Węgiel jest zdolny do tworzenia kilku modyfikacji alotropowych. Są to diament (najbardziej obojętna modyfikacja alotropowa), grafit, fuleren i karabinek.
Węgiel drzewny i sadza są węglem amorficznym. Węgiel w tym stanie nie ma uporządkowanej struktury i faktycznie składa się z najmniejszych fragmentów warstw grafitu. Węgiel amorficzny potraktowany gorącą parą wodną nazywany jest węglem aktywnym. 1 gram węgla aktywnego, ze względu na obecność w nim wielu porów, ma łączną powierzchnię ponad trzystu metry kwadratowe! Ze względu na zdolność wchłaniania różne substancje Węgiel aktywowany jest szeroko stosowany jako wypełniacz filtrów, a także enterosorbent do różne rodzaje zatrucie.
Z chemicznego punktu widzenia najbardziej aktywną formą jest węgiel amorficzny, grafit wykazuje średnią aktywność, a diament jest substancją skrajnie obojętną. Z tego powodu omówiono poniżej Właściwości chemiczne węgiel należy przypisać przede wszystkim węglowi amorficznemu.
Właściwości redukujące węgla
Jako środek redukujący węgiel reaguje z niemetalami, takimi jak tlen, halogeny i siarka.
W zależności od nadmiaru lub braku tlenu podczas spalania węgla powstaje tzw tlenek węgla CO lub dwutlenek węgla CO2:
Kiedy węgiel reaguje z fluorem, powstaje tetrafluorek węgla:
Po podgrzaniu węgla z siarką powstaje dwusiarczek węgla CS 2:
Węgiel jest zdolny do redukcji metali 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 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 rozżarzony 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 tworzenie się krzemu lub węglika krzemu ( karborund):
Ponadto węgiel jako środek redukujący reaguje z kwasami utleniającymi, w szczególności stężonymi kwasami siarkowymi i azotowymi:
Utleniające właściwości węgla
Pierwiastek chemiczny węgiel nie jest wysoce elektroujemny, więc proste substancje, które tworzy, rzadko wykazują właściwości utleniające w stosunku do innych niemetali.
Przykładem takich reakcji jest oddziaływanie węgla amorficznego z wodorem po podgrzaniu w obecności katalizatora:
a także z krzemem w temperaturze 1200-1300 około C:
Węgiel wykazuje właściwości utleniające w stosunku do metali. Węgiel może reagować z metalami aktywnymi i niektórymi metalami o pośredniej aktywności. Reakcje zachodzą po podgrzaniu:
| Aktywne węgliki metali są hydrolizowane przez wodę:
a także roztwory kwasów nieutleniających: W tym przypadku powstają węglowodory zawierające węgiel na tym samym stopniu utlenienia, co w pierwotnym 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 amorficzny i krystaliczny krzem nazywany jest jego alotropowymi modyfikacjami, co, ściśle mówiąc, nie jest do końca prawdą. Krzem amorficzny jest zasadniczo konglomeratem najmniejszych cząsteczek krzemu krystalicznego rozmieszczonych losowo względem siebie.
Oddziaływanie krzemu z substancjami prostymi
niemetale
Na normalne warunki Krzem ze względu na swoją obojętność reaguje tylko z fluorem:
Krzem reaguje z chlorem, bromem i jodem dopiero po podgrzaniu. Charakterystyczne jest, że w zależności od aktywności halogenu wymagana jest odpowiednio różna 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 zachodzi jednak wymaga bardzo mocnego podgrzania (1200-1300°C) ze względu na to, że silna warstwa tlenku utrudnia interakcję:
W temperaturze 1200-1500°C krzem powoli oddziałuje z węglem w postaci grafitu tworząc karborund SiC – substancję o atomie sieci krystalicznej podobny do diamentu i prawie nie gorszy od niego pod względem siły:
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 substancjami aktywnymi (zasadowymi i ziem alkalicznych), a także z wieloma metalami o średniej aktywności. W wyniku tej interakcji powstają krzemki:
Oddziaływanie krzemu z substancjami złożonymi
Krzem nie reaguje z wodą nawet w stanie wrzenia, natomiast krzem amorficzny oddziałuje z przegrzaną parą wodną w temperaturze około 400-500°C. Powstaje w ten sposób wodór i dwutlenek krzemu:
Ze wszystkich kwasów krzem (w stanie amorficznym) reaguje tylko ze stężonym kwasem fluorowodorowym:
Krzem rozpuszcza się w stężonych roztworach alkalicznych. Reakcji towarzyszy wydzielanie wodoru.
Krzem w wolnej postaci został wyizolowany w 1811 roku przez J. Gay-Lussaca i L. Tenarda przez przepuszczanie oparów fluorku krzemu nad metalicznym potasem, ale nie został przez nich opisany jako pierwiastek. Szwedzki chemik J. Berzelius w 1823 roku podał opis otrzymanego przez siebie krzemu w wyniku obróbki sól potasowa K 2 SiF 6 z potasem metalicznym w wysokiej temperaturze. Nowemu pierwiastkowi nadano nazwę „krzem” (od łacińskiego silex – krzemień). Rosyjska nazwa „krzem” została wprowadzona w 1834 roku przez rosyjskiego chemika Germana Iwanowicza Hessa. Przetłumaczone z innej greki. krhmnoz- "urwisko, góra".
Będąc na łonie natury, zdobywając:
W naturze krzem występuje w postaci dwutlenku i krzemianów o różnym składzie. Naturalny dwutlenek krzemu występuje głównie w postaci kwarcu, choć występują również inne minerały - krystobalit, trydymit, kityt, kuzyt. Amorficzna krzemionka znajduje się w osadach okrzemek na dnie mórz i oceanów - osady te powstały z SiO 2, który był częścią okrzemek i niektórych orzęsków.
