Фізико-хімічні властивості кремнію та вуглецю та їх сполук. Хімічні властивості вуглецю та кремнію

Опис та властивості кремнію

Кремній – елемент, четверта група, третій період таблиці елементів. Атомний номер 14 Формула кремнію- 3s2 3p2. Визначений як елемент, в 1811 р, а в 1834 отримав російську назву «кремній», замість колишнього «сицилій». Плавиться при 1414 ° С, закипає при 2349 ° С.

Молекулярною будовою він нагадує, але поступається йому за твердістю. Досить тендітний, у нагрітому стані (не менше 800º С) набуває пластичності. Просвічується інфрачервоним випромінюванням. Монокристалічний тип кремнію має напівпровідникові властивості. За деякими характеристиками атом кремніюсхожий з атомарним будовою вуглецю. Електрони кремніюмають таке ж валентне число, як і за вуглецевої будови.

Робітники властивості кремніюзалежить від змісту у ньому певних змістів. У кремнію допустимо різний тип провідності. Зокрема це «дірочний» та «електронний» тип. Для отримання першого кремній додається бор. Якщо додати фосфор, кремнійнабуває другого типу провідності. Якщо кремній нагрівати разом з іншими металами, утворюються специфічні сполуки, які називають «силіцидами», наприклад, при реакції « магній-кремній«.

Кремній, що йде на потреби електроніки, насамперед оцінюється за характеристиками його верхніх шарів. Тому необхідно звертати увагу саме на їхню якість, вона безпосередньо відбивається на загальних показниках. Від них залежить робота виробленого приладу. Для отримання найбільш прийнятних показників верхніх шарів кремнію їх обробляють різними хімічними способами або піддають опроміненню.

З'єднання «сірка-кремній»,утворює сульфід кремнію, що легко взаємодіє з водою і киснем. При реакції з киснем, у температурних умовах вище 400 ºС, виходить діоксид кремнію.При цій же температурі стають можливими реакції з хлором та йодом, а також з бромом, під час цього утворюються леткі речовини – тетрагалогеніди.

Поєднати кремній і водень шляхом прямого контакту не вийде, для цього існують методи непрямого характеру. При 1000 С можлива реакція з азотом, а також бором, при цьому виходить нітрид і борид кремнію. При цій же температурі, з'єднавши кремній з вуглецем, можна зробити карбід кремнію, так званий карборунд. Даний склад має тверду структуру, хімічна активність млява. Використовується як абразив.

У поєднанні з залізом, кремнійутворює особливу суміш, це допускає плавлення цих елементів, при якому утворюється феросиліцієва кераміка. Причому температура її плавлення набагато нижче, ніж їх плавити окремо. При температурному режимі вище 1200º С, з елемента починається утворення оксиду кремнію, також за певних умов виходить гідроксид кремнію. При травленні кремнію застосовуються лужні розчини на водяній основі. Їхня температура повинна бути не менше 60ºС.

Родовища та видобуток кремнію

Елемент – друге поширення планети речовина. Кремнійстановить майже третину обсягу земної кори. Найпоширенішим є лише кисень. Переважно виражений кремнеземом - з'єднанням у своїй основі містить діоксид кремнію. Головні похідні діоксиду кремнію – кремінь, різні піски, кварц, і навіть польові . Після них йдуть силікатні сполуки кремнію. Самородність для кремнію – рідкісне явище.

Застосування кремнію

Кремній, хімічні властивостіякого визначають сферу його застосування, ділиться на кілька видів. Менш чистий кремній йде на металургійні потреби: наприклад, для добавки в алюміній, кремнійактивно змінює його властивості, розкислювачі і т.д. Він активно модифікує властивості металів, за допомогою добавки до них склад. Кремнійлегує їх, змінюючи робітники характеристики, кремніюДостатньо при цьому зовсім невеликої кількості.

