.1 Węgliki rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych kwasach

2.3.2 Węgliki nierozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych kwasach

Rozdział 3. Związki krzemu

3.1 Związki krzemu tlenowego

Bibliografia

Wstęp

Chemia jest jedną z gałęzi nauk przyrodniczych, której przedmiotem jest: pierwiastki chemiczne(atomy), substancje proste i złożone (cząsteczki), które tworzą, ich przemiany oraz prawa rządzące tymi przemianami.

Z definicji D.I. Mendelejew (1871), „chemię w jej obecnym stanie… można nazwać doktryną pierwiastków”.

Pochodzenie słowa „chemia” nie jest do końca jasne. Wielu badaczy uważa, że pochodzi od starożytnej nazwy Egiptu – Hemia (gr. Chemia, występującej u Plutarcha), która wywodzi się od „hem” lub „hame” – czarny i oznacza „nauka o czarnej ziemi” (Egipt), „ Nauka egipska”.

Nowoczesna chemia jest ściśle związana zarówno z innymi naukami przyrodniczymi, jak i wszystkimi gałęziami gospodarki narodowej.

Jakościowa cecha chemicznej formy ruchu materii i jej przejść do innych form ruchu determinuje wszechstronność nauk chemicznych i jej związek z dziedzinami wiedzy badającymi zarówno niższe, jak i wyższe formy ruchu. Znajomość chemicznej formy ruchu materii wzbogaca ogólną doktrynę rozwoju przyrody, ewolucji materii we Wszechświecie i przyczynia się do powstania integralnego materialistycznego obrazu świata. Kontakt chemii z innymi naukami powoduje powstanie określonych obszarów ich wzajemnego przenikania się. Tak więc obszary przejścia między chemią a fizyką są reprezentowane przez chemię fizyczną i fizykę chemiczną. Między chemią a biologią, chemią a geologią powstały specjalne obszary pogranicza - geochemia, biochemia, biogeochemia, biologia molekularna. Najważniejsze prawa chemii sformułowane są w języku matematycznym, a chemia teoretyczna nie może się rozwijać bez matematyki. Chemia wywarła i wywiera wpływ na rozwój filozofii, sama doświadczyła i doświadcza jej wpływu.

Historycznie rozwinęły się dwie główne gałęzie chemii: chemia nieorganiczna, która bada przede wszystkim pierwiastki chemiczne oraz substancje proste i złożone, które tworzą (poza związkami węgla) oraz chemia organiczna, której przedmiotem są związki węgla z innymi pierwiastkami ( substancje organiczne).

Do końca XVIII wieku określenia „chemia nieorganiczna” i „chemia organiczna” wskazywały jedynie, z którego „królestwa” natury (mineralnego, roślinnego czy zwierzęcego) pozyskiwano określone związki. Począwszy od XIX wieku. terminy te zaczęły wskazywać na obecność lub brak węgla w danej substancji. Potem nabrały nowego, szerszego znaczenia. Chemia nieorganiczna styka się przede wszystkim z geochemią, a następnie z mineralogią i geologią, tj. z naukami natury nieorganicznej. Chemia organiczna reprezentuje gałąź chemii, która bada różne związki węgla aż do najbardziej złożonych substancji biopolimerowych. Poprzez chemię organiczną i bioorganiczną, chemia graniczy z biochemią, a dalej z biologią, czyli m.in. z całokształtem nauk przyrody żywej. Na styku chemii nieorganicznej i organicznej znajduje się obszar związków organopierwiastkowych.

W chemii stopniowo powstawały idee dotyczące strukturalnych poziomów organizacji materii. Powikłanie substancji, począwszy od najniższych, atomowych, przechodzi przez etapy związków molekularnych, makrocząsteczkowych lub wysokocząsteczkowych (polimer), następnie międzycząsteczkowych (kompleks, klatrat, katenan), a na końcu różne makrostruktury (kryształ, micela ) aż do nieokreślonych formacji niestechiometrycznych. Stopniowo rozwijały się i wyodrębniały odpowiednie dyscypliny: chemia związków złożonych, polimerów, chemia krystaliczna, badanie układów rozproszonych i zjawisk powierzchniowych, stopów itp.

Badanie obiektów i zjawisk chemicznych metody fizyczne, ustalanie praw przemian chemicznych, na podstawie ogólne zasady fizyka leży u podstaw chemii fizycznej. Ten obszar chemii obejmuje szereg w dużej mierze niezależnych dyscyplin: termodynamikę chemiczną, kinetykę chemiczną, elektrochemię, chemię koloidów, chemię kwantową oraz badanie struktury i właściwości cząsteczek, jonów, rodników, chemię radiacyjną, fotochemię, doktrynę kataliza, równowaga chemiczna, roztwory i inne. chemia analityczna, których metody są szeroko stosowane we wszystkich dziedzinach chemii i przemyśle chemicznym. W obszarach praktycznego zastosowania chemii powstały takie nauki i dyscypliny naukowe jak technologia chemiczna z jej wieloma gałęziami, metalurgia, chemia rolnicza, chemia medyczna, kryminalistyczna itp.

Jak wspomniano powyżej, chemia uwzględnia pierwiastki chemiczne i substancje, które tworzą, a także prawa rządzące tymi przemianami. Jeden z tych aspektów (mianowicie związki chemiczne oparte na krzemie i węglu) i będą rozważane przeze mnie w tym artykule.

Rozdział 1. Krzem i węgiel - pierwiastki chemiczne

1.1 Wprowadzenie do węgla i krzemu

Węgiel (C) i krzem (Si) należą do grupy IVA.