Wolny krzem można otrzymać przez kalcynację drobnym magnezem biały piasek, Który skład chemiczny jest prawie czystym tlenkiem krzemu, SiO 2 +2Mg=2MgO+Si. Krzem klasy przemysłowej otrzymuje się przez redukcję stopionego SiO 2 koksem w temperaturze około 1800°C w piecach łukowych. Czystość otrzymanego w ten sposób krzemu może osiągnąć 99,9% (główne zanieczyszczenia to węgiel, metale).
Właściwości fizyczne:
Krzem amorficzny ma postać brązowego proszku, którego gęstość wynosi 2,0 g/cm 3 . Krzem krystaliczny - ciemnoszary, błyszczący substancja krystaliczna, krucha i bardzo twarda, krystalizuje w sieci diamentowej. Jest to typowy półprzewodnik (przewodzi prąd lepiej niż izolator gumowy, a gorzej niż przewodnik - miedź). Krzem jest kruchy, dopiero po podgrzaniu powyżej 800°C staje się plastyczny. Co ciekawe, krzem jest przezroczysty dla promieniowania podczerwonego o długości fali już od 1,1 mikrometra.
Właściwości chemiczne:
Chemicznie krzem jest nieaktywny. W temperaturze pokojowej reaguje tylko z gazowym fluorem, tworząc lotny tetrafluorek krzemu SiF 4 . Po podgrzaniu do temperatury 400-500°C krzem reaguje z tlenem tworząc dwutlenek, z chlorem, bromem i jodem – tworząc odpowiednie łatwo lotne tetrahalogenki SiHal 4 . W temperaturze około 1000°C krzem reaguje z azotem tworząc azotek Si 3 N 4 , z borem - stabilne termicznie i chemicznie borki SiB 3 , SiB 6 i SiB 12 . Krzem nie reaguje bezpośrednio z wodorem.
Do trawienia krzemu najczęściej stosuje się mieszaninę kwasu fluorowodorowego i azotowego.
Stosunek do zasad ...
Krzem charakteryzuje się związkami o stopniu utlenienia +4 lub -4.
Najważniejsze połączenia:
Dwutlenek krzemu, SiO2- (bezwodnik krzemowy) ...
...
Kwasy krzemowe- słaby, nierozpuszczalny, powstały przez dodanie kwasu do roztworu krzemianu w postaci żelu (substancja galaretowata). H 4 SiO 4 (ortokrzem) i H 2 SiO 3 (metakrzem lub krzem) istnieją tylko w roztworze i nieodwracalnie zamieniają się w SiO 2 po podgrzaniu i wysuszeniu. Otrzymany stały porowaty produkt - Żel krzemionkowy, ma rozwiniętą powierzchnię i jest stosowany jako adsorbent gazu, środek osuszający, katalizator i nośnik katalizatora.
krzemiany- sole kwasów krzemowych w większości (z wyjątkiem krzemianów sodu i potasu) są nierozpuszczalne w wodzie. Nieruchomości....
Związki wodoru- analogi węglowodorów, silany, związki, w których atomy krzemu połączone są pojedynczym wiązaniem, sileny jeśli atomy krzemu są połączone wiązaniami podwójnymi. Podobnie jak węglowodory, związki te tworzą łańcuchy i pierścienie. Wszystkie silany są samozapalne, tworzą wybuchowe mieszaniny z powietrzem i łatwo reagują z wodą.
Aplikacja:
Krzem znajduje największe zastosowanie w produkcji stopów wzmacniających aluminium, miedź i magnez oraz do produkcji żelazokrzemków, które są ważne w produkcji stali i technologii półprzewodnikowej. Kryształy krzemu są używane m.in panele słoneczne oraz przyrządy półprzewodnikowe - tranzystory i diody. Krzem służy również jako surowiec do produkcji związków krzemoorganicznych, czyli siloksanów, otrzymywanych w postaci olejów, smarów, tworzyw sztucznych i kauczuków syntetycznych. związki nieorganiczne krzem znajduje zastosowanie w technologii ceramiki i szkła, jako materiał izolacyjny oraz piezokryształy
Dla niektórych organizmów krzem jest ważnym pierwiastkiem biogennym. Wchodzi w skład struktur nośnych u roślin i struktur szkieletowych u zwierząt. W dużych ilościach krzem jest skoncentrowany przez organizmy morskie - okrzemki, radiolarie, gąbki. Duże ilości krzemu są skoncentrowane w skrzypach i zbożach, głównie w podrodzinach bambusa i ryżu, w tym ryżu pospolitego. Mięsień człowiek zawiera (1-2) 10-2% krzemu, kość- 17 10 -4%, krew - 3,9 mg/l. Wraz z pożywieniem do organizmu człowieka dostaje się dziennie do 1 g krzemu.
Antonow SM, Tomilin KG
KhF Tiumeń Państwowy Uniwersytet, 571 grup.
Na normalne warunki alotropowe modyfikacje węgla - grafit i diament - są raczej obojętne. Ale gdy t wzrasta, aktywnie wchodzą reakcje chemiczne z substancjami prostymi i złożonymi.
Właściwości chemiczne węgla
Ponieważ elektroujemność węgla jest niska, proste substancje są dobrymi środkami redukującymi. Łatwiej utlenić węgiel drobnokrystaliczny, trudniej grafit, jeszcze trudniej diament.