Також з неочищеного кремнію виробляють якісніші похідні, зокрема, моно і полікристалічний кремній, а також кремнієві органіки – це силікони та різні органічні олії. Також він знайшов своє застосування при виробництві цементу та скляної промисловості. Не оминув він і цегляне виробництво, фабрики, що виробляють фарфор і також без нього не обходяться.

Кремній входить до складу відомого силікатного клею, який йде на ремонтні роботи, а раніше він використовувався в канцелярських потребах, поки не з'явилися практичніші замінники. До складу деяких піротехнічних виробів також входи кремній. З нього та його залізних сплавів можна отримувати водень на відкритому повітрі.

На що йде якісніший кремній? Пластинисонячних батарей теж включають до складу кремній, звичайно не технічний. Для цих потреб необхідний кремній ідеальної чистоти або хоч би технічний кремній вищого ступеня очищення.

Так званий "електронний кремній",який містить кремній майже на 100%, має набагато кращі показники. Тому його віддають перевагу при виробництві надточних електронних приладів та складних мікросхем. При їх виготовленні потрібна якісна виробнича схема, кремнійдля якої має йти лише найвища категорія. Робота цих пристроїв залежить від того, скільки містить кремнійнебажаних домішок.

Кремній займає важливе місце в природі, і більшість живих істот, що постійно відчувають у ньому потребу. Для них це своєрідний будівельний склад, тому що він украй важливий для здоров'я опорно-рухового апарату. Щодня людина поглинає до 1 г сполук кремнію.

Чи може кремній бути шкідливим?

Так, тому, що діоксид кремнію вкрай розташований до пилоутворення. Вона має дратівливий вплив на слизові поверхні організму і здатна активно накопичуватися в легенях, викликаючи силікоз. Для цього на виробництві пов'язаного з переробкою кремнієвих елементів обов'язкове застосування респіраторів. Особливо важлива їх наявність, якщо йдеться про моноксид кремнію.

Ціна кремнію

Як відомо, вся сучасна електронна техніка, починаючи від телекомунікацій і закінчуючи комп'ютерними технологіями, ґрунтується на застосуванні кремнію, використовуючи його напівпровідникові властивості. Його інші аналоги застосовуються значно меншою мірою. Унікальні властивості кремнію та його похідних поки що поза конкуренцією, на довгі роки вперед. Незважаючи на спад цін у 2001 р. кремній, продажшвидко прийшли до норми. І вже 2003 р товарообіг становив 24 тисячі тонн за рік.

Для новітніх технологій, що вимагають майже кришталевої чистоти кремнію, його технічні аналоги не підходять. А рахунок його складної системи очищення ціна відповідно в рази зростає. Найбільш поширеним є полікристалічний тип кремнію, дещо меншим попитом користується монокристалічний прототип. У цьому частка використання кремнію для напівпровідників займає левову частину товарообігу.

Ціни на продукцію варіюються в залежності від чистоти та призначення кремнію, купитиякий можна починати від 10 центів за кг неочищеної сировини і до 10$ і вище за «електронний» кремній.

Вступ

2.1.1 Ступінь окиснення +2

2.1.2 Ступінь окиснення +4

2.3 Карбіди металів

Глава 3. Сполуки кремнію

Список літератури

Вступ

Хімія - одна з галузей природознавства, предметом вивчення якої є хімічні елементи (атоми), утворені ними прості та складні речовини (молекули), їх перетворення та закони, яким підкоряються ці перетворення.

За визначенням Д.І. Менделєєва (1871), "хімію в її сучасному стані можна... назвати вченням про елементи".

Походження слова "хімія" з'ясовано остаточно. Багато дослідників вважають, що воно походить від старовинного найменування Єгипту - Хеміа (грецьке Chemia, зустрічається у Плутарха), яке виробляється від "хем" або "хамі" - чорний і означає "наука чорної землі" (Єгипту), "єгипетська наука".

Сучасна хімія тісно пов'язана, як з іншими науками, так і з усіма галузями народного господарства.