Węgiel nie jest bardzo powszechnym pierwiastkiem. Mimo to jego znaczenie jest ogromne. Węgiel jest podstawą życia na ziemi. Jest to część węglanów (Ca, Zn, Mg, Fe, itp.), które są bardzo powszechne w przyrodzie, występuje w atmosferze w postaci CO 2, występuje w postaci węgli naturalnych (grafit amorficzny), ropy naftowej i naturalnych gaz, a także proste substancje ( diament, grafit).

Krzem jest drugim najobficiej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (po tlenie). Jeśli węgiel jest podstawą życia, to krzem jest podstawą skorupy ziemskiej. Występuje w ogromnej różnorodności krzemianów (ryc. 4) i glinokrzemianów, piasku.

Krzem amorficzny to brązowy proszek. Ten ostatni jest łatwy do uzyskania w stanie krystalicznym w postaci szarych twardych, ale raczej kruchych kryształów. Krzem krystaliczny jest półprzewodnikiem.

Tabela 1. Ogólne dane chemiczne dotyczące węgla i krzemu.

Modyfikacja węgla stabilna w zwykłej temperaturze - grafit - jest nieprzezroczystą, szarą, tłustą masą. Diament – najtwardsza substancja na ziemi – jest bezbarwny i przezroczysty. Struktury krystaliczne grafitu i diamentu pokazano na rys.1.

Rysunek 1. Struktura diamentu (a); struktura grafitowa (b)

Węgiel i krzem mają swoje specyficzne pochodne.

Tabela 2. Najbardziej charakterystyczne pochodne węgla i krzemu

1.2 Przygotowanie, właściwości chemiczne i zastosowanie prostych substancji

Krzem otrzymuje się przez redukcję tlenków węglem; aby otrzymać w szczególnie czystym stanie po redukcji, substancję przenosi się do tetrachlorku i ponownie redukuje (wodorem). Następnie jest przetapiany na wlewki i poddawany czyszczeniu poprzez topienie strefowe. Wlewek metalu jest podgrzewany z jednego końca tak, że powstaje w nim strefa stopionego metalu. Gdy strefa przesuwa się na drugi koniec wlewka, zanieczyszczenia rozpuszczające się w stopionym metalu lepiej niż w stałym są usuwane, a tym samym metal jest oczyszczany.

Węgiel jest obojętny, ale w bardzo wysokiej temperaturze (w stanie amorficznym) wchodzi w interakcje z większością metali tworząc stałe roztwory lub węgliki (CaC 2, Fe 3 C itp.), a także z wieloma metaloidami, np.:

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

Krzem jest bardziej reaktywny. Reaguje z fluorem już w zwykłej temperaturze: Si + 2F 2 \u003d SiF 4

Krzem ma również bardzo wysokie powinowactwo do tlenu:

Reakcja z chlorem i siarką przebiega w temperaturze około 500 K. Przy bardzo wysoka temperatura krzem oddziałuje z azotem i węglem:

Krzem nie oddziałuje bezpośrednio z wodorem. Krzem rozpuszcza się w alkaliach:

Si + 2NaOH + H 2 0 \u003d Na 2 Si03 + 2H 2.

Kwasy inne niż fluorowodorowy nie mają na nią wpływu. Z HF jest reakcja

Si+6HF=H2+2H2.

Węgiel w składzie różnych węgli, ropy naftowej, naturalnych (głównie CH4), a także sztucznie pozyskiwanych gazów jest najważniejszą bazą paliwową naszej planety

Wstęp

2.1.1 +2 stopień utlenienia

2.1.2 +4 stopień utlenienia

2.3 Węgliki metali

Rozdział 3. Związki krzemu

Bibliografia

Wstęp

Chemia jest jedną z gałęzi nauk przyrodniczych, której przedmiotem są pierwiastki chemiczne (atomy), tworzone przez nie proste i złożone substancje (cząsteczki), ich przemiany oraz prawa, którym te przemiany podlegają.

Z definicji D.I. Mendelejew (1871), „chemię w jej obecnym stanie… można nazwać doktryną pierwiastków”.

Nowoczesna chemia jest ściśle związana zarówno z innymi naukami przyrodniczymi, jak i wszystkimi gałęziami gospodarki narodowej.

Do końca XVIII wieku określenia „chemia nieorganiczna” i „chemia organiczna” wskazywały jedynie, z którego „królestwa” natury (mineralnego, roślinnego czy zwierzęcego) pozyskiwano określone związki. Począwszy od XIX wieku. terminy te zaczęły wskazywać na obecność lub brak węgla w danej substancji. Potem nabrały nowego, szerszego znaczenia. Chemia nieorganiczna styka się przede wszystkim z geochemią, a następnie z mineralogią i geologią, tj. z naukami natury nieorganicznej. Chemia organiczna to dział chemii, który bada różne związki węgla, aż do najbardziej złożonych substancji biopolimerowych. Poprzez chemię organiczną i bioorganiczną, chemia graniczy z biochemią, a dalej z biologią, czyli m.in. z całokształtem nauk przyrody żywej. Na styku chemii nieorganicznej i organicznej znajduje się obszar związków organopierwiastkowych.

Badanie obiektów i zjawisk chemicznych metodami fizycznymi, ustalanie wzorców przemian chemicznych, w oparciu o ogólne zasady fizyki, leży u podstaw chemii fizycznej. Ten obszar chemii obejmuje szereg w dużej mierze niezależnych dyscyplin: termodynamikę chemiczną, kinetykę chemiczną, elektrochemię, chemię koloidów, chemię kwantową oraz badanie struktury i właściwości cząsteczek, jonów, rodników, chemię radiacyjną, fotochemię, doktrynę kataliza, równowaga chemiczna, roztwory itp. Chemia analityczna nabrała niezależnego charakteru , których metody są szeroko stosowane we wszystkich dziedzinach chemii i przemyśle chemicznym. W obszarach praktycznego zastosowania chemii powstały takie nauki i dyscypliny naukowe jak technologia chemiczna z jej wieloma gałęziami, metalurgia, chemia rolnicza, chemia medyczna, kryminalistyczna itp.