Alotropowe modyfikacje węgla są utleniane przez tlen (spalanie) w określonych temperaturach zapłonu: grafit zapala się w temperaturze 600 ° C, diament w temperaturze 850-1000 ° C. Przy nadmiarze tlenu powstaje tlenek węgla (IV), przy niedoborze tlenek węgla (II):
C + O2 = CO2
2C + O2 = 2CO
Węgiel redukuje tlenki metali. W tym przypadku metale uzyskuje się w postaci wolnej. 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 różne rodzaje węglików. Tak więc aluminium ulega reakcjom 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, gdy wysokie temperatury. Przy znacznym ogrzewaniu manifestują się wysokie właściwości redukujące tlenku węgla. Reaguje więc z tlenkami metali:
CuO + CO => Cu + CO2
W podwyższonej temperaturze (700 ° C) zapala się w tlenie i pali się 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 kwaśny tlenek, reaguje z alkaliami i zasadowymi tlenkami. Gdy dwutlenek węgla przepuszcza się przez roztwór alkaliczny, może powstać sól średnia lub kwaśna.
3) Kwas węglowy ma wszystkie właściwości kwasów i oddziałuje z alkaliami i tlenkami zasadowymi.
Właściwości chemiczne krzemu
Krzem jest bardziej aktywny niż węgiel i już w temperaturze 400°C jest utleniany przez tlen. Inne niemetale mogą utleniać krzem. Reakcje te zwykle zachodzą w wyższej temperaturze niż z tlenem. W takich warunkach krzem oddziałuje z węglem, w szczególności z grafitem. W tym przypadku powstaje karborund SiC - bardzo twarda substancja, gorsza pod względem twardości tylko od diamentu.
Krzem może być również środkiem utleniającym. Przejawia się to w reakcjach z aktywnymi metalami. Na przykład:
Si + 2Mg = Mg2Si
Wyższa aktywność krzemu w porównaniu z węglem przejawia się w tym, że w przeciwieństwie do węgla reaguje on 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 reaguje z wodą. Jego kwaśny charakter przejawia się w reakcji z alkaliami i tlenkami zasadowymi:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Reakcje z tlenkami zasadowymi zachodzą w wysokich temperaturach.
Tlenek krzemu wykazuje słabe właściwości utleniające. Jest redukowany przez niektóre aktywne metale.
W dwuskładnikowych związkach krzemu z węglem każdy atom krzemu jest bezpośrednio związany z czterema sąsiednimi atomami węgla znajdującymi się na wierzchołkach czworościanu, którego środkiem jest atom krzemu. Jednocześnie każdy atom węgla z kolei jest związany z czterema sąsiednimi atomami krzemu znajdującymi się na wierzchołkach czworościanu, którego środkiem jest atom węgla. Takie wzajemne ułożenie atomów krzemu i węgla oparte jest na wiązaniu Si-C-krzem-węgiel i tworzy gęstą i bardzo mocną strukturę krystaliczną.
Obecnie znane są tylko dwa dwuskładnikowe związki krzemu z węglem. Jest to bardzo rzadki minerał, moissanit, który nie występuje jeszcze w przyrodzie. praktyczne zastosowanie i sztucznie otrzymany karborund SiC, który jest czasami nazywany silundem, refraxem, carbofraxem, kristolanem itp.
W praktyce laboratoryjnej i technologii karborund otrzymuje się przez redukcję krzemionki węglem zgodnie z równaniem reakcji
SiO2 + 3C \u003d 2CO + SiC
Oprócz drobno zmielonego kwarcu lub czystej żyłki kwarcowej i koksu, soli kuchennej i trociny. Trociny podczas strzelania poluzowują ładunek i sól, reagując z zanieczyszczeniami żelazistymi i aluminiowymi, zamienia je w le: nieprzezroczyste chlorki FeCl 3 i AlCl 3, które są usuwane ze strefy reakcji w temperaturze 1000-1200 ° C. W rzeczywistości reakcja między krzemionką a koksem rozpoczyna się już w temperaturze 1150 ° C , ale postępuje bardzo wolno. Wraz ze wzrostem temperatury do 1220 ° C jego prędkość wzrasta. W zakresie temperatur od 1220 do 1340°C staje się egzotermiczna i przebiega gwałtownie. W wyniku reakcji najpierw powstaje mieszanina złożona z najmniejszych kryształów i amorficznej odmiany karborundu. Wraz ze wzrostem temperatury do 1800-2000 ° C mieszanina rekrystalizuje i zamienia się w dobrze rozwinięte, tabelaryczne, rzadko bezbarwne, częściej zabarwione na zielono, szaro, a nawet czarno z diamentowym połyskiem i opalizującą grą, sześciokątne kryształy zawierające około 98- 99,5% karborundu. Proces otrzymywania karborundu z wsadu prowadzony jest w piecach elektrycznych wypalanych w temperaturze 2000-2200°C. W celu uzyskania chemicznie czystego karborundu produkt otrzymany w wyniku wypalenia wsadu poddaje się działaniu alkaliów, które rozpuszczają niewchodzącą krzemionkę w reakcję.
Krystaliczny karborund należy do bardzo ciała stałe; jego twardość wynosi 9. Rezystancja omowa karborundu polikrystalicznego maleje wraz ze wzrostem temperatury i staje się nieistotna w temperaturze 1500 0 C.