Якісна особливість хімічної форми руху матерії та її переходів до інших форм руху зумовлює різнобічність хімічної науки та її зв'язку з областями знання, що вивчають і нижчі, і вищі форми руху. Пізнання хімічної форми руху матерії збагачує загальне вчення про розвиток природи, еволюцію речовини у Всесвіті, сприяє становленню цілісної матеріалістичної картини світу. Дотик хімії коїться з іншими науками породжує специфічні області взаємного їх проникнення. Так, області переходу між хімією та фізикою представлені фізичною хімією та хімічною фізикою. Між хімією та біологією, хімією та геологією виникли особливі прикордонні області – геохімія, біохімія, біогеохімія, молекулярна біологія. Найважливіші закони хімії формулюються математичною мовою, і теоретична хімія неспроможна розвиватися без математики. Хімія надавала і впливає розвиток філософії, і сама відчувала і відчуває її вплив.

Історично склалися два основних розділи хімії: неорганічна хімія, що вивчає в першу чергу хімічні елементи та утворювані ними прості та складні речовини (крім сполук вуглецю), та органічна хімія, предметом вивчення якої є сполуки вуглецю з ін. елементами (органічні речовини).

До кінця 18 століття терміни "неорганічна хімія" та "органічна хімія" вказували лише на те, з якого "царства" природи (мінерального, рослинного чи тваринного) виходили ті чи інші сполуки. Починаючи з 19 ст. ці терміни стали вказувати на присутність або відсутність вуглецю в цій речовині. Потім вони набули нового, більш широкого значення. Неорганічна хімія стикається насамперед геохімією і далі з мінералогією і геологією, тобто. з науками про неорганічну природу. Органічна хімія представляє галузь хімії, яка вивчає різноманітні сполуки вуглецю аж до найскладніших біополімерних речовин. Через органічну та біоорганічну хімію хімія межує з біохімією і далі з біологією, тобто. із сукупністю наук про живу природу. На стику між неорганічною та органічною хімією знаходиться область елементоорганічних сполук.

У хімії поступово сформувалися уявлення про структурні рівні організації речовини. Ускладнення речовини, починаючи від нижчої, атомарної, проходить щаблі молекулярних, макромолекулярних, або високомолекулярних, сполук (полімер), потім міжмолекулярних (комплекс, клатрат, катенан), нарешті, різноманітних макроструктур (кристал, міцелла) аж до невизначених нестехіометричних. Поступово склалися та відокремилися відповідні дисципліни: хімія комплексних сполук, полімерів, кристалохімія, вчення про дисперсні системи та поверхневі явища, сплави та ін.

Вивчення хімічних об'єктів та явищ фізичними методами, встановлення закономірностей хімічних перетворень, виходячи із загальних принципів фізики, є основою фізичної хімії. До цієї галузі хімії відноситься ряд значною мірою самостійних дисциплін: термодинаміка хімічна, кінетика хімічна, електрохімія, колоїдна хімія, квантова хімія та вчення про будову та властивості молекул, іонів, радикалів, радіаційна хімія, фотохімія, вчення про каталіз, та ін Самостійний характер набула аналітична хімія , методи якої широко застосовуються у всіх галузях хімії та хімічної промисловості. У галузях практичного застосування хімії виникли такі науки та наукові дисципліни, як хімічна технологія з багатьма її галузями, металургія, агрохімія, медична хімія, судова хімія та ін.

Як було зазначено вище, хімія розглядає хімічні елементи і утворювані ними речовини, і навіть закони, яким підпорядковуються ці перетворення. Один із цих аспектів (а саме, хімічні сполуки на основі кремнію та вуглецю) і буде розглянутий мною в даній роботі.

Глава 1. Кремній та вуглець - хімічні елементи

1.1 Загальні відомості про вуглецю та кремнію

Вуглець (С) та кремній (Si) входять до групи IVA.