Jak wspomniano powyżej, chemia uwzględnia pierwiastki chemiczne i substancje, które tworzą, a także prawa rządzące tymi przemianami. Jeden z tych aspektów (a mianowicie związki chemiczne na bazie krzemu i węgla) będzie przeze mnie rozważany w tym artykule.

Rozdział 1. Krzem i węgiel - pierwiastki chemiczne

1.1 Wprowadzenie do węgla i krzemu

Węgiel (C) i krzem (Si) należą do grupy IVA.

Tabela 1. Ogólne dane chemiczne dotyczące węgla i krzemu.

Rysunek 1. Struktura diamentu (a); struktura grafitowa (b)

Węgiel i krzem mają swoje specyficzne pochodne.

Tabela 2. Najbardziej charakterystyczne pochodne węgla i krzemu

1.2 Przygotowanie, właściwości chemiczne i zastosowanie prostych substancji

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

Krzem jest bardziej reaktywny. Reaguje z fluorem już w zwykłej temperaturze: Si + 2F 2 \u003d SiF 4

Krzem ma również bardzo wysokie powinowactwo do tlenu:

Reakcja z chlorem i siarką przebiega w temperaturze około 500 K. W bardzo wysokich temperaturach krzem oddziałuje z azotem i węglem:

Krzem nie oddziałuje bezpośrednio z wodorem. Krzem rozpuszcza się w alkaliach:

Si + 2NaOH + H 2 0 \u003d Na 2 Si03 + 2H 2.

Kwasy inne niż fluorowodorowy nie mają na nią wpływu. Z HF jest reakcja

Si+6HF=H2+2H2.

Węgiel w składzie różnych węgli, ropy naftowej, naturalnych (głównie CH4), a także sztucznie pozyskiwanych gazów jest najważniejszą bazą paliwową naszej planety

Grafit jest szeroko stosowany do produkcji tygli. Jako elektrody stosuje się pręty grafitowe. Dużo grafitu trafia do produkcji ołówków. Węgiel i krzem są wykorzystywane do produkcji różnych gatunków żeliwa. W metalurgii węgiel jest używany jako środek redukujący, a krzem, ze względu na jego wysokie powinowactwo do tlenu, jako odtleniacz. Krzem krystaliczny w szczególnie czystym stanie (nie więcej niż 10 -9 at.% zanieczyszczeń) jest używany jako półprzewodnik w różnych urządzeniach i urządzeniach, w tym jako tranzystory i termistory (urządzenia do bardzo dokładnych pomiarów temperatury), a także w fotokomórkach, którego działanie opiera się na zdolności półprzewodnika do przewodzenia prądu po oświetleniu.

Rozdział 2. Związki chemiczne węgla

Węgiel charakteryzuje się silnymi wiązaniami kowalencyjnymi pomiędzy własnymi atomami (C-C) oraz z atomem wodoru (C-H), co przekłada się na obfitość związków organicznych (kilkaset milionów). Oprócz trwałego Połączenia C-H, C-C w różnych klasach związków organicznych i nieorganicznych, wiązania węglowe z azotem, siarką, tlenem, halogenami i metalami są szeroko reprezentowane (patrz Tabela 5). Tak duże możliwości tworzenia wiązań wynikają z małych rozmiarów atomu węgla, co pozwala na jak największe nakładanie się jego orbitali walencyjnych 2s 2 , 2p 2 . Najważniejsze związki nieorganiczne opisano w tabeli 3.

Wśród nieorganicznych związków węgla pochodne zawierające azot są wyjątkowe pod względem składu i struktury.

W chemii nieorganicznej szeroko reprezentowane są pochodne octowego CH3COOH i szczawiowego kwasu H 2 C 2 O 4 - octany (typ M "CH3COO) i szczawiany (typ M I 2 C 2 O 4).

Tabela 3. Najważniejsze nieorganiczne związki węgla.

2.1 Pochodne tlenowe węgla

2.1.1 +2 stopień utlenienia

Tlenek węgla CO (tlenek węgla): zgodnie ze strukturą orbitali molekularnych (tab. 4).

CO jest podobny do cząsteczki N2. Podobnie jak azot, CO ma wysoką energię dysocjacji (1069 kJ/mol), ma niską Tm (69 K) i Tbp (81,5 K), jest słabo rozpuszczalny w wodzie i chemicznie obojętny. CO reaguje tylko w wysokich temperaturach, w tym:

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

CO + Br 2 \u003d SOVg 2, Cr + 6CO \u003d Cr (CO) 6 -karbonyl chromu,

Ni + 4CO \u003d Ni (CO) 4 - karbonyl niklu

Pary CO + H 2 0 \u003d HCOOH (kwas mrówkowy).

Jednocześnie cząsteczka CO ma wysokie powinowactwo do tlenu:

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

Ze względu na wysokie powinowactwo do tlenu tlenek węgla (II) jest stosowany jako czynnik redukujący tlenki wielu metali ciężkich (Fe, Co, Pb itp.). W laboratorium tlenek CO otrzymuje się przez odwodnienie kwasu mrówkowego.

W technologii tlenek węgla (II) otrzymuje się przez redukcję CO 2 węglem (C + CO 2 \u003d 2 CO) lub przez utlenianie metanu (2CH 4 + 3O 2 \u003d \u003d 4H 2 0 + 2CO).