W powietrzu w temperaturach powyżej 1000 0 C karborund zaczyna utleniać się najpierw powoli, a następnie energicznie wraz ze wzrostem temperatury powyżej 1700 ° C. W takim przypadku powstaje krzemionka i tlenek węgla:
2SiC + 3O2 = 2SiO2 + 2CO
Tworzący się na powierzchni karborundu dwutlenek krzemu tworzy warstwę ochronną, nieco spowalniającą dalsze utlenianie karborundu. W środowisku pary wodnej utlenianie karborundu w tych samych warunkach przebiega intensywniej.
kwasy mineralne, z wyjątkiem ortofosforowego, karborund nie jest naruszony, chlor w temperaturze 100 ° C rozkłada go zgodnie z równaniem reakcji
SiC + 2Cl2 = SiCl4 + C
aw 1000 ° C zamiast węgla uwalnia się CC1 4:
SiC + 4C1 2 = SiCl + CC1 4
Stopione metale reagujące z karborundem tworzą odpowiednie krzemki:
SiC + Fe = FeSl + C
W temperaturach powyżej 810 ° C karborund redukuje tlenki metali ziem alkalicznych do metali, powyżej 1000 ° C redukuje tlenek żelaza (III) Fe 2 O 3 i powyżej 1300-1370 ° C tlenek żelaza (II) FeO, tlenek niklu (II ) NiO i tlenek manganu MnO.
Stopione żrące zasady i ich węglany w obecności tlenu atmosferycznego całkowicie rozkładają karborund, tworząc odpowiednie krzemiany:
SiC + 2KOH + 2O 2 \u003d K 2 SiO 3 + H2O + CO2
SiC + Na2CO3 + 2O2 \u003d Na2SiO3 + 2CO2
Karborund może również reagować z nadtlenkiem sodu, tlenkiem ołowiu (II) i kwasem fosforowym.
Ze względu na to, że karborund ma wysoką twardość, jest szeroko stosowany jako proszki ścierne do szlifowania metalu, a także do produkcji tarcz ściernych, prętów i papieru ściernego z karborundu. przewodnictwo elektryczne karborund w wysokich temperaturach umożliwia wykorzystanie go jako głównego materiału do produkcji tzw. prętów silikatowych, które są elementami oporowymi w piecach elektrycznych. W tym celu mieszaninę karborundu z krzemem zamyka się gliceryną lub inną organiczną substancją wiążącą, a z powstałej masy formuje się pręty, które wypala się w temperaturze 1400-1500°C w atmosferze tlenku węgla lub azotu. Podczas wypalania cement materia organiczna rozkłada się, uwolniony węgiel, łącząc się z krzemem, zamienia go w karborund i nadaje prętom wymaganą wytrzymałość.
Specjalne tygle ogniotrwałe są wykonane z karborundu
do topienia metali otrzymywanych przez prasowanie na gorąco
karborund w temperaturze 2500°C pod ciśnieniem 42-70 MPa. Bardziej znany
materiały ogniotrwałe wykonane z mieszanin karborundu z azotkami
bor, steatyt, wiązania zawierające molibden i inne
podmioty.
WODORKI KRZEMU LUB SILANY
Wodorowe związki krzemu są zwykle nazywane wodorkami krzemu lub silanami. Podobnie jak węglowodory nasycone, wodorki krzemu tworzą serię homologiczną, w której atomy krzemu są połączone pojedynczym wiązaniem
Si-Si-Si-Si-Si- itp.
Najprostszy.przedstawiciel
z tej homologicznej serii jest monosilan lub po prostu silan, SiH 4 , którego struktura cząsteczkowa jest podobna do struktury metanu, następuje
disilan H 3 Si-SiH 3, który ma podobną budowę cząsteczkową do etanu, następnie trisilan H 3 Si-SiH 2 -SiH 3,
tetrasilan H 3 Si-SiH 2 -SiH 2 -SiH 3,
pentasilan H 3 Si-SiH 2 -SiH 2 -SiH 2 ^--SiH 3 i ostatni z otrzymanych silanów tej homologicznej serii
heksasilan H3Si-SiH2-SiH2-SiH2-SiH2-SiH3. Silany w czysta forma nie występują w naturze. Zdobądź je sztucznie:
1. Rozkład krzemków metali kwasami lub zasadami zgodnie z równaniem reakcji
Mg2Si + 4HCI \u003d 2MgCl2 + SiH4
tworzy to mieszaninę silanów, którą następnie oddziela się przez destylację frakcyjną w bardzo wysokim stężeniu niskie temperatury.
2. Redukcja halosilanów wodorkiem litu lub wodorkiem litowo-glinowym:
SiCl4 + 4 LiH = 4LiCl + SiH4
Ta metoda otrzymywania silali została po raz pierwszy opisana w 1947 roku.
3. Redukcja halosilanów wodorem. Reakcja przebiega w temperaturze 300 - 400°C w probówkach reakcyjnych wypełnionych mieszaniną kontaktową zawierającą krzem, metaliczną miedź i 1 - 2% halogenki glinu jako katalizatory.
Pomimo podobieństw w struktura molekularna sitany i węglowodory nasycone, właściwości fizyczne oni są różni.