Вуглець не належить до дуже поширених елементів. Незважаючи на це, значення його величезне. Вуглець-основа життя землі. Він входить до складу дуже поширених в природі карбонатів (Са, Zn, Mg, Fe та ін), в атмосфері існує у вигляді СО 2 зустрічається у вигляді природного вугілля (аморфного графіту), нафти і природного газу, а також простих речовин ( алмазу, графіту).

Кремній за поширеністю у земній корі посідає друге місце (після кисню). Якщо вуглець – основа життя, то кремній-основа земної кори. Він зустрічається у величезному різноманітті силікатів (рис 4) та алюмосилікатів, піску.

Аморфний кремній – порошок бурого кольору. Останній легко отримати в кристалічному стані у вигляді сірих твердих, але досить крихких кристалів. Кристалічний кремній – напівпровідник.

Таблиця 1. Загальні хімічні дані про вуглецю та кремнію.

Стійка за нормальної температури модифікація вуглецю - графіт - є непрозору, сіру жирну масу. Діамант - найтвердіша речовина на землі - безбарвний і прозорий. Кристалічні структури графіту та алмазу наведені на рис.1.

Малюнок 1. Структура алмазу (а); структура графіту (б)

Вуглець і кремній мають певні похідні.

Таблиця 2. Найбільш характерні похідні вуглецю та кремнію

1.2 Отримання, хімічні властивості та застосування простих речовин

Кремній одержують відновленням оксидів вуглецем; для отримання в особливо чистому стані після відновлення речовину переводять у тетрахлорид і знову відновлюють (воднем). Потім сплавляють у зливки та піддають очищенню методом зонної плавки. Злиток металу нагрівають з одного кінця так, щоб у ньому утворилася зона розплавленого металу. При переміщенні зони до іншого кінця зливка домішка, розчиняючись у розплавленому металі краще, ніж у твердому, виводиться, і тим самим очищається метал.

Вуглець інертний, але за дуже високої температури (в аморфному стані) взаємодіє з більшістю металів з утворенням твердих розчинів або карбідів (СаС 2 , Fе 3 С і т.д.), а також з багатьма металоїдами, наприклад:

2С+ Са = СaC 2, С + 3Fe = Fe 3 C,

Кремній більш реакційно здатний. З фтором він реагує вже за нормальної температури: Si+2F 2 =SiF 4

У кремнію дуже велика спорідненість також і до кисню:

Реакція з хлором та сіркою протікає близько 500 К. При дуже високій температурі кремній взаємодіє з азотом та вуглецем:

З воднем кремній безпосередньо не взаємодіє. Кремній розчиняється у лугах:

Si+2NaOH+H 2 0=Na 2 Si0 3 +2H 2 .

Кислоти, крім плавикової, на нього не діють. З HF йде реакція

Si+6HF=H2+2H2.

Вуглець у складі різних вугілля, нафти, природного (в основному СН4), а також штучно отриманих газів - найважливіша паливна база нашої планети

Графіт широко використовується для виготовлення тиглів. Стрижні з графіту використовуються як електроди. Багато графіту йде на виробництво олівців. Вуглець та кремній застосовуються для виробництва різних сортів чавуну. У металургії вуглець використовується як відновник, а кремній через велику спорідненість до кисню-як розкислювач. Кристалічний кремній в особливо чистому стані (не більше 10 -9 ат.% домішки) використовується як напівпровідник у різних пристроях та приладах, у тому числі як транзистори та термістори (прилади для дуже тонких вимірювань температур), а також у фотоелементах, робота яких заснована на можливості напівпровідника при освітленні проводити струм.