Wśród pochodnych CO duże znaczenie teoretyczne i pewne praktyczne (przy otrzymywaniu czystych metali) mają karbonylki metali.

Wiązania chemiczne w karbonylkach są tworzone głównie przez mechanizm donor-akceptor ze względu na wolne orbitale d- pierwiastka i pary elektronowej cząsteczki CO, zachodzi również n-nakładanie się mechanizmu celowania (metal CO). Wszystkie karbonylki metali są substancjami diamagnetycznymi charakteryzującymi się niską wytrzymałością. Podobnie jak tlenek węgla (II), karbonylki metali są toksyczne.

Tabela 4. Rozkład elektronów na orbitalach cząsteczki CO

2.1.2 +4 stopień utlenienia

Dwutlenek węgla CO 2 (dwutlenek węgla). Cząsteczka CO 2 jest liniowa. Schemat energetyczny tworzenia orbitali cząsteczki CO 2 pokazano na ryc. 2. Tlenek węgla (IV) może reagować z amoniakiem w reakcji.

Po podgrzaniu tej soli otrzymuje się cenny nawóz – karbamid CO (MH 2) 2:

Mocznik jest rozkładany przez wodę

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

Rysunek 2. Schemat energetyczny powstawania orbitali molekularnych CO 2 .

W technologii tlenek CO 2 otrzymuje się przez rozkład węglanu wapnia lub wodorowęglanu sodu:

W warunkach laboratoryjnych zwykle otrzymuje się go drogą reakcji (w aparacie Kippa)

CaCO3 + 2HC1 = CaC12 + CO2 + H20.

Najważniejszymi pochodnymi CO 2 są słaby kwas węglowy H 2 CO s i jego sole: M I 2 CO 3 i M I HC 3 (odpowiednio węglany i wodorowęglany).

Większość węglanów jest nierozpuszczalna w wodzie. Węglany rozpuszczalne w wodzie ulegają znacznej hydrolizie:

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

Ze względu na całkowitą hydrolizę roztwory wodne niemożliwe jest wyizolowanie węglanów Cr 3+ , ai 3 + , Ti 4+ , Zr 4+ itp.

Praktycznie ważne są Ka 2 CO3 (soda), K 2 CO3 (potaż) i CaCO3 (kreda, marmur, wapień). Wodorowęglany w przeciwieństwie do węglanów są rozpuszczalne w wodzie. Z wodorowęglanów praktyczne użycie znajduje NaHCO 3 ( napoje gazowane). Ważnymi zasadowymi węglanami są 2CuCO3-Cu (OH) 2 , PbCO 3 X XPb (OH) 2 .

Właściwości halogenków węgla podano w tabeli 6. Spośród halogenków węgla najważniejsza jest bezbarwna, raczej toksyczna ciecz. W normalne warunki CCI 4 jest chemicznie obojętny. Stosowany jest jako niepalny i niepalny rozpuszczalnik do żywic, lakierów, tłuszczów, a także do otrzymywania freonu CF 2 CI 2 (Tbp = 303 K):

Innym rozpuszczalnikiem organicznym stosowanym w praktyce jest dwusiarczek węgla CSa (bezbarwna, lotna ciecz o Tbp = 319 K) – substancja reaktywna:

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 (sól kwasu tiowęglowego H 2 CSz).

Opary dwusiarczku węgla są trujące.

Kwas cyjanowodorowy (cyjanowodorowy) HCN (H-C \u003d N) jest bezbarwną, łatwo mobilną cieczą, wrzącą w temperaturze 299,5 K. W temperaturze 283 K krzepnie. HCN i jego pochodne są wyjątkowo trujące. HCN można uzyskać w reakcji

Kwas cyjanowodorowy rozpuszcza się w wodzie; jednocześnie słabo dysocjuje

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

Sole kwasu cyjanowodorowego (cyjanki) w niektórych reakcjach przypominają chlorki. Np. jon CH - - z jonami Ag + daje biały osad cyjanku srebra AgCN, słabo rozpuszczalnego w kwasach mineralnych. Cyjanki metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych są rozpuszczalne w wodzie. W wyniku hydrolizy ich roztwory pachną kwasem cyjanowodorowym (zapach gorzkich migdałów). Cyjanki metali ciężkich są słabo rozpuszczalne w wodzie. CN jest silnym ligandem, najważniejszymi związkami kompleksowymi są K 4 i Kz [Re (CN) 6].

Cyjanki są związkami delikatnymi, przy dłuższym narażeniu na CO 2 zawarty w powietrzu cyjanki ulegają rozkładowi

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

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

bezbarwny trujący gaz; oddziałuje z wodą, tworząc kwasy cyjanowy (HOCN) i cyjanowodorowy (HCN):

Kwasy (HCN):

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

W tym, jak w poniższej reakcji, (CN) 2 jest podobny do halogenu:

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

Kwas cyjanowy jest znany w dwóch formach tautomerycznych:

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

Izomerem jest kwas H-0=N=C (wybuchowy kwas). Sole HONC eksplodują (używane jako detonatory). Kwas rodowodorowy HSCN jest bezbarwną, oleistą, lotną, łatwo zestalającą się cieczą (Tm=278 K). W stanie czystym jest bardzo niestabilny, podczas rozkładu uwalniany jest HCN. W przeciwieństwie do kwasu cyjanowodorowego, HSCN jest dość mocnym kwasem (K=0,14). HSCN charakteryzuje się równowagą tautomeryczną:

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

SCN - krwistoczerwony jon (odczynnik dla jonu Fe 3+). Sole rodanowe pochodzące z HSCN - łatwo otrzymywane z cyjanków przez dodanie siarki:

Większość tiocyjanianów jest rozpuszczalna w wodzie. Sole Hg, Au, Ag, Cu są nierozpuszczalne w wodzie. Jon SCN-, podobnie jak CN-, ma tendencję do tworzenia kompleksów typu M3 1 M "(SCN) 6, gdzie M" "Cu, Mg i kilka innych. Dirodan (SCN) 2 - jasnożółte kryształy, topnienie - 271 K Uzyskaj (SCN) 2 przez reakcję

2AgSCN+Br2 ==2AgBr+ (SCN)2.