W porównaniu z węglowodorami silany są mniej stabilne. Najbardziej stabilnym z nich jest monosilan SiH4, który rozkłada się na krzem i wodór dopiero przy czerwonym ogniu. Inne silany o wysokiej zawartości krzemu tworzą niższe pochodne w znacznie niższych temperaturach. Na przykład disilan Si 2 H 6 daje silan i stały polimer w temperaturze 300 ° C, a heksasilan Si 6 H 14 rozkłada się powoli nawet w temperaturze normalne temperatury. W kontakcie z tlenem silany łatwo się utleniają, a niektóre z nich, na przykład monosilan SiH 4, samorzutnie zapalają się w temperaturze -180 ° C. Silany łatwo ulegają hydrolizie do dwutlenku krzemu i wodoru:
SiH 4 + 2H 2 0 \u003d SiO 2 + 4H 2
W przypadku wyższych silanów proces ten zachodzi z rozszczepieniem
wiązania - Si - Si - Si - między atomami krzemu. Na przykład trzy-
silan Si 3 H 8 daje trzy cząsteczki SiO 2 i dziesięć cząsteczek gazowego wodoru:
H3Si - SiH2 - SiH3 + 6H3O \u003d 3SiO2 + 10H2
W obecności żrących zasad, w wyniku hydrolizy silanów, powstaje krzemian odpowiedniego metalu alkalicznego i wodór:
SiH 4 + 2NaOH + H 2 0 = Na 2 Si 0 3 + 4 H 2
HALENDKI KRZEMU
Halosilany również należą do binarnych związków krzemu. Podobnie jak wodorki krzemu - silany - tworzą szereg homologiczny związki chemiczne, w którym atomy halogenków są bezpośrednio połączone z atomami krzemu połączonymi pojedynczymi wiązaniami
itp. w łańcuszki o odpowiedniej długości. Ze względu na to podobieństwo halosilany można uznać za produkty zamiany odpowiedniego halogenu na wodór w silanach. W takim przypadku wymiana może być kompletna i niekompletna. W tym ostatnim przypadku otrzymuje się halogenowe pochodne silanów. Za najwyższy znany halogenosilan uważa się chlorosilan Si 25 Cl 52. Halogenosilany i ich halogenopochodne nie występują w naturze w czystej postaci i można je otrzymać jedynie sztucznie.
1. Bezpośrednie połączenie pierwiastkowego krzemu z halogenami. Na przykład SiCl4 otrzymuje się z żelazokrzemu zawierającego od 35 do 50% krzemu, poddając go działaniu suchego chloru w temperaturze 350-500°C. W tym przypadku SiCl 4 otrzymuje się jako główny produkt w mieszaninie z innymi bardziej złożonymi halosilanami Si 2 C1 6, Si 3 Cl 8 itd. zgodnie z równaniem reakcji
Si + 2Cl 2 \u003d SiCl 4
Ten sam związek można otrzymać przez chlorowanie mieszaniny krzemionki i koksu w wysokich temperaturach. Reakcja przebiega zgodnie ze schematem
SiO2 + 2C \u003d Si + 2CO
Si + 2C1 2 \u003d SiС1 4
SiO2 + 2C + 2Cl2 \u003d 2CO + SiCl4
Tetrabromosilan otrzymuje się przez bromowanie na czerwono pierwiastkowego krzemu parami bromu:
Si + 2Br2 = SiBr4
lub mieszanki krzemionki z koksem:
SiO2 + 2C \u003d Si + 2CO
Si + 2Br 3 = SiBi 4
SiO2 + 2C + 2Br2 \u003d 2CO + SiBr4
W tym przypadku tworzenie silanów wyższych stopni jest możliwe jednocześnie z tetrasilanami. Na przykład podczas chlorowania krzemku magnezu otrzymuje się 80% SiCI 4, 20% SiCl 6 i 0,5-1% Si 3 Cl 8; podczas chlorowania krzemku wapnia skład produktów reakcji wyraża się następująco: 65% SiCl4; 30% Si2CI6; 4% Si3CI8.
2. Halogenowanie silanów halogenowodorami w obecności katalizatorów AlBr 3 w temperaturze powyżej 100 C. Reakcja przebiega według schematu
SiH4 + HBr = SiH3Br + H2
SiН 4 + 2НВг = SiH 2 Br 2 + 2H 2
3. Halogenowanie silanów chloroformem w obecności katalizatorów AlCl 3:
Si 3H 8 + 4CHS1 3 \u003d Si 3 H 4 Cl 4 + 4CH 2 C1 3
Si 3H 8 + 5CHCl 3 \u003d Si 3 H 3 C1 5 + 5CH 2 C1 2
4. Czterofluorek krzemu otrzymuje się przez działanie kwasu fluorowodorowego na krzemionkę:
SiO2 + 4HF \u003d SiF4 + 2H20
5. Niektóre polihalogenosilany można otrzymać z najprostszych halosilanów przez halogenowanie ich odpowiednimi halogenkami. Na przykład tetrajodosilan w zamkniętej probówce w temperaturze 200-300°C, reagując ze srebrem, uwalnia heksajododisilan w temp.