Глава 2. Хімічні сполуки вуглецю

Для вуглецю характерні міцні ковалентні зв'язки між власними атомами (С-С) та з атомом водню (С-Н), що знайшло відображення у великій кількості органічних сполук (кілька сотень мільйонів). Крім міцних зв'язків С-Н, С-З різних класах органічних і неорганічних сполук, широко представлені зв'язку вуглецю з азотом, сіркою, киснем, галогенами, металами (див. табл.5). Такі високі можливості утворення зв'язків обумовлені малими розмірами атома вуглецю, що дозволяють його валентним орбіталям 2s 2 2p 2 максимально перекриватися. Найважливіші неорганічні сполуки описані у таблиці 3.

Серед неорганічних сполук вуглецю унікальними за складом та будовою є азотовмісні похідні.

У неорганічній хімії широко представлені похідні оцтової СНзСООН та щавлевої H 2 C 2 Про 4 кислот - ацетати (типу М"СНзСОО) та оксалати (типу M I 2 C 2 Про 4).

Таблиця 3. Найважливіші неорганічні сполуки вуглецю.

2.1 Кисневі похідні вуглецю

2.1.1 Ступінь окиснення +2

Оксид вуглецю СО (чадний газ): за будовою молекулярних орбіталей (табл.4).

СО аналогічний молекулі N 2 . Подібно до азоту СО має високу енергію дисоціації (1069 кДж/моль), має низьку Т пл (69 К) і Т кип (81,5 К), погано розчинний у воді, інертний у хімічному відношенні. У реакції СО вступає лише за високих температур, зокрема:

СО+Сl 2 =СОСl 2 (фосген),

СО+Вг 2 =СОВг 2, Сг+6СО=Сг (СО) 6 -карбоніл хрому,

Ni+4CO=Ni (CO) 4 - карбоніл нікелю

СО+Н 2 0 пар = НСООН (мурашина кислота).

Разом з тим молекула СО має велику спорідненість до кисню:

СО +1/202 = С0 2 +282 кДж/моль.

Через велику спорідненість до кисню оксид вуглецю (II) використовується як відновник оксидів багатьох важких металів (Fe, Co, Pb та ін.). В лабораторії оксид СО отримують зневодненням мурашиної кислоти

У техніці оксид вуглецю (II) одержують відновленням С0 2 вугіллям (С+С0 2 =2СО) або окисленням метану (2СН 4 +ЗО 2 = =4Н 2 0+2СО).

Серед похідних СО є великий теоретичний і певний практичний інтерес карбоніли металів (для отримання чистих металів).

Хімічні зв'язки в карбонілах утворюються в основному за донорно-акцепторним механізмом за рахунок вільних орбіталей d-елемента та електронної пари молекули СО, має місце також л-перекривання по дативному механізму (метал СО). Усі карбоніли металів – діамагнітні речовини, що характеризуються невисокою міцністю. Як і оксид вуглецю (II), карбоніли металів токсичні.

Таблиця 4. Розподіл електронів за орбіталями молекули СО

2.1.2 Ступінь окиснення +4

Діоксид вуглецю С02 (вуглекислий газ). Молекула С0 2 лінійна. Енергетична схема утворення орбіталей молекули С02 наведено на рис.2. Оксид вуглецю (IV) може взаємодіяти з аміаком реакції.

При нагріванні цієї солі одержують цінне добриво - карбамід СО (МН 2) 2:

Сечовина розкладається водою

CO (NH 2) 2 +2HaO = (МН 4) 2СОз.

Малюнок 2. Енфегетична діаграма утворення молекулярних орбіталей С02.

У техніці оксид СО 2 отримують розкладанням карбонату кальцію або гідрокарбонату натрію:

У лабораторних умовах його зазвичай отримують за реакцією (в апараті Кіппа)

СаСОз+2НС1=СаС12+С02+Н20.

Найважливішими похідними С0 2 є слабка вугільна кислота Н 2 СО з її солі: M I 2 СОз і M I НСОз (карбонати і гідрокарбонати відповідно).

Більшість карбонатів нерозчинні у воді. Розчинні у воді карбонати піддаються значному гідролізу:

COз 2- +H 2 0 COз-+OH - (I ступінь).