Spośród innych związków zawierających azot należy wskazać cyjanamid.

oraz jego pochodną - cyjanamid wapnia CaCN 2 (Ca=N-C=N), który jest stosowany jako nawóz.

2.3 Węgliki metali

Węgliki to produkty oddziaływania węgla z metalami, krzemem i borem. Ze względu na rozpuszczalność węgliki dzielą się na dwie klasy: węgliki rozpuszczalne w wodzie (lub rozcieńczone kwasy) i węgliki nierozpuszczalne w wodzie (lub rozcieńczone kwasy).

2.3.1 Węgliki rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych kwasach

A. Węgliki tworzące C2H2 po rozpuszczeniu Ta grupa obejmuje węgliki metali dwóch pierwszych głównych grup; blisko nich znajdują się węgliki Zn, Cd, La, Ce, Th o składzie 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. Zgodnie z ich właściwościami, Mn z C jest im bliski:

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

B. Węgliki, które po rozpuszczeniu tworzą mieszaninę węglowodorów i wodoru. Należą do nich większość węglików metali ziem rzadkich.

2.3.2 Węgliki nierozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych kwasach

Ta grupa obejmuje większość węglików metali przejściowych (W, Mo, Ta itp.), a także SiC, B 4 C.

Rozpuszczają się w środowiskach utleniających, np.:

VC + 3HN03 + 6HF \u003d HVF 6 + CO 2 + 3NO + 4H 2 0, SiC + 4KOH + 2C0 2 \u003d K 2 Si03 + K 2 C0 3 + 2H 2 0.

Rysunek 3. Dwudziestościan B 12

Praktycznie ważne są węgliki metali przejściowych, a także węgliki krzemu SiC i bor B 4 C. SiC - karborund - bezbarwne kryształy z siatką diamentową, zbliżające się twardością do diamentu (technicznie SiC ma ciemny kolor ze względu na zanieczyszczenia). SiC jest wysoce ogniotrwały, przewodzący ciepło i przewodzący elektryczność w wysokiej temperaturze, wyjątkowo obojętny chemicznie; można go zniszczyć tylko przez stopienie w powietrzu z alkaliami.

B 4 C - polimer. Sieć węglika boru zbudowana jest z liniowo ułożonych trzech atomów węgla i grup zawierających 12 atomów B ułożonych w formie dwudziestościanu (rys. 3); twardość B4C jest wyższa niż SiC.

Rozdział 3. Związki krzemu

Różnica między chemią krzemu i węgla wynika głównie z dużego rozmiaru jego atomu i możliwości wykorzystania swobodnych orbitali 3d. Ze względu na dodatkowe wiązanie (zgodnie z mechanizmem donor-akceptor) wiązania krzemu z tlenem Si-O-Si i fluorem Si-F (tabela 17.23) są silniejsze niż z węglem, a dzięki większy rozmiar atomu Si, w porównaniu z atomem C, wiązania Si-H i Si-Si są słabsze niż wiązania węgla. Atomy krzemu są praktycznie niezdolne do tworzenia łańcuchów. Homologiczną serię wodorów krzemu SinH2n+2 (silany) analogiczną do węglowodorów otrzymano tylko do składu Si4Hio. Ze względu na większy rozmiar atom Si ma również słabo wyrażoną zdolność do nakładania się n, dlatego nie tylko potrójne, ale także podwójne wiązania mają dla niego niewielki charakter.

Gdy krzem oddziałuje z metalami, powstają krzemki (Ca 2 Si, Mg 2 Si, BaSi 2, Cr 3 Si, CrSi 2 itd.), podobne pod wieloma względami do węglików. Krzemki nie są charakterystyczne dla pierwiastków grupy I (z wyjątkiem Li). Halogenki krzemu (tabela 5) są związkami silniejszymi niż halogenki węgla; jednak są rozkładane przez wodę.

Tabela 5. Wytrzymałość niektórych wiązań węgla i krzemu

Najtrwalszym halogenkiem krzemu jest SiF 4 (rozkłada się tylko pod wpływem wyładowania elektrycznego), ale podobnie jak inne halogenki ulega hydrolizie. Gdy SiF 4 oddziałuje z HF, powstaje kwas heksafluorokrzemowy:

SiF4+2HF=H2.

H 2 SiF 6 ma siłę zbliżoną do H 2 S0 4 . Pochodne tego kwasu - fluorokrzemiany z reguły są rozpuszczalne w wodzie. Fluorokrzemiany metali alkalicznych (z wyjątkiem Li i NH 4) są słabo rozpuszczalne. Jako pestycydy (insektycydy) stosuje się fluorokrzemiany.

