Anglis gali sudaryti keletą alotropinių modifikacijų. Tai deimantas (inertiškiausia alotropinė modifikacija), grafitas, fullerenas ir karabinas.
Anglis ir suodžiai yra amorfinė anglis. Tokios būsenos anglis neturi tvarkingos struktūros ir iš tikrųjų susideda iš mažiausių grafito sluoksnių fragmentų. Amorfinė anglis, apdorota karšto vandens garais, vadinama aktyvuota anglimi. 1 gramo aktyvintos anglies, nes joje yra daug porų, bendras paviršius yra daugiau nei trys šimtai kvadratinių metrų! Dėl savo gebėjimo įsisavinti įvairių medžiagų Aktyvuota anglis yra plačiai naudojamas kaip filtro užpildas, taip pat kaip enterosorbentas įvairių tipų apsinuodijimas.
Cheminiu požiūriu amorfinė anglis yra aktyviausia jos forma, grafitas pasižymi vidutiniu aktyvumu, o deimantas – itin inertiška medžiaga. Dėl šios priežasties, aptarta toliau Cheminės savybės anglis pirmiausia turėtų būti priskiriama amorfinei angliei.
Mažinančios anglies savybes
Kaip reduktorius, anglis reaguoja su nemetalais, tokiais kaip deguonis, halogenai ir siera.
Priklausomai nuo deguonies pertekliaus ar trūkumo degant anglims, susidaro smalkės CO arba anglies dvideginis CO2:
Kai anglis reaguoja su fluoru, susidaro anglies tetrafluoridas:
Kaitinant anglį siera, susidaro anglies disulfidas CS 2:
Aktyvumo serijoje anglis gali redukuoti metalus iš jų oksidų po aliuminio. Pavyzdžiui:
Anglis taip pat reaguoja su aktyvių metalų oksidais, tačiau šiuo atveju paprastai stebimas ne metalo redukcija, o jo karbido susidarymas:
Anglies sąveika su nemetalų oksidais
Anglis dalyvauja bendros proporcijos reakcijose su anglies dioksidu CO 2:
Vienas iš svarbiausių procesų pramoniniu požiūriu yra vadinamasis anglies reformavimas garais. Procesas atliekamas vandens garus leidžiant per karštą anglį. Tokiu atveju įvyksta tokia reakcija:
Esant aukštai temperatūrai, anglis gali redukuoti net tokį inertišką junginį kaip silicio dioksidas. Tokiu atveju, priklausomai nuo sąlygų, galimas silicio arba silicio karbido susidarymas ( karborundas):
Be to, anglis, kaip reduktorius, reaguoja su oksiduojančiomis rūgštimis, ypač su koncentruotomis sieros ir azoto rūgštimis:
Oksidacinės anglies savybės
Cheminis elementas anglis nėra labai elektronegatyvus, todėl paprastos medžiagos, kurias jis sudaro, retai pasižymi oksidacinėmis savybėmis kitų nemetalų atžvilgiu.
Tokių reakcijų pavyzdys yra amorfinės anglies sąveika su vandeniliu, kai kaitinama dalyvaujant katalizatoriui:
taip pat su siliciu 1200-1300 apie C temperatūroje:
Anglis pasižymi oksidacinėmis savybėmis, palyginti su metalais. Anglis gali reaguoti su aktyviais metalais ir kai kuriais vidutinio aktyvumo metalais. Kaitinant vyksta reakcijos:
| Aktyvūs metalų karbidai hidrolizuojami vandens:
taip pat neoksiduojančių rūgščių tirpalai: Šiuo atveju susidaro angliavandeniliai, kurių anglies oksidacijos būsena yra tokia pati kaip ir pirminiame karbide. |
Cheminės silicio savybės
Gali egzistuoti silicis, taip pat anglis kristalinėje ir amorfinėje būsenoje, ir, kaip ir anglies atveju, amorfinis silicis yra žymiai chemiškai aktyvesnis nei kristalinis silicis.
Kartais amorfinis ir kristalinis silicis vadinamas jo alotropinėmis modifikacijomis, o tai, griežtai tariant, nėra visiškai tiesa. Amorfinis silicis iš esmės yra mažiausių kristalinio silicio dalelių, atsitiktinai išsidėsčiusių viena kitos atžvilgiu, konglomeratas.
Silicio sąveika su paprastomis medžiagomis
nemetalai
At normaliomis sąlygomis Silicis dėl savo inertiškumo reaguoja tik su fluoru:
Silicis reaguoja su chloru, bromu ir jodu tik kaitinamas. Būdinga tai, kad, priklausomai nuo halogeno aktyvumo, reikalinga atitinkamai skirtinga temperatūra:
Taigi su chloru reakcija vyksta 340–420 o C temperatūroje:
Su bromu - 620-700 o C:
Su jodu - 750-810 o C:
Silicio reakcija su deguonimi vyksta, tačiau jai reikalingas labai stiprus kaitinimas (1200–1300 °C), nes stipri oksido plėvelė apsunkina sąveiką:
1200–1500 ° C temperatūroje silicis lėtai sąveikauja su anglimi grafito pavidalu, sudarydamas karborundo SiC - medžiagą, turinčią atominę. kristalinė gardelė panašus į deimantą ir beveik ne prastesnis už jį savo stiprumu:
Silicis nereaguoja su vandeniliu.
metalai
Dėl mažo elektronegatyvumo silicis gali turėti oksidacinių savybių tik metalų atžvilgiu. Iš metalų silicis reaguoja su aktyviaisiais (šarminėmis ir šarminėmis žemėmis), taip pat su daugeliu vidutinio aktyvumo metalų. Dėl šios sąveikos susidaro silicidai:
Silicio sąveika su sudėtingomis medžiagomis
Silicis nereaguoja su vandeniu net virdamas, tačiau amorfinis silicis sąveikauja su perkaitintais vandens garais, kurių temperatūra yra apie 400-500 ° C. Tokiu atveju susidaro vandenilis ir silicio dioksidas:
Iš visų rūgščių silicis (amorfinėje būsenoje) reaguoja tik su koncentruota vandenilio fluorido rūgštimi:
Silicis tirpsta koncentruotuose šarmų tirpaluose. Reakciją lydi vandenilio išsiskyrimas.