Jodosilany można otrzymać w reakcji jodu z silanami w środowisku tetrachlorek węgla lub chloroform i V obecność katalizatora Al 3 w oddziaływaniu silanu z jodowodorem
Halogenosilany są mniej trwałe niż halogenowe pochodne węglowodorów o podobnej strukturze. Łatwo ulegają hydrolizie, tworząc żel krzemionkowy i kwas halogenowodorowy:
SiCl4 + 2H2O \u003d Si02 + 4HCl
Najprostszymi przedstawicielami halosilanów są SiF 4 , SiCl 4 , SiBr 4 i SiI 4 . Spośród nich tetrafluorosilan i tetrachlorosilan są stosowane głównie w inżynierii. Tetrafluorosilan SiF 4 jest bezbarwnym gazem o ostrym zapachu, dymi w powietrzu, hydrolizuje do kwasu fluorokrzemowego i żelu krzemionkowego. SiF 4 otrzymuje się przez działanie kwasu fluorowodorowego na krzemionkę zgodnie z równaniem reakcji
SiO2 + 4HF \u003d SLF4 + 2H20
Do produkcji przemysłowej. SiF 4 wykorzystuje fluoryt CaF 2 , krzemionkę SiO 2 i kwas siarkowy H 2 SO 4 . Reakcja przebiega w dwóch fazach:
2CaF 2 + 2H 3 SO 4 \u003d 2СаSO 4 + 4HF
SiO2 + 4HF \u003d 2H2O + SiF4
2CaF2 + 2H2SO4 + SiO2 = 2CaSO4 + 2H2O + SiF4
Stan gazowy i lotność tetrafluorosilanu wykorzystuje się do trawienia szkieł sodowo-wapniowo-krzemianowych fluorowodorem. Gdy fluorowodór reaguje ze szkłem, powstaje tetrafluorosilan, fluorek wapnia, fluorek sodu i woda. Tetrafluorosilan, ulatniając się, uwalnia nowe głębsze warstwy szkła do reakcji z fluorowodorem. W miejscu reakcji pozostają CaF 2 i NaF, które rozpuszczają się w wodzie i tym samym zapewniają swobodny dostęp fluorowodoru w celu dalszej penetracji do świeżo odsłoniętej powierzchni szkła. Wytrawiona powierzchnia może być matowa lub przezroczysta. Trawienie matowe uzyskuje się poprzez działanie gazowego fluorowodoru na szkło, przezroczyste - poprzez trawienie roztwory wodne kwas fluorowodorowy. Jeśli tetrafluorosilan przepuści się do wody, otrzyma się H 2 SiF 6 i krzemionkę w postaci żelu:
3SiF 4 + 2H 2 O \u003d 2H 2 SiF 6 + Si0 2
Kwas fluorokrzemowy należy do silnych kwasów dwuzasadowych, nie został otrzymany w stanie wolnym, po odparowaniu rozkłada się na SiF 4 i 2HF, które ulatniają się; z żrącymi zasadami tworzy kwaśne i normalne sole:
H 2 SlF 6 + 2NaOH = Na 2 SiF 6 + 2H 2 O
z nadmiarem zasad daje fluorek metalu alkalicznego, krzemionkę i wodę:
H2SiF6 + 6NaOH \u003d 6NaF + SiO2 + 4H2O
Krzemionka uwolniona w tej reakcji reaguje z zasadą
łokcia i prowadzi do powstania krzemianów:
SiO2 + 2NaOH \u003d Na2SiO3 + H2O
Sole kwasu fluorokrzemowego nazywane są krzemofluorkami lub fluorkami. Obecnie krzemofluorki Na, H, Rb, Cs, NH 4 , Cu, Ag, Hg, Mg, Ca, Sr, Ba, Cd, Zn, Mn, Ni, Co, Al, Fe, Cr, Pb itp.
Fluorki krzemu sodu Na 2 SiF 6 , magnezu MgSiF 6 * 6HgO, cynku ZnSiF 6 * 6H 2 O, glinu Al 2 (SiF 6) 3 , ołowiu PbSiF 6 , baru BaSiF 6 i innych są wykorzystywane w technologii do różnych celów. fluorki mają właściwości antyseptyczne i uszczelniające; jednocześnie są uniepalniacze. Z tego powodu stosuje się je do impregnacji drewna w celu zapobieżenia przedwczesnemu rozkładowi oraz zabezpieczenia go przed zapłonem w przypadku pożaru. Fluorki krzemu są również impregnowane kamieniami sztucznymi i naturalnymi do celów budowlanych w celu ich uszczelnienia. Istota impregnacji polega na tym, że roztwór fluorków krzemu, wnikając w pory i pęknięcia kamienia, reaguje z węglanem wapnia i niektórymi innymi związkami tworząc nierozpuszczalne sole, które osadzają się w porach i uszczelniają je. To znacznie zwiększa odporność kamienia na warunki atmosferyczne. Materiały, które w ogóle nie zawierają węglanu wapnia lub zawierają go niewiele, poddaje się obróbce wstępnej za pomocą prefluatów, tj. substancje zawierające rozpuszczone sole wapnia, krzemiany metali alkalicznych i inne substancje zdolne do tworzenia nierozpuszczalnych osadów z fluorkami. Jako fluorki stosuje się krzemofluorki magnezu, cynku i glinu. Proces flutingu można przedstawić w następujący sposób:
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
Al2 (SiF6) 3 + 6CaCO3 \u003d. 2A1F3 + 6CaF2 + 3SiO2 + 6CO2
Silicofluorki metali alkalicznych otrzymuje się w reakcji kwasu fluorokrzemowego z roztworami soli tych metali:
2NaCl + H2SiF6 = Na2SIF6 + 2HC1
Są to galaretowate osady, rozpuszczalne w wodzie i praktycznie nierozpuszczalne w alkoholu absolutnym. Dlatego są używane w analiza ilościowa w oznaczaniu krzemionki metodą objętościową. Do celów technicznych stosuje się krzemofluorek sodu, który otrzymuje się w postaci białego proszku jako produkt uboczny w produkcji superfosfatu. Z mieszaniny Na 2 SiF 6 i A1 2 O 3 w temperaturze 800 ° C powstaje kriolit 3NaF٠AlF 3, który jest szeroko stosowany w produkcji cementów dentystycznych i jest dobrym tłumikiem zarówno w produkcji szkła, jak i produkcji szkliw nieprzezroczystych i emalie.
Silicofluorek sodu jako jeden ze składników wprowadzany jest do składu szpachlówek chemoodpornych wytwarzanych na płynnym szkle:
Na2SiF6 + 2Na2SiO3 \u003d 6NaF + 3SiO2
Krzemionka uwolniona w tej reakcji nadaje stabilność chemiczną utwardzonej szpachlówce. Jednocześnie Na 2 SiF 6 jest przyspieszaczem utwardzania. Fluorek krzemowo-sodowy jest również wprowadzany jako mineralizator do mieszanek surowcowych do produkcji cementów.
Tetrachlorosilan SiCl 4 - bezbarwna, dymiąca w powietrzu, łatwo ulegająca hydrolizie ciecz otrzymywana przez chlorowanie karborundu lub żelazokrzemu przez działanie silanów w podwyższonej temperaturze
Tetrachlorosilan jest głównym produktem wyjściowym do produkcji wielu związków krzemoorganicznych.