Praktycznie ważnym halogenkiem jest SiCO 4 . Służy do otrzymywania związków krzemoorganicznych. Tak więc SiCL 4 łatwo wchodzi w interakcje z alkoholami, tworząc estry kwasu krzemowego HaSiO 3:

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

Tabela 6. Halogenki węgla i krzemu

Estry kwasu krzemowego, hydrolizujące, tworzą silikony - substancje polimerowe o budowie łańcuchowej:

(rodnik R-organiczny), które znalazły zastosowanie w produkcji gum, olejów i smarów.

n-polimer substancji siarczku krzemu (SiS 2); stabilny w normalnej temperaturze; rozkładane przez wodę:

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

3.1 Związki krzemu tlenowego

Najważniejszym związkiem tlenowym krzemu jest dwutlenek krzemu SiO 2 (krzemionka), który ma kilka krystalicznych modyfikacji.

Modyfikacja niskotemperaturowa (do 1143 K) nazywana jest kwarcem. Kwarc ma właściwości piezoelektryczne. Naturalne odmiany kwarcu: kryształ górski, topaz, ametyst. Odmiany krzemionki to chalcedon, opal, agat. jaspis, piasek.

Krzemionka jest odporna chemicznie; Działają na nią tylko roztwory fluoru, kwasu fluorowodorowego i zasad. Łatwo przechodzi w stan szklisty (szkło kwarcowe). Szkło kwarcowe jest kruche, dość odporne chemicznie i termicznie. Kwas krzemowy odpowiadający SiO2 nie ma określonego składu. Kwas krzemowy jest zwykle zapisywany jako xH2O-ySiO2. Wyodrębniono kwasy krzemowe: H 2 SiO 3 (H 2 O-SiO 2) - metakrzem (tri-oxosilicon), H 4 Si0 4 (2H 2 0-SiO 2) - ortokrzem (tetra-oxosilicon), H 2 Si2O 5 (H 2 O * SiO 2) - dimetosilikon.

Kwasy krzemowe są substancjami słabo rozpuszczalnymi. Ze względu na mniej metaloidalną naturę krzemu w porównaniu z węglem, H 2 SiO 3 jako elektrolit jest słabszy niż H 2 CO 3 .

Sole krzemianowe odpowiadające kwasom krzemowym są nierozpuszczalne w wodzie (z wyjątkiem krzemianów metali alkalicznych). Krzemiany rozpuszczalne są hydrolizowane zgodnie z równaniem

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

Nazywane są skoncentrowane roztwory rozpuszczalnych krzemianów płynne szkło. Zwykłe szkło okienne, krzemian sodu i wapnia, ma skład Na2O-CaO-6SiO 2 . Uzyskuje się go z reakcji

Znana jest szeroka gama krzemianów (a dokładniej oksokrzemiany). W strukturze oksykrzemianów obserwuje się pewną prawidłowość: wszystkie składają się z czworościanów SiO 4, które są połączone ze sobą atomem tlenu. Najczęstsze kombinacje czworościanów to (Si 2 O 7 6 -), (Si 3 O 9) 6 -, (Si 4 0 l2) 8-, (Si 6 O 18 12 -), które jako jednostki strukturalne mogą być łączone w łańcuchy, taśmy, siatki i ramki (rys. 4).

Najważniejszymi naturalnymi krzemianami są np. talk (3MgO * H 2 0-4SiO 2) oraz azbest (SmgO * H 2 O * SiO 2). Podobnie jak SiO 2 , krzemiany charakteryzują się stanem szklistym (bezpostaciowym). Dzięki kontrolowanej krystalizacji szkła możliwe jest uzyskanie stanu drobnokrystalicznego (stalis). Sitale charakteryzują się zwiększoną wytrzymałością.

Oprócz krzemianów, glinokrzemiany są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Glinokrzemiany - ramowe oksokrzemiany, w których część atomów krzemu zastąpiono trójwartościowym Al; na przykład Na 12 [(Si, Al) 0 4] 12.

W przypadku kwasu krzemowego charakterystyczny jest stan koloidalny, gdy wystawiony na działanie jego soli kwasów H 2 SiO 3 nie wytrąca się natychmiast. Roztwory koloidalne kwasu krzemowego (zole) w określonych warunkach (na przykład po podgrzaniu) można przekształcić w przezroczysty, jednorodny żelowy żel masowy kwasu krzemowego. Żele to wielkocząsteczkowe związki o przestrzennej, bardzo luźnej strukturze tworzonej przez cząsteczki SiO 2 , których puste przestrzenie są wypełnione cząsteczkami H 2 O. Po odwodnieniu żeli kwasu krzemowego otrzymuje się żel krzemionkowy - porowaty produkt o wysokiej adsorpcji Pojemność.

Rysunek 4. Struktura krzemianów.

wnioski

Po zbadaniu w swojej pracy związków chemicznych opartych na krzemie i węglu doszedłem do wniosku, że węgiel, będąc ilościowo niezbyt powszechnym pierwiastkiem, jest najważniejszym składnikiem życia ziemskiego, jego związki występują w powietrzu, oleju, a także w takich proste substancje, takie jak diament i grafit. Jeden z najważniejsze cechy węgiel ma silne wiązania kowalencyjne między atomami, a także atom wodoru. Najważniejszymi nieorganicznymi związkami węgla są: tlenki, kwasy, sole, halogenki, pochodne zawierające azot, siarczki, węgliki.

Mówiąc o krzemie, należy zwrócić uwagę na duże ilości jego rezerw na ziemi, jest on podstawą skorupy ziemskiej i znajduje się w ogromnej różnorodności krzemianów, piasku itp. Obecnie rośnie wykorzystanie krzemu ze względu na jego właściwości półprzewodnikowe. Jest stosowany w elektronice do produkcji procesorów komputerowych, mikroukładów i chipów. Związki krzemu z metalami tworzą krzemki, najważniejszym związkiem tlenowym krzemu jest tlenek krzemu SiO 2 (krzemionka) W przyrodzie występuje szeroka gama krzemianów - powszechne są również talk, azbest, glinokrzemiany.