Laisvą silicį 1811 m. išskyrė J. Gay-Lussac ir L. Tenard, leisdami silicio fluorido garus per metalinį kalį, tačiau jie jo neaprašė kaip elementą. Švedų chemikas J. Berzelius 1823 m. apibūdino silicį, kurį gavo perdirbant. kalio druskos K 2 SiF 6 su kalio metalu aukštoje temperatūroje. Naujam elementui buvo suteiktas pavadinimas „silicis“ (iš lot. silex – titnagas). Rusišką pavadinimą „silicis“ 1834 metais įvedė rusų chemikas Germanas Ivanovičius Hessas. Išvertus iš kitos graikų kalbos. krhmnoz– „uola, kalnas“.
Būdamas gamtoje gauni:
Gamtoje silicis randamas dioksido ir įvairių kompozicijų silikatų pavidalu. Natūralus silicio dioksidas daugiausia būna kvarco pavidalu, nors yra ir kitų mineralų – kristobalito, tridimito, kitito, kusito. Amorfinis silicio dioksidas randamas diatomimų telkiniuose jūrų ir vandenynų dugne – šios nuosėdos susidarė iš SiO 2, kuris buvo diatomų ir kai kurių blakstienų dalis.
Laisvojo silicio galima gauti kalcinuojant smulkų baltą smėlį magniu, kuris cheminė sudėtis yra beveik grynas silicio oksidas, SiO 2 +2Mg=2MgO+Si. Pramoninės klasės silicis gaunamas redukuojant SiO 2 lydalą koksu maždaug 1800°C temperatūroje lankinėse krosnyse. Tokiu būdu gauto silicio grynumas gali siekti 99,9% (pagrindinės priemaišos – anglis, metalai).
Fizinės savybės:
Amorfinis silicis yra rudų miltelių pavidalo, kurių tankis yra 2,0 g/cm 3 . Kristalinis silicis – tamsiai pilkas, blizgus kristalinė medžiaga, trapus ir labai kietas, kristalizuojasi deimantinėje grotelėje. Tai tipinis puslaidininkis (elektrą praleidžia geriau nei gumos tipo izoliatorius, o blogiau už laidininką – varį). Silicis yra trapus, tik kaitinamas virš 800 °C, jis tampa plastiku. Įdomu tai, kad silicis yra skaidrus infraraudoniesiems spinduliams, pradedant nuo 1,1 mikrometro bangos ilgio.
Cheminės savybės:
Chemiškai silicis yra neaktyvus. Kambario temperatūroje jis reaguoja tik su dujiniu fluoru, sudarydamas lakųjį silicio tetrafluoridą SiF 4 . Kaitinamas iki 400–500 °C temperatūros, silicis reaguoja su deguonimi ir susidaro dioksidas, o su chloru, bromu ir jodu susidaro atitinkami lengvai lakūs tetrahalogenidai SiHal 4 . Maždaug 1000°C temperatūroje silicis reaguoja su azotu, sudarydamas nitridą Si 3 N 4, su boru termiškai ir chemiškai stabiliais boridais SiB 3, SiB 6 ir SiB 12. Silicis tiesiogiai su vandeniliu nereaguoja.
Silicio ėsdymui plačiausiai naudojamas vandenilio fluorido ir azoto rūgščių mišinys.
Požiūris į šarmus...
Siliciui būdingi junginiai, kurių oksidacijos laipsnis yra +4 arba -4.
Svarbiausios jungtys:
Silicio dioksidas, SiO 2- (silicio anhidridas) ...
...
Silicio rūgštys- silpnas, netirpus, susidaro pridedant rūgšties į silikato tirpalą gelio pavidalu (želatinė medžiaga). H 4 SiO 4 (ortosilicis) ir H 2 SiO 3 (metasilicis arba silicis) egzistuoja tik tirpale ir kaitinant ir džiovinant negrįžtamai virsta SiO 2. Gautas kietas akytas produktas - silikagelis, turi išvystytą paviršių ir naudojamas kaip dujų adsorbentas, sausiklis, katalizatorius ir katalizatoriaus nešiklis.
silikatai- didžioji dalis silicio rūgščių druskų (išskyrus natrio ir kalio silikatus) netirpsta vandenyje. Savybės....
Vandenilio junginiai- angliavandenilių analogai, silanai, junginiai, kuriuose silicio atomai yra sujungti viena jungtimi, Silenes jei silicio atomai yra dvigubai sujungti. Kaip ir angliavandeniliai, šie junginiai sudaro grandines ir žiedus. Visi silanai yra savaime užsidegantys, su oru sudaro sprogius mišinius ir lengvai reaguoja su vandeniu.
Taikymas:
Silicis daugiausiai naudojamas lydinių gamyboje, suteikiant aliuminio, vario ir magnio stiprumą bei gaminant ferosilicidus, kurie svarbūs plieno gamyboje ir puslaidininkių technologijoje. Naudojami silicio kristalai saulės elementai ir puslaidininkiniai įtaisai – tranzistoriai ir diodai. Silicis taip pat naudojamas kaip žaliava gaminant organinius silicio junginius arba siloksanus, gaunamus alyvų, tepalų, plastikų ir sintetinių kaučiukų pavidalu. neorganiniai junginiai silicis naudojamas keramikos ir stiklo technologijoje, kaip izoliacinė medžiaga ir pjezokristalai
Kai kuriems organizmams silicis yra svarbus biogeninis elementas. Tai yra augalų laikančiųjų konstrukcijų ir gyvūnų skeleto struktūrų dalis. Dideliais kiekiais silicį koncentruoja jūros organizmai – diatomės, radiolarijos, kempinės. Didelis silicio kiekis yra koncentruotas asiūkliuose ir grūduose, visų pirma bambuko ir ryžių pošeimiuose, įskaitant paprastus ryžius. Raumuožmogaus sudėtyje yra (1–2) 10–2 % silicio, kaulų- 17 10 -4%, kraujas - 3,9 mg / l. Su maistu į žmogaus organizmą kasdien patenka iki 1 g silicio.
Antonovas S.M., Tomilinas K.G.
KhF Tiumenės valstybinis universitetas, 571 grupė.