Tetrabromosilan SiBr 4 jest bezbarwną, dymiącą w powietrzu, łatwo ulegającą hydrolizie cieczą SiO 2 i HBr, uzyskiwaną w rozpalonej do czerwoności temperaturze, gdy opary bromu przepuszcza się przez gorący elementarny krzem.
Tetrajodsilan SiI 4 to biała krystaliczna substancja otrzymywana przez przepuszczanie mieszaniny par jodu z dwutlenkiem węgla nad gorącym pierwiastkowym krzemem.
Borki i azotki krzemu
Borki krzemu to związki krzemu z borem. Obecnie znane są dwa borki krzemu: triborek krzemu B 3 Si i heksaborek krzemu B 6 Si. Są to niezwykle twarde, odporne chemicznie i ogniotrwałe substancje. Otrzymuje się je przez stapianie prąd elektryczny drobno zmielona mieszanka, składająca się z 5% wag. godziny pierwiastkowego krzemu i 1% wag. godziny boru. Rozlaną masę oczyszcza się stopionym węglanem potasu. G. M. Samsonov i V. P. Latyshev uzyskali triborek krzemu przez prasowanie na gorąco w temperaturze 1600-1800 0 C.
Triborek krzemu z kwadratem. 2,52 g / cm 3 tworzy czarne płytki -
rozgadana struktura rombowych kryształów, półprzezroczystych
cienką warstwą w tonacji żółto-brązowej. Heksaborek krzemu z pl.
2,47 g/cm 3 uzyskuje się w postaci nieprzejrzystych ziaren nieprzejrzystych
kształt widelca.
Borki krzemu topią się w temperaturze około 2000°C, ale utleniają się bardzo powoli, nawet w wysokich temperaturach. Dzięki temu można je stosować jako specjalne materiały ogniotrwałe. Twardość borków krzemu jest bardzo wysoka i pod tym względem zbliżają się do karborundu.
Związki krzemu z azotem nazywane są azotkami krzemu. Znane są następujące azotki: Si 3 N 4 , Si 2 N 3 i SIN. Azotki krzemu otrzymuje się przez kalcynację pierwiastkowego krzemu w atmosferze czystego azotu w zakresie temperatur od 1300 do 1500°C. Normalny azotek krzemu Si 3N 4 można otrzymać z mieszaniny krzemionki i koksu, kalcynowanych w atmosferze czystego azotu w temperaturze 1400-1500°C:
6С + 3Si0 2 + 2N 3 ͢ Si 3 N 4 + 6CO
Si 3 N 4 to szaro-biały ogniotrwały i kwasoodporny proszek, który ulatnia się dopiero powyżej 1900 ° C. Azotek krzemu hydrolizuje z uwolnieniem krzemionki i amoniaku:
Si3N4 + 6H2O \u003d 3SiO2 + 4NH3
stężony Kwas Siarkowy po podgrzaniu powoli rozkłada Si 3 N 4 , a rozcieńczony kwas fluorokrzemowy rozkłada go bardziej energicznie.
Azotek krzemu o składzie Si 2 N 3 otrzymuje się również przez działanie azotu w wysokich temperaturach na pierwiastkowy krzem lub krzemowy kwas karboksylowy C 2 Si 2 N + N 2 \u003d 2C + Si2N 3 .
Oprócz binarnych związków krzemu z azotem, obecnie znanych jest wiele innych, bardziej złożonych, które opierają się na bezpośrednim wiązaniu między atomami krzemu i atomami azotu, na przykład: 1) aminosilany SiH 3 NH 2 , SiH 2 (NH 2) 2, SiH(NH2)3, Si(NH2)4; 2) sililaminy NH2(SiH3), NH(SiH3)2, N(SiH3)3; 3) zawierające azot związki krzemu o bardziej złożonym składzie.
POGLĄDY OGÓLNE
- Oznaczenie - Si (krzem);
- Okres - III;
- Grupa - 14 (IVa);
- Masa atomowa - 28,0855;
- liczba atomowa - 14;
- Promień atomu = 132 pm;
- promień kowalencyjny = 111 pm;
- Rozkład elektronów - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
- t topnienia = 1412°C;
- temperatura wrzenia = 2355°C;
- Elektroujemność (wg Paulinga / Alpreda i Rochova) = 1,90 / 1,74;
- Stopień utlenienia: +4, +2, 0, -4;
- Gęstość (nd.) \u003d 2,33 g / cm3;
- Objętość molowa = 12,1 cm 3 / mol.
Związki krzemu:
Krzem został po raz pierwszy wyizolowany w czystej postaci w 1811 roku (Francuzi JL Gay-Lussac i LJ Tenard). Czysty pierwiastkowy krzem uzyskano w 1825 r. (Szwed J. Ya. Berzelius). Pierwiastek chemiczny otrzymał swoją nazwę „krzem” (przetłumaczony ze starożytnej greki - góra) w 1834 r. (Rosyjski chemik G. I. Hess).
Krzem jest najbardziej rozpowszechniony (po tlenie) pierwiastek chemiczny na Ziemi (treść w skorupa Ziemska 28-29% wagowych). W naturze krzem występuje najczęściej w postaci krzemionki (piasek, kwarc, krzemień, skalenie), a także w krzemianach i glinokrzemianach. Krzem jest niezwykle rzadki w czystej postaci. Wiele naturalnych krzemianów w czystej postaci jest kamienie szlachetne: szmaragd, topaz, akwamaryn - wszystko to krzem. Czysty krystaliczny tlenek krzemu(IV) występuje w postaci kryształu górskiego i kwarcu. Tlenek krzemu, w którym obecne są różne zanieczyszczenia, tworzy cenne i kamienie półszlachetne- ametyst, agat, jaspis.