Bibliografia

1. Wielka sowiecka encyklopedia. Trzecia edycja. T.28. - M.: Encyklopedia radziecka, 1970.

2. Zhiryakov V.G. Chemia organiczna, wyd. - M., „Chemia”, 1971.

3. Krótka encyklopedia chemiczna. - M. „Encyklopedia radziecka”, 1967.

4. Chemia ogólna / Wyd. JEŚĆ. Sokołowskaja, L.S. Guzeya, wyd. - M .: Wydawnictwo Moskwy. un-ta, 1989.

5. Świat przyrody nieożywionej. - M., "Nauka", 1983.

6. Potapov V.M., Tatarinchik S.N. Chemia organiczna. Podręcznik.4 wyd. - M .: "Chemia", 1989.

Węgiel jest zdolny do tworzenia kilku alotropowych modyfikacji. Są to diament (najbardziej obojętna modyfikacja alotropowa), grafit, fuleren i karabinek.

Węgiel drzewny i sadza to węgiel amorficzny. Węgiel w tym stanie nie ma uporządkowanej struktury i składa się właściwie z najmniejszych fragmentów warstw grafitu. Węgiel amorficzny poddany działaniu gorącej pary wodnej nazywany jest węglem aktywnym. 1 gram węgla aktywnego, ze względu na obecność w nim wielu porów, ma łączną powierzchnię ponad trzystu metrów kwadratowych! Węgiel aktywny, ze względu na jego zdolność do wchłaniania różnych substancji, znajduje szerokie zastosowanie jako wypełniacz filtrów, a także enterosorbent do różne rodzaje zatrucie.

Z chemicznego punktu widzenia jego najbardziej aktywną formą jest węgiel amorficzny, grafit wykazuje średnią aktywność, a diament jest substancją niezwykle obojętną. Z tego powodu właściwości chemiczne węgla omówione poniżej należy przede wszystkim przypisać węglu amorficznemu.

Zmniejszające właściwości węgla

Jako czynnik redukujący węgiel reaguje z niemetalami, takimi jak tlen, halogeny i siarka.

W zależności od nadmiaru lub braku tlenu podczas spalania węgla możliwe jest powstawanie tlenku węgla CO lub dwutlenku węgla CO 2 :

Gdy węgiel reaguje z fluorem, powstaje tetrafluorek węgla:

Gdy węgiel jest ogrzewany siarką, powstaje dwusiarczek węgla CS 2:

Węgiel jest w stanie redukować metale po aluminium w szeregu aktywności z ich tlenków. Na przykład:

Węgiel reaguje również z tlenkami metali aktywnych, jednak w tym przypadku z reguły nie obserwuje się redukcji metalu, ale tworzenie się jego węglika:

Oddziaływanie węgla z tlenkami niemetali

Węgiel wchodzi w reakcję współproporcjonowania z dwutlenkiem węgla CO 2:

Jednym z najważniejszych procesów z przemysłowego punktu widzenia jest tzw reforming parowy węgla. Proces odbywa się poprzez przepuszczanie pary wodnej przez gorący węgiel. W takim przypadku zachodzi następująca reakcja:

W wysokich temperaturach węgiel jest w stanie zredukować nawet tak obojętny związek, jak dwutlenek krzemu. W takim przypadku w zależności od warunków możliwe jest powstawanie krzemu lub węglika krzemu ( karborund):

Również węgiel jako czynnik redukujący reaguje z kwasami utleniającymi, w szczególności stężonymi kwasami siarkowym i azotowym:

Właściwości utleniające węgla

Pierwiastek chemiczny węgiel nie ma wysokiej elektroujemności, dlatego jest przez niego utworzony proste substancje rzadko wykazują właściwości utleniające w stosunku do innych niemetali.

Przykładem takich reakcji jest oddziaływanie amorficznego węgla z wodorem po podgrzaniu w obecności katalizatora:

jak również z krzemem w temperaturze 1200-1300 ok C:

Węgiel wykazuje właściwości utleniające w stosunku do metali. Węgiel może reagować z metale aktywne oraz niektóre metale o średniej aktywności. Reakcje przebiegają po podgrzaniu:

Węgliki metali aktywnych są hydrolizowane wodą:

a także roztwory kwasów nieutleniających:

W tym przypadku powstają węglowodory zawierające węgiel na tym samym stopniu utlenienia, co w oryginalnym węgliku.

Właściwości chemiczne krzemu

Krzem może istnieć, podobnie jak węgiel w stanie krystalicznym i amorficznym, i podobnie jak w przypadku węgla, krzem amorficzny jest znacznie bardziej aktywny chemicznie niż krzem krystaliczny.

Czasami krzem amorficzny i krystaliczny nazywa się jego modyfikacjami alotropowymi, co ściśle mówiąc nie jest do końca prawdą. Krzem amorficzny jest zasadniczo konglomeratem losowo ułożonych względem siebie najmniejsze cząsteczki krzem krystaliczny.