At normaliomis sąlygomis alotropinės anglies modifikacijos – grafitas ir deimantas – yra gana inertiškos. Bet kai t didėja, jie aktyviai įsitraukia cheminės reakcijos su paprastomis ir sudėtingomis medžiagomis.
Cheminės anglies savybės
Kadangi anglies elektronegatyvumas yra mažas, paprastos medžiagos yra geros reduktorius. Lengviau oksiduojasi smulkiai kristalinė anglis, sunkiau – grafitas, dar sunkiau – deimantas.
Alotropinės anglies modifikacijos oksiduojasi deguonimi (dega) esant tam tikroms užsidegimo temperatūroms: grafitas užsiliepsnoja 600 °C, deimantas – 850-1000 °C. Jei deguonies perteklius, susidaro anglies monoksidas (IV), jei trūksta, anglies monoksidas (II):
C + O2 = CO2
2C + O2 = 2CO
Anglis sumažina metalų oksidus. Šiuo atveju metalai gaunami laisva forma. Pavyzdžiui, kai švino oksidas deginamas koksu, švinas lydomas:
PbO + C = Pb + CO
reduktorius: C0 - 2e => C+2
oksidatorius: Pb+2 + 2e => Pb0
Anglis taip pat pasižymi oksidacinėmis savybėmis metalų atžvilgiu. Tuo pačiu metu jis sudaro įvairių rūšių karbidus. Taigi aukštoje temperatūroje aliuminis reaguoja:
3C + 4Al = Al4C3
C0 + 4e => C-4 3
Al0 – 3e => Al+3 4
Anglies junginių cheminės savybės
1) Kadangi anglies monoksido stiprumas yra didelis, jis patenka į chemines reakcijas, kai aukšta temperatūra. Esant dideliam kaitinimui, pasireiškia didelės anglies monoksido redukcinės savybės. Taigi, jis reaguoja su metalų oksidais:
CuO + CO => Cu + CO2
Esant aukštesnei temperatūrai (700 °C), jis užsidega deguonimi ir dega mėlyna liepsna. Iš šios liepsnos galite sužinoti, kad dėl reakcijos susidaro anglies dioksidas:
CO + O2 => CO2
2) Dvigubos jungtys anglies dioksido molekulėje yra pakankamai stiprios. Jų plyšimas reikalauja nemažos energijos (525,6 kJ/mol). Todėl anglies dioksidas yra gana inertiškas. Reakcijos, į kurias jis patenka, dažnai vyksta aukštoje temperatūroje.
Reaguodamas su vandeniu anglies dioksidas pasižymi rūgštinėmis savybėmis. Taip susidaro anglies rūgšties tirpalas. Reakcija yra grįžtama.
Anglies dioksidas, kaip rūgštus oksidas, reaguoja su šarmais ir baziniais oksidais. Kai anglies dioksidas praleidžiamas per šarminį tirpalą, gali susidaryti vidutinė arba rūgštinė druska.
3) Anglies rūgštis turi visas rūgščių savybes ir sąveikauja su šarmais ir baziniais oksidais.
Cheminės silicio savybės
Silicis aktyvesnis už anglį, o oksiduojamas deguonimi jau 400 °C temperatūroje. Kiti nemetalai gali oksiduoti silicį. Šios reakcijos dažniausiai vyksta aukštesnėje temperatūroje nei su deguonimi. Tokiomis sąlygomis silicis sąveikauja su anglimi, ypač su grafitu. Tokiu atveju susidaro karborundas SiC – labai kieta medžiaga, savo kietumu prastesnė tik už deimantą.
Silicis taip pat gali būti oksidatorius. Tai pasireiškia reakcijose su aktyviais metalais. Pavyzdžiui:
Si + 2Mg = Mg2Si
Didesnis silicio aktyvumas, palyginti su anglimi, pasireiškia tuo, kad, skirtingai nei anglis, jis reaguoja su šarmais:
Si + NaOH + H2O => Na2SiO3 + H2
Cheminės silicio junginių savybės
1) Stiprūs ryšiai tarp atomų silicio dioksido kristalinėje gardelėje paaiškina mažą cheminį aktyvumą. Reakcijos, į kurias patenka šis oksidas, vyksta aukštoje temperatūroje.
Silicio oksidas yra rūgštinis oksidas. Kaip žinote, jis nereaguoja su vandeniu. Jo rūgštingumas pasireiškia reakcija su šarmais ir baziniais oksidais:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Reakcijos su baziniais oksidais vyksta aukštoje temperatūroje.
Silicio oksidas pasižymi silpnomis oksidacinėmis savybėmis. Jį mažina kai kurie aktyvūs metalai.
Dvejetainiuose silicio ir anglies junginiuose kiekvienas silicio atomas yra tiesiogiai prijungtas prie keturių gretimų anglies atomų, esančių tetraedro, kurio centras yra silicio atomas, viršūnėse. Tuo pačiu metu kiekvienas anglies atomas savo ruožtu yra prijungtas prie keturių gretimų silicio atomų, esančių tetraedro, kurio centras yra anglies atomas, viršūnėse. Toks abipusis silicio ir anglies atomų išsidėstymas pagrįstas Si-C-silicio-anglies ryšiu ir sudaro tankią ir labai stiprią kristalinę struktūrą.
Šiuo metu žinomi tik du dvejetainiai silicio ir anglies junginiai. Tai labai retas mineralas moissanitas, kurio gamtoje dar nėra. praktinis pritaikymas, ir dirbtinai gauto karborundo SiC, kuris kartais vadinamas silundu, refraksu, karbofraksu, kristolanu ir kt.