Ryż. Budowa atomu krzemu.
Konfiguracja elektronowa krzemu to 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (patrz Struktura elektronowa atomów). Krzem ma 4 elektrony na swoim zewnętrznym poziomie energetycznym: 2 sparowane na podpoziomie 3s + 2 niesparowane na orbitali p. Kiedy atom krzemu przechodzi w stan wzbudzony, jeden elektron z podpoziomu s „opuszcza” swoją parę i przechodzi do podpoziomu p, gdzie znajduje się jeden wolny orbital. Zatem w stanie wzbudzonym konfiguracja elektronowa atomu krzemu przyjmuje następującą postać: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .
Ryż. Przejście atomu krzemu do stanu wzbudzonego.
Zatem krzem w związkach może wykazywać wartościowość 4 (najczęściej) lub 2 (patrz wartościowość). Krzem (podobnie jak węgiel), reagując z innymi pierwiastkami, tworzy wiązania chemiczne, w których może zarówno oddawać swoje elektrony, jak i je przyjmować, ale zdolność do przyjmowania elektronów z atomów krzemu jest mniej wyraźna niż atomów węgla, ze względu na większy rozmiar atom krzemu.
Stopnie utlenienia krzemu:
- -4 : SiH4 (silan), Ca2Si, Mg2Si (krzemiany metali);
- +4 - najbardziej stabilne: SiO 2 (tlenek krzemu), H 2 SiO 3 (kwas krzemowy), krzemiany i halogenki krzemu;
- 0 : Si (substancja prosta)
Krzem jako substancja prosta
Krzem to ciemnoszara krystaliczna substancja o metalicznym połysku. Krzem krystaliczny jest półprzewodnikiem.
Krzem tworzy tylko jedną odmianę alotropową, podobną do diamentu, ale nie tak silną, ponieważ wiązania Si-Si nie są tak silne jak w cząsteczce węgla diamentu (patrz Diament).
Krzem amorficzny- brązowy proszek, temperatura topnienia 1420°C.
Krzem krystaliczny otrzymuje się z krzemu amorficznego przez jego rekrystalizację. W przeciwieństwie do krzemu amorficznego, który jest raczej aktywną substancją chemiczną, krzem krystaliczny jest bardziej obojętny pod względem interakcji z innymi substancjami.
Struktura sieci krystalicznej krzemu powtarza strukturę diamentu – każdy atom otoczony jest czterema innymi atomami znajdującymi się na wierzchołkach czworościanu. Atomy wiążą się ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, które nie są tak silne jak wiązania węglowe w diamencie. Z tego powodu nawet w n.o.s. część wiązań kowalencyjnych w krzemie krystalicznym zostaje zerwana, w wyniku czego uwalniana jest część elektronów, dzięki czemu krzem ma małe przewodnictwo elektryczne. W miarę podgrzewania krzemu, w świetle lub z dodatkiem pewnych zanieczyszczeń, zwiększa się liczba zniszczonych wiązań kowalencyjnych, w wyniku czego zwiększa się liczba wolnych elektronów, a zatem wzrasta również przewodnictwo elektryczne krzemu.
Właściwości chemiczne krzemu
Podobnie jak węgiel, krzem może być zarówno środkiem redukującym, jak i utleniaczem, w zależności od tego, z jaką substancją reaguje.
w n.o. krzem oddziałuje tylko z fluorem, co tłumaczy się raczej mocną siecią krystaliczną krzemu.
Krzem reaguje z chlorem i bromem w temperaturach przekraczających 400°C.
Krzem oddziałuje z węglem i azotem tylko w bardzo wysokich temperaturach.
- W reakcjach z niemetalami krzem zachowuje się jak Środek redukujący:
- w normalnych warunkach, z niemetali, krzem reaguje tylko z fluorem, tworząc halogenek krzemu:
Si + 2F 2 = SiF 4 - w wysokich temperaturach krzem reaguje z chlorem (400°C), tlenem (600°C), azotem (1000°C), węglem (2000°C):
- Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - halogenek krzemu;
- Si + O 2 \u003d SiO 2 - tlenek krzemu;
- 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - azotek krzemu;
- Si + C \u003d SiC - karborund (węglik krzemu)
- w normalnych warunkach, z niemetali, krzem reaguje tylko z fluorem, tworząc halogenek krzemu:
- W reakcjach z metalami występuje krzem Środek utleniający(utworzony salicydy:
Si + 2Mg = Mg2Si - W reakcjach ze stężonymi roztworami zasad krzem reaguje z wydzielaniem wodoru, tworząc rozpuszczalne sole kwasu krzemowego, tzw. krzemiany:
Si + 2NaOH + H2O \u003d Na2SiO3 + 2H2 - Krzem nie reaguje z kwasami (z wyjątkiem HF).
Pozyskiwanie i wykorzystanie krzemu
Pozyskiwanie krzemu:
- w laboratorium - z krzemionki (terapia glinem):
3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3 - w przemyśle - poprzez redukcję tlenku krzemu koksem (handlowo czysty krzem) w wysokiej temperaturze:
SiO2 + 2C \u003d Si + 2CO - najczystszy krzem otrzymuje się przez redukcję tetrachlorku krzemu wodorem (cynkiem) w wysokiej temperaturze:
SiCl4 + 2H2 \u003d Si + 4HCl
Aplikacja silikonu:
- produkcja radioelementów półprzewodnikowych;
- jako dodatki hutnicze w produkcji mieszanek żaroodpornych i kwasoodpornych;
- w produkcji fotokomórek do baterii słonecznych;
- jako prostowniki AC.