Oddziaływanie krzemu z prostymi substancjami

niemetale

W normalnych warunkach krzem ze względu na swoją obojętność reaguje tylko z fluorem:

Krzem reaguje z chlorem, bromem i jodem tylko po podgrzaniu. Charakterystyczne jest, że w zależności od aktywności halogenu wymagana jest odpowiednio inna temperatura:

Tak więc z chlorem reakcja przebiega w temperaturze 340-420 o C:

Z bromem - 620-700 o C:

Z jodem - 750-810 o C:

Reakcja krzemu z tlenem przebiega jednak wymaga bardzo silnego ogrzewania (1200-1300 °C) ze względu na to, że silny film tlenkowy utrudnia interakcję:

W temperaturze 1200-1500 ° C krzem powoli oddziałuje z węglem w postaci grafitu, tworząc karborund SiC - substancję o atomowej sieci krystalicznej podobną do diamentu i prawie nie gorszą od niej pod względem wytrzymałości:

Krzem nie reaguje z wodorem.

metale

Ze względu na niską elektroujemność krzem może wykazywać właściwości utleniające tylko w stosunku do metali. Spośród metali krzem reaguje z aktywnymi (alkaliami i ziemiami alkalicznymi), a także wieloma metalami o średniej aktywności. W wyniku tej interakcji powstają krzemki:

Oddziaływanie krzemu z substancjami złożonymi

Krzem nie reaguje z wodą nawet podczas wrzenia, jednak krzem amorficzny oddziałuje z przegrzaną parą wodną w temperaturze około 400-500 ° C. Powoduje to wytwarzanie wodoru i dwutlenku krzemu:

Spośród wszystkich kwasów krzem (w stanie amorficznym) reaguje tylko ze stężonym kwasem fluorowodorowym:

Krzem rozpuszcza się w stężonych roztworach alkalicznych. Reakcji towarzyszy wydzielanie się wodoru.

W normalnych warunkach alotropowe modyfikacje węgla - grafit i diament - są raczej obojętne. Ale wraz ze wzrostem t aktywnie wchodzą w reakcje chemiczne z prostymi i złożonymi substancjami.

Właściwości chemiczne węgla

Ponieważ elektroujemność węgla jest niska, proste substancje są dobrymi reduktorami. Łatwiej utlenia się węgiel drobnokrystaliczny, trudniej grafit, jeszcze trudniej diament.

Alotropowe modyfikacje węgla są utleniane tlenem (spalanie) w określonych temperaturach zapłonu: grafit zapala się w 600 °C, diament w 850-1000 °C. W przypadku nadmiaru tlenu powstaje tlenek węgla (IV), w przypadku niedoboru tlenek węgla (II):

C + O2 = CO2

2C + O2 = 2CO

Węgiel redukuje tlenki metali. W tym przypadku metale uzyskuje się w postaci swobodnej. Na przykład, gdy tlenek ołowiu jest kalcynowany z koksem, ołów jest wytapiany:

PbO + C = Pb + CO

środek redukujący: C0 - 2e => C+2

utleniacz: Pb+2 + 2e => Pb0

Węgiel wykazuje również właściwości utleniające w stosunku do metali. Jednocześnie tworzy różnego rodzaju węgliki. Tak więc aluminium reaguje w wysokich temperaturach:

3C + 4Al = Al4C3

C0 + 4e => C-4 3

Al0 – 3e => Al+3 4

Właściwości chemiczne związków węgla

1) Ponieważ siła tlenku węgla jest wysoka, wchodzi on w reakcje chemiczne w wysokich temperaturach. Przy znacznym nagrzewaniu przejawiają się wysokie właściwości redukujące tlenku węgla. Reaguje więc z tlenkami metali:

CuO + CO => Cu + CO2

Na podniesiona temperatura(700 °C) zapala się w tlenie i pali niebieskim płomieniem. Z tego płomienia można dowiedzieć się, że w wyniku reakcji powstaje dwutlenek węgla:

CO + O2 => CO2

2) Wiązania podwójne w cząsteczce dwutlenku węgla są wystarczająco silne. Ich pęknięcie wymaga znacznej energii (525,6 kJ/mol). Dlatego dwutlenek węgla jest raczej obojętny. Reakcje, w które wchodzi, często zachodzą w wysokich temperaturach.

Dwutlenek węgla w reakcji z wodą wykazuje właściwości kwasowe. Tworzy to roztwór kwasu węglowego. Reakcja jest odwracalna.

Dwutlenek węgla jako tlenek kwasowy reaguje z zasadami i tlenkami zasadowymi. Gdy dwutlenek węgla jest przepuszczany przez roztwór alkaliczny, może powstać sól średnia lub kwaśna.

3) Kwas węglowy ma wszystkie właściwości kwasów i oddziałuje z zasadami i zasadowymi tlenkami.

Właściwości chemiczne krzemu

Krzem bardziej aktywny niż węgiel i jest utleniany tlenem już w 400 °C. Inne niemetale mogą utleniać krzem. Reakcje te zwykle zachodzą w wyższej temperaturze niż w przypadku tlenu. W takich warunkach krzem oddziałuje z węglem, w szczególności z grafitem. W tym przypadku powstaje karborund SiC - bardzo twarda substancja, gorsza tylko od diamentu.

Krzem może być również środkiem utleniającym. Przejawia się to w reakcjach z aktywnymi metalami. Na przykład:

Si + 2Mg = Mg2Si

Większa aktywność krzemu w porównaniu z węglem przejawia się tym, że w przeciwieństwie do węgla reaguje z alkaliami:

Si + NaOH + H2O => Na2SiO3 + H2

Właściwości chemiczne związków krzemu

1) Silne wiązania między atomami w sieci krystalicznej dwutlenku krzemu wyjaśniają niską aktywność chemiczną. Reakcje, w które wchodzi ten tlenek, zachodzą w wysokich temperaturach.

Tlenek krzemu jest tlenkiem kwasowym. Jak wiadomo nie wchodzi w reakcję z wodą. Jego kwaśny charakter przejawia się w reakcji z zasadami i zasadowymi tlenkami:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

Reakcje z podstawowymi tlenkami zachodzą w wysokich temperaturach.

Tlenek krzemu wykazuje słabe właściwości utleniające. Jest redukowany przez niektóre aktywne metale.