Laboratorinėje praktikoje ir technologijoje karborundas gaunamas redukuojant silicio dioksidą anglimi pagal reakcijos lygtį
SiO 2 + 3C \u003d 2CO + SiC
Be smulkiai malto kvarco arba gryno kvarco meškerės ir kokso, paprastosios druskos ir pjuvenos. Pjuvenos šaudymo metu atlaisvinkite užtaisą ir druskos, reaguodamas su geležies ir aliuminio priemaišomis, paverčia jas le: nepermatomais chloridais FeCl 3 ir AlCl 3, kurie pašalinami iš reakcijos zonos esant 1000-1200 ° C. Tiesą sakant, reakcija tarp silicio dioksido ir kokso prasideda jau 1150 ° C temperatūroje. , bet vyksta labai lėtai. Kai temperatūra pakyla iki 1220 ° C, jo greitis didėja. Temperatūros diapazone nuo 1220 iki 1340 °C jis tampa egzoterminis ir smarkiai vystosi. Dėl reakcijos pirmiausia susidaro mišinys, susidedantis iš mažiausių kristalų ir amorfinės karborundo įvairovės. Temperatūrai pakilus iki 1800–2000 ° C, mišinys persikristalizuoja ir virsta gerai išsivysčiusiais, lentelės pavidalo, retai bespalviais, dažniau žalios, pilkos ir net juodos spalvos su deimantiniu blizgesiu ir vaivorykštės žaismu, šešiakampiais kristalais, kuriuose yra apie 98 99,5% karborundas. Karborundo gavimo iš užtaiso procesas vykdomas elektrinėse krosnyse, deginant 2000-2200 ° C. Norint gauti chemiškai gryną karborundą, produktas, gautas deginant įkrovą, yra apdorojamas šarmu, kuris ištirpina nepatekusį silicio dioksidą. į reakciją.
Kristalinis karborundas priklauso labai kietosios medžiagos; jo kietumas 9. Polikristalinio karborundo ominis varža mažėja didėjant temperatūrai ir tampa nereikšminga esant 1500 0 C.
Ore, aukštesnėje nei 1000 0 C temperatūroje, karborundas iš pradžių pradeda lėtai oksiduotis, o vėliau intensyviai, kai temperatūra pakyla virš 1700 ° C. Šiuo atveju susidaro silicio dioksidas ir anglies monoksidas:
2SiC + 3O 2 = 2SiO 2 + 2CO
Karborundo paviršiuje susidaręs silicio dioksidas yra apsauginė plėvelė, šiek tiek lėtinanti tolesnę karborundo oksidaciją. Vandens garų aplinkoje tomis pačiomis sąlygomis karborundo oksidacija vyksta intensyviau.
mineralinės rūgštys, išskyrus ortofosforą, karborundas nepaveikiamas, chloras 100 °C temperatūroje jį skaido pagal reakcijos lygtį
SiC + 2Cl 2 = SiCl 4 + C
ir 1000 ° C temperatūroje vietoj anglies išsiskiria CC1 4:
SiC + 4C1 2 = SiCl + CC1 4
Išlydyti metalai, reaguodami su karborundu, sudaro atitinkamus silicidus:
SiC + Fe = FeSl + C
Esant aukštesnei nei 810 ° C temperatūrai, karborundas redukuoja šarminių žemių metalų oksidus į metalus, aukštesnėje nei 1000 ° C - geležies oksidą (III) Fe 2 O 3 ir virš 1300-1370 ° C geležies oksidą (II) FeO, nikelio oksidą (II) ) NiO ir mangano oksidas MnO.
Išsilydę šarminiai šarmai ir jų karbonatai, esant atmosferos deguoniui, visiškai suskaido karborundą ir susidaro atitinkami silikatai:
SiC + 2KOH + 2O 2 \u003d K 2 SiO 3 + H 2 O + CO 2
SiC + Na 2 CO 3 + 2O 2 \u003d Na 2 SiO 3 + 2CO 2
Karborundas taip pat gali reaguoti su natrio peroksidu, švino (II) oksidu ir fosforo rūgštimi.
Dėl to, kad karborundas turi didelį kietumą, jis plačiai naudojamas kaip abrazyviniai milteliai metalui šlifuoti, taip pat karborundo abrazyviniams diskams, strypams ir šlifavimo popieriui iš jo gaminti. elektrinis laidumas karborundas aukštoje temperatūroje leidžia jį naudoti kaip pagrindinę medžiagą gaminant vadinamuosius silikatinius strypus, kurie yra atsparumo elementai elektrinėse krosnyse. Tam tikslui karborundo ir silicio mišinys uždaromas glicerinu ar kita organine cementuojančia medžiaga, o iš gautos masės formuojami strypai, kurie 1400-1500 °C temperatūroje iškaitinami anglies monoksido arba azoto atmosferoje. Degimo metu cementinis organinės medžiagos suyra, išsiskirianti anglis, susijungusi su siliciu, paverčia ją karborundu ir suteikia strypams reikiamo stiprumo.
Iš karborundo gaminami specialūs ugniai atsparūs tigliai
metalams, kurie gaunami karšto presavimo būdu, lydyti
karborundas 2500 ° C temperatūroje, esant 42-70 MPa slėgiui. Labiau įžymus
ugniai atsparios medžiagos, pagamintos iš karborundo ir nitridų mišinių
boro, steatito, molibdeno turinčios jungtys ir kt
subjektai.
SILICIO HIDRIDAI ARBA SILANAI
Silicio vandenilio junginiai paprastai vadinami silicio hidridais arba silanais. Kaip ir sotieji angliavandeniliai, silicio hidridai sudaro homologinę seriją, kurioje silicio atomai yra tarpusavyje sujungti viena jungtimi
Si-Si-Si-Si- ir kt.
Paprasčiausias.atstovas
šios homologinės serijos yra monosilanas arba tiesiog silanas, SiH 4 , kurio molekulinė struktūra yra panaši į metano molekulinę struktūrą.
disilanas H 3 Si-SiH 3, kurio molekulinė struktūra yra panaši į etaną, tada trisilanas H 3 Si-SiH 2 -SiH 3,
tetrasilanas H3Si-SiH2-SiH2-SiH3,
pentasilanas H 3 Si-SiH 2 -SiH 2 -SiH 2 ^--SiH 3 ir paskutinis iš gautų šios homologinės serijos silanų
heksasilanas H3Si-SiH2-SiH2-SiH2-SiH2-SiH3. Silanai viduje gryna forma gamtoje nepasitaiko. Gaukite juos dirbtinai:
1. Metalų silicidų skaidymas rūgštimis arba šarmais pagal reakcijos lygtį
Mg 2 Si + 4HCI \u003d 2MgCl 2 + SiH 4
taip susidaro silanų mišinys, kuris po to atskiriamas frakciniu distiliavimu labai žemoje temperatūroje.
2. Halosilanų redukcija ličio hidridu arba ličio aliuminio hidridu:
SiCl 4 + 4 LiH = 4 LiCl + SiH 4
Šis silalų gavimo būdas pirmą kartą aprašytas 1947 m.
3. Halosilanų redukcija vandeniliu. Reakcija vyksta 300–400 °C temperatūroje reakcijos vamzdeliuose, užpildytuose kontaktiniu mišiniu, kurio sudėtyje yra silicio, metalinio vario ir 1–2% aliuminio halogenidų kaip katalizatorių.
Nepaisant sitano ir sočiųjų angliavandenilių molekulinės struktūros panašumo, fizines savybes jie skirtingi.
Palyginti su angliavandeniliais, silanai yra mažiau stabilūs. Stabiliausias iš jų yra monosilanas SiH4, kuris tik esant raudonam karščiui skyla į silicį ir vandenilį. Kiti silanai, kuriuose yra daug silicio, daug žemesnėje temperatūroje sudaro mažesnius darinius. Pavyzdžiui, disilanas Si 2 H 6 300 ° C temperatūroje sudaro silaną ir kietą polimerą, o heksasilanas Si 6 H 14 lėtai suyra net esant normalios temperatūros. Sąlytyje su deguonimi silanai lengvai oksiduojasi, o kai kurie iš jų, pavyzdžiui, monosilanas SiH 4, savaime užsiliepsnoja esant -180 °C. Silanai lengvai hidrolizuojasi į silicio dioksidą ir vandenilį:
SiH 4 + 2H 2 0 \u003d SiO 2 + 4H 2
Aukštesniųjų silanų atveju šis procesas vyksta su skilimu
ryšiai – Si – Si – Si – tarp silicio atomų. Pavyzdžiui, trys
Silanas Si 3 H 8 suteikia tris SiO 2 molekules ir dešimt vandenilio dujų molekulių:
H 3 Si - SiH 2 - SiH 3 + 6H 3 O \u003d 3SiO 2 + 10H 2
Esant šarminiams šarmams, dėl silanų hidrolizės susidaro atitinkamo šarminio metalo ir vandenilio silikatas:
SiH 4 + 2NaOH + H 2 0 = Na 2 Si0 3 + 4H 2
SILICIO HALDAI
Halosilanai taip pat priklauso dvejetainiams silicio junginiams. Kaip ir silicio hidridai – silanai – sudaro homologinę seriją cheminiai junginiai, kuriame halogenidų atomai yra tiesiogiai sujungti su silicio atomais, sujungtais viengubomis jungtimis
ir pan. į atitinkamo ilgio grandines. Dėl šio panašumo halosilanai gali būti laikomi vandenilio pakeitimo produktais silanuose atitinkamu halogenu. Tokiu atveju pakeitimas gali būti pilnas ir neišsamus. Pastaruoju atveju gaunami silanų halogeniniai dariniai. Didžiausiu žinomu halogenosilanu laikomas chlorsilanas Si 25 Cl 52. Halogenosilanai ir jų halogenų dariniai grynos formos gamtoje nepasitaiko ir gali būti gaunami tik dirbtiniu būdu.
1. Tiesioginis elementinio silicio sujungimas su halogenais. Pavyzdžiui, SiCl4 gaunamas iš ferosilicio, turinčio 35–50 % silicio, apdorojant jį 350–500°C temperatūroje sausu chloru. Šiuo atveju pagal reakcijos lygtį SiCl 4 gaunamas kaip pagrindinis produktas mišinyje su kitais sudėtingesniais halosilanais Si 2 C1 6, Si 3 Cl 8 ir kt.
Si + 2Cl 2 \u003d SiCl 4
Tą patį junginį galima gauti chloruojant silicio dioksido ir kokso mišinį aukštoje temperatūroje. Reakcija vyksta pagal schemą
SiO 2 + 2C \u003d Si + 2CO
Si + 2C1 2 \u003d SiС1 4
SiO 2 + 2C + 2Cl 2 \u003d 2CO + SiCl 4
Tetrabromosilanas gaunamas bromuojant raudonoje temperatūroje elementinį silicį bromo garais:
Si + 2Br 2 = SiBr 4
arba silicio dioksido ir kokso mišiniai:
SiO 2 + 2C \u003d Si + 2CO
Si + 2Br 3 = SiBi 4
SiO 2 + 2C + 2Br 2 \u003d 2CO + SiBr 4
Šiuo atveju aukštesnio laipsnio silanų susidarymas galimas kartu su tetrasilanais. Pavyzdžiui, chloruojant magnio silicidą, gaunama 80 % SiCI 4, 20 % SiCl 6 ir 0,5-1 % Si 3 Cl 8; chlorinant kalcio silicidą, reakcijos produktų sudėtis išreiškiama taip: 65 % SiCl 4 ; 30 % Si2Cl6; 4% Si3Cl8.
2. Silanų halogeninimas vandenilio halogenidais, esant AlBr 3 katalizatoriams aukštesnėje nei 100° C temperatūroje Reakcija vyksta pagal schemą
SiH4 + HBr = SiH3Br + H2
SiН4 + 2НВг = SiH2Br2 + 2H2
3. Silanų halogeninimas chloroformu, esant AlCl 3 katalizatoriams:
Si 3 H 8 + 4CHS1 3 \u003d Si 3 H 4 Cl 4 + 4CH 2 C1 3
Si 3 H 8 + 5CHCl 3 \u003d Si 3 H 3 C1 5 + 5CH 2 C1 2
4. Silicio tetrafluoridas gaunamas fluoro vandenilio rūgštimi veikiant silicio dioksidą:
SiO 2 + 4HF \u003d SiF 4 + 2H 2 0
5. Kai kuriuos polihalogenosilanus galima gauti iš paprasčiausių halosilanų halogeninant juos atitinkamu halogenidu. Pavyzdžiui, tetrajodozilanas sandariame mėgintuvėlyje 200–300 ° C temperatūroje, reaguodamas su sidabru, išskiria heksajododilaną
Jodosilanai gali būti gaunami reaguojant jodui su silanais terpėje anglies tetrachloridas arba chloroformas ir in AlI 3 katalizatoriaus buvimas silanui sąveikaujant su vandenilio jodidu
Halogenosilanai yra mažiau patvarūs nei panašios struktūros angliavandenilių halogeniniai dariniai. Jie lengvai hidrolizuojasi, sudarydami silikagelį ir vandenilio halogeninę rūgštį:
SiCl 4 + 2H 2 O \u003d Si0 2 + 4HCl
Paprasčiausi halosilanų atstovai yra SiF 4 , SiCl 4 , SiBr 4 ir SiI 4 . Iš jų tetrafluorsilanas ir tetrachlorsilanas daugiausia naudojami inžinerijoje. Tetrafluorosilane SiF 4 yra bespalvės aštraus kvapo dujos, rūko ore, hidrolizuojasi į fluorsilicio rūgštį ir silicio gelį. SiF 4 gaunamas fluoro vandenilio rūgštimi veikiant silicio dioksidą pagal reakcijos lygtį
SiO 2 + 4HF \u003d SlF 4 + 2H 2 0
Pramoninei gamybai. SiF 4 naudojamas fluoršpatas CaF 2 , silicio dioksidas SiO 2 ir sieros rūgštis H 2 SO 4 . Reakcija vyksta dviem etapais:
2CaF 2 + 2H 3 SO 4 \u003d 2СаSO 4 + 4HF
SiO 2 + 4HF \u003d 2H 2 O + SiF 4
2CaF 2 + 2H 2S0 4 + SiO 2 = 2CaSO 4 + 2H 2 O + SiF 4
Tetrafluorsilano dujinė būsena ir lakumas naudojamas natrio-kalkių silikatiniams stiklams ėsdinti vandenilio fluoridu. Kai vandenilio fluoridas reaguoja su stiklu, susidaro tetrafluorsilanas, kalcio fluoridas, natrio fluoridas ir vanduo. Tetrafluorosilanas, lakuojantis, išskiria naujus gilesnius stiklo sluoksnius, kurie reaguoja su vandenilio fluoridu. Reakcijos vietoje lieka CaF 2 ir NaF, kurie ištirpsta vandenyje ir taip laisvai patenka į vandenilio fluoridą, kad toliau prasiskverbtų į šviežiai pliko stiklo paviršių. Išgraviruotas paviršius gali būti matinis arba skaidrus. Nepermatomas ėsdinimas gaunamas veikiant stiklą dujiniam vandenilio fluoridui, skaidrus - ėsdinant vandeniniais fluoro rūgšties tirpalais. Jei tetrafluorsilanas patenka į vandenį, gaunamas H 2 SiF 6 ir silicio dioksidas gelio pavidalu:
3SiF 4 + 2H 2 O \u003d 2H 2 SiF 6 + Si0 2
Fluorosilicio rūgštis yra viena iš stipriųjų dvibazių rūgščių, ji nebuvo gauta laisvoje būsenoje, o garinant suyra į SiF 4 ir 2HF, kurios išgaruoja; su šarminiais šarmais sudaro rūgštines ir normalias druskas:
H 2 SlF 6 + 2NaOH. = Na 2 SiF 6 + 2H 2 O
su šarmų pertekliumi gaunamas šarminių metalų fluoridas, silicio dioksidas ir vanduo:
H 2 SiF 6 + 6NaOH \u003d 6NaF + SiO 2 + 4H 2 O
Šios reakcijos metu išsiskiriantis silicio dioksidas reaguoja su šarmu
alkūnė ir sukelia silikato susidarymą:
SiO 2 + 2NaOH \u003d Na 2 SiO 3 + H 2 O
Fluorosilicio rūgšties druskos vadinamos siliciofluoridais arba fluatais. Šiuo metu siliciofluoridai Na, H, Rb, Cs, NH 4 , Cu, Ag, Hg, Mg, Ca, Sr, Ba, Cd, Zn, Mn, Ni, Co, Al, Fe, Cr, Pb ir kt.
Natrio Na 2 SiF 6 silicio fluoridai, magnis MgSiF 6 * 6HgO, cinkas ZnSiF 6 * 6H 2 O, aliuminis Al 2 (SiF 6) 3, švinas PbSiF 6, baris BaSiF 6 ir kiti naudojami įvairiems tikslams. fluoridai turi antiseptinių ir sandarinančių savybių; kartu jie yra antipirenai. Dėl to jie naudojami medienai impregnuoti, kad būtų išvengta priešlaikinio puvimo ir apsaugota nuo užsiliepsnojimo gaisro atveju. Silicio fluoridai taip pat impregnuojami dirbtiniais ir natūraliais statybiniais akmenimis, kad juos sandarintų. Impregnavimo esmė slypi tame, kad silicio fluoridų tirpalas, prasiskverbęs į akmens poras ir įtrūkimus, reaguoja su kalcio karbonatu ir kai kuriais kitais junginiais ir sudaro netirpias druskas, kurios nusėda į poras ir jas užsandarina. Tai labai padidina akmens atsparumą atmosferos poveikiui. Medžiagos, kuriose kalcio karbonato visai nėra arba jo yra mažai, iš anksto apdorojamos prefluatais, t.y. medžiagos, turinčios ištirpusių kalcio druskų, šarminių metalų silikatų ir kitų medžiagų, galinčių sudaryti netirpias nuosėdas su fluatais. Magnio, cinko ir aliuminio siliciofluoridai naudojami kaip fluatai. Sulenkimo procesą galima pavaizduoti taip:
MgSiF 6 + 2СаСО 3 = MgF 2 + 2CaF 2 + SiO 2 + 2СО 2
ZnSiF 6 + ZCaS0 3 \u003d 3CaF 6 + ZnCO 3 + SiO 2 + 2CO 2
Al 2 (SiF 6) 3 + 6CaCO 3 \u003d. 2A1F 3 + 6CaF 2 + 3SiO 2 + 6CO 2
Šarminių metalų siliciofluoridai gaunami reaguojant fluorsilicio rūgščiai su šių metalų druskų tirpalais:
2NaCl + H 2 SiF 6 = Na 2 SlF 6 + 2HC1
Tai želatinos nuosėdos, tirpios vandenyje ir praktiškai netirpios absoliučiame alkoholyje. Todėl jie naudojami kiekybinė analizė nustatant silicio dioksidą tūriniu metodu. Techniniais tikslais naudojamas natrio siliciofluoridas, kuris gaunamas baltų miltelių pavidalu kaip superfosfato gamybos šalutinis produktas. Iš Na 2 SiF 6 ir A1 2 O 3 mišinio 800 ° C temperatūroje susidaro kriolitas 3NaF٠AlF 3, kuris plačiai naudojamas dantų cementų gamyboje ir yra geras duslintuvas tiek gaminant stiklą, tiek gaminant nepermatomas glazūras. ir emaliai.
Natrio siliciofluoridas kaip vienas iš komponentų yra įtraukiamas į chemiškai atsparių glaistų, gaminamų ant skysto stiklo, sudėtį:
Na 2 SiF 6 + 2Na 2 SiO 3 \u003d 6NaF + 3SiO 2
Šios reakcijos metu išsiskiriantis silicio dioksidas suteikia sukietėjusiam glaistui cheminį stabilumą. Tuo pačiu metu Na 2 SiF 6 yra kietėjimo greitintuvas. Natrio silicio fluoridas taip pat naudojamas kaip mineralizatorius į žaliavinius mišinius gaminant cementą.
Tetrachlorosilane SiCl 4 yra bespalvis, ore rūkantis, lengvai hidrolizuojantis skystis, gaunamas chloruojant karborundą arba ferosiliuką, veikiant silanams aukštesnėje temperatūroje.
Tetrachlorosilanas yra pagrindinis daugelio organinių silicio junginių gamybos pradinis produktas.
Tetrabromosilane SiBr 4 yra bespalvis, ore rūkantis, lengvai hidrolizuojamas į SiO 2 ir HBr skystį, gaunamas karštoje temperatūroje, kai bromo garai praleidžiami per karštą elementinį silicį.
Tetrajodsilanas SiI 4 yra balta kristalinė medžiaga, gaunama per karštą elementinį silicį leidžiant jodo garų ir anglies dioksido mišinį.
Silicio boridai ir nitridai
Silicio boridai yra silicio ir boro junginiai. Šiuo metu žinomos dvi silicio sienelės: silicio triboridas B 3 Si ir silicio heksaboridas B 6 Si. Tai itin kietos, chemiškai atsparios ir ugniai atsparios medžiagos. Jie gaunami lydant elektros srovė smulkiai sumaltas mišinys, susidedantis iš 5 masės valandų elementinio silicio ir 1 masės valandų boro. Išsiliejusi masė nuvaloma išlydytu kalio karbonatu. G. M. Samsonovas ir V. P. Latyševas gavo silicio triboridą karšto presavimo būdu 1600-1800 0 C temperatūroje.
Silicio triboridas su kvadratu. 2,52 g / cm 3 formuoja juodas plokšteles -
plepios struktūros rombiniai kristalai, permatomi
plonu sluoksniu geltonai rudais tonais. Silicio heksaboridas su pl.
2,47 g / cm 3 gaunamas nepermatomų nepermatomų nepermatomų grūdelių pavidalu
šakutės forma.
Silicio boridai tirpsta maždaug 2000°C temperatūroje, tačiau labai lėtai oksiduojasi net esant aukštai temperatūrai. Tai leidžia juos naudoti kaip specialias ugniai atsparias medžiagas. Silicio boridų kietumas yra labai didelis ir šiuo atžvilgiu jie artėja prie karborundo.
Silicio junginiai su azotu vadinami silicio nitridais. Žinomi šie nitridai: Si 3 N 4, Si 2 N 3 ir SIN. Silicio nitridai gaunami kalcinuojant elementinį silicį gryno azoto atmosferoje, esant temperatūrai nuo 1300 iki 1500 °C. Įprastą silicio nitridą Si 3 N 4 galima gauti iš silicio dioksido ir kokso mišinio, deginto gryno azoto atmosferoje. 1400–1500 °C temperatūroje:
6С + 3Si0 2 + 2N 3 ͢ Si 3 N 4 + 6CO
Si 3 N 4 yra pilkšvai balti ugniai atsparūs ir rūgštims atsparūs milteliai, kurie išgaruoja tik aukštesnėje nei 1900 °C temperatūroje. Silicio nitridas hidrolizuojasi išskirdamas silicio dioksidą ir amoniaką:
Si 3 N 4 + 6H 2 O \u003d 3SiO 2 + 4NH3
koncentruotas sieros rūgštis kaitinant lėtai skaido Si 3 N 4, o praskiesta fluorsilicio rūgštis skaido energingiau.
Si 2 N 3 sudėties silicio nitridas taip pat gaunamas aukštoje temperatūroje veikiant azotą elementiniam siliciui arba anglies azoto siliciui C 2 Si 2 N + N 2 \u003d 2C + Si2N 3.
Be dvejetainių silicio junginių su azotu, šiuo metu žinoma daug kitų sudėtingesnių junginių, pagrįstų tiesioginiu ryšiu tarp silicio atomų ir azoto atomų, pavyzdžiui: 1) aminosilanai SiH 3 NH 2 , SiH 2 (NH 2) 2, SiH(NH2)3, Si(NH2)4; 2) sililaminai NH2 (SiH 3), NH (SiH 3) 2, N(SiH 3) 3; 3) sudėtingesnės sudėties azoto turintys silicio junginiai.
BENDRIEJI PAŽYMAI
- Pavadinimas - Si (Silicis);
- Laikotarpis - III;
- Grupė - 14 (IVa);
- Atominė masė - 28,0855;
- Atominis skaičius - 14;
- Atomo spindulys = 132 pm;
- Kovalentinis spindulys = 111 pm;
- Elektronų pasiskirstymas - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
- t lydymosi = 1412°C;
- virimo temperatūra = 2355°C;
- Elektronegatyvumas (pagal Paulingą / pagal Alpredą ir Rochovą) = 1,90 / 1,74;
- Oksidacijos būsena: +4, +2, 0, -4;
- Tankis (n.a.) \u003d 2,33 g / cm 3;
- Molinis tūris = 12,1 cm 3 / mol.
Silicio junginiai:
Pirmą kartą gryna silicis buvo išskirtas 1811 m. (prancūzai J. L. Gay-Lussac ir L. J. Tenard). Grynas elementinis silicis buvo gautas 1825 m. (švedas J. Ya. Berzelius). Cheminis elementas pavadinimą „silicis“ (išvertus iš senovės graikų kalbos – kalnas) gavo 1834 metais (rusų chemikas G. I. Hessas).
Silicis yra gausiausias (po deguonies) cheminis elementasŽemėje (turinys in Žemės pluta 28-29 % masės). Gamtoje silicio dažniausiai yra silicio dioksido (smėlio, kvarco, titnago, lauko špatų) pavidalu, taip pat silikatuose ir aliumosilikatuose. Silicis gryna forma yra labai retas. Daugelis natūralių silikatų gryna forma yra Brangūs akmenys: smaragdas, topazas, akvamaras – visa tai silicis. Grynas kristalinis silicio (IV) oksidas yra kalnų kristalo ir kvarco pavidalu. Silicio oksidas, kuriame yra įvairių priemaišų, formuoja tauriuosius ir pusbrangiai akmenys- ametistas, agatas, jaspis.
Ryžiai. Silicio atomo sandara.
Silicio elektroninė konfigūracija yra 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (žr. Elektroninė atomų sandara). Silicio išoriniame energijos lygyje yra 4 elektronai: 2 suporuoti 3s polygyje + 2 nesuporuoti p orbitalėse. Kai silicio atomas pereina į sužadintą būseną, vienas elektronas iš s polygio „palieka“ savo porą ir pereina į p polygį, kur yra viena laisva orbita. Taigi sužadintoje būsenoje silicio atomo elektroninė konfigūracija įgauna tokią formą: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .
Ryžiai. Silicio atomo perėjimas į sužadintą būseną.
Taigi junginiuose esantis silicis gali turėti 4 (dažniausiai) arba 2 (žr. Valenciją) valentingumą. Silicis (kaip ir anglis), reaguodamas su kitais elementais, sudaro cheminius ryšius, kuriuose gali ir atiduoti savo elektronus, ir juos priimti, tačiau gebėjimas priimti elektronus iš silicio atomų yra silpnesnis nei anglies atomų. didesnio dydžio silicio atomas.
Silicio oksidacijos būsenos:
- -4 : SiH 4 (silanas), Ca 2 Si, Mg 2 Si (metalo silikatai);
- +4 - stabiliausi: SiO 2 (silicio oksidas), H 2 SiO 3 (silicio rūgštis), silikatai ir silicio halogenidai;
- 0 : Si (paprasta medžiaga)
Silicis kaip paprasta medžiaga
Silicis yra tamsiai pilka kristalinė medžiaga su metaliniu blizgesiu. Kristalinis silicis yra puslaidininkis.
Silicis sudaro tik vieną alotropinę modifikaciją, panašią į deimantą, bet ne tokią stiprią, nes Si-Si ryšiai nėra tokie stiprūs kaip deimantų anglies molekulėje (žr. Deimantas).
Amorfinis silicis- rudi milteliai, lydymosi temperatūra 1420°C.
Kristalinis silicis gaunamas iš amorfinio silicio jį perkristalizuojant. Skirtingai nuo amorfinio silicio, kuris yra gana aktyvus cheminis, kristalinis silicis yra inertiškesnis sąveikos su kitomis medžiagomis atžvilgiu.
Silicio kristalinės gardelės struktūra atkartoja deimanto struktūrą – kiekvieną atomą supa keturi kiti atomai, išsidėstę tetraedro viršūnėse. Atomai jungiasi vienas su kitu kovalentiniais ryšiais, kurie nėra tokie stiprūs kaip anglies ryšiai deimante. Dėl šios priežasties net n.o.s. kai kurie kovalentiniai ryšiai kristaliniame silicyje nutrūksta, išleidžiant dalį elektronų, todėl silicis tampa šiek tiek laidus elektrai. Kaitinant silicį, šviesoje arba pridedant kai kurių priemaišų, didėja suardytų kovalentinių ryšių skaičius, dėl to didėja laisvųjų elektronų skaičius, todėl didėja ir silicio elektrinis laidumas.
Cheminės silicio savybės
Kaip ir anglis, silicis gali būti ir reduktorius, ir oksidatorius, priklausomai nuo to, su kokia medžiaga jis reaguoja.
n.o. silicis sąveikauja tik su fluoru, o tai paaiškinama gana stipria silicio kristaline gardele.
Silicis reaguoja su chloru ir bromu aukštesnėje nei 400°C temperatūroje.
Silicis sąveikauja su anglimi ir azotu tik esant labai aukštai temperatūrai.
- Reakcijoje su nemetalais silicis veikia kaip reduktorius:
- normaliomis sąlygomis iš nemetalų silicis reaguoja tik su fluoru, sudarydamas silicio halogenidą:
Si + 2F 2 = SiF 4 - aukštoje temperatūroje silicis reaguoja su chloru (400°C), deguonimi (600°C), azotu (1000°C), anglimi (2000°C):
- Si + 2Cl 2 = SiCl 4 – silicio halogenidas;
- Si + O 2 \u003d SiO 2 - silicio oksidas;
- 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - silicio nitridas;
- Si + C \u003d SiC - karborundas (silicio karbidas)
- normaliomis sąlygomis iš nemetalų silicis reaguoja tik su fluoru, sudarydamas silicio halogenidą:
- Reakcijoje su metalais silicis yra oksidatorius(susidaro salicidai:
Si + 2Mg = Mg 2 Si - Reakcijoje su koncentruotais šarmų tirpalais silicis reaguoja su vandenilio išsiskyrimu, sudarydamas tirpias silicio rūgšties druskas, vadinamas silikatai:
Si + 2NaOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 2H 2 - Silicis nereaguoja su rūgštimis (išskyrus HF).
Silicio gavimas ir naudojimas
Silicio gavimas:
- laboratorijoje - iš silicio dioksido (aliuminio terapija):
3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al 2O3 - pramonėje – redukuojant silicio oksidą koksu (komerciniu būdu grynu siliciu) aukštoje temperatūroje:
SiO 2 + 2C \u003d Si + 2CO - gryniausias silicis gaunamas redukuojant silicio tetrachloridą vandeniliu (cinku) aukštoje temperatūroje:
SiCl 4 + 2H 2 \u003d Si + 4HCl
Silicio panaudojimas:
- puslaidininkinių radioelementų gamyba;
- kaip metalurginiai priedai gaminant karščiui ir rūgštims atsparius junginius;
- saulės baterijų fotoelementų gamyboje;
- kaip kintamosios srovės lygintuvai.