Через повний гідроліз з водних розчинів не можна виділити карбонати Cr 3+ , ai 3 +, Ti 4+ , Zr 4+ та ін.

Практично важливими є Ка 2 СОз (сода), До 2 СОз (поташ) та СаСОз (крейда, мармур, вапняк). Гідрокарбонати на відміну від карбонатів розчиняються у воді. З гідрокарбонатів практичне застосування знаходить NaHCО 3 (питна сода). Важливими основними карбонатами є 2СіСОз-Сі (ОН) 2 , РЬСО 3 Х ХР (ОН) 2 .

Властивості галогенідів вуглецю наведено у табл.6. З галогенідів вуглецю найбільше значення має безбарвна, досить токсична рідина. У звичайних умовах ССІ 4 хімічно інертний. Його застосовують як незаймистий і негорючий розчинник смол, лаків, жирів, а також для отримання фреону CF 2 CІ 2 (Т кип = 303 К):

Інший використовуваний у практиці органічний розчинник - сірковуглець CSa (безбарвна, летюча рідина з Ткіп = 319 К) - реакційно здатна речовина:

CS 2 +30 2 =C0 2 +2S0 2 +258 ккал/моль,

CS 2 +3Cl 2 =CCl 4 -S 2 Cl 2, CS 2 +2H 2 0==C0 2 +2H 2 S, CS 2 +K 2 S=K 2 CS 3 (сіль тіокутної кислоти Н 2 СSз).

Пари сірковуглецю отруйні.

Ціановоднева (синільна) кислота HCN (H-C = N) - безбарвна легко рухлива рідина, що кипить при 299,5 К. При 283 К вона твердне. HCN та її похідні надзвичайно отруйні. HCN можна отримати за реакцією

У воді синильна кислота розчиняється; при цьому вона слабо дисоціює

HCN=H++CN-, К=6,2.10- 10 .

Солі синильної кислоти (ціаніди) у деяких реакціях нагадують хлориди. Наприклад, СН - -іон з іонами Ag+ дає погано розчинний у мінеральних кислотах білий осад ціаніду срібла AgCN. Ціаніди лужних та лужноземельних металів розчиняються у воді. Через гідроліз їх розчини пахнуть синильною кислотою (запах гіркого мигдалю). Ціаніди важких металів погано розчиняються у воді. CN - сильний ліганд, найважливішими комплексними сполуками є K 4 і Кз [Ре (СN) 6 ].

Ціаніди - неміцні сполуки, при тривалому впливі СО2, що міститься в повітрі, ціаніди розкладаються

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

(CN) 2 - діціан (N=C-C=N) –

безбарвний отруйний газ; з водою взаємодіє з утворенням ціанової (HOCN) та синильної (HCN) кислот:

(HCN) кислот:

(CN) 2 +H 2 0==HOCN+HCN.

У цій, як і реакції, наведеній нижче, (CN) 2 схожий на галоген:

СО + (CN) 2 = CO (CN) 2 (аналог фосгену).

Ціанова кислота відома у двох таутомерних формах:

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

Ізомером є кислота H-0=N=C (гримуча кислота). Солі HONC підривають (використовуються як детонатори). Родановоднева кислота HSCN - безбарвна, масляниста, летюча, легко твердне (Тпл = 278 К) рідина. У чистому стані дуже нестійка, при її розкладі виділяється HCN. На відміну від синильної кислоти HSCN досить сильна кислота (К=0,14). Для HSCN характерна таутомірна рівновага:

H-N = C = S = H-S-C = N.

SCN – іон криваво-червоного кольору (реактив на іон Fe 3+). Похідні від HSCN солі-роданіди - легко отримати з ціанідів шляхом приєднання сірки:

Більшість роданідів розчинна у воді. Нерозчинні у воді солі Hg, Au, Ag, Сі. Іон SCN-, як і CN-, схильний давати комплекси типу Мз 1 M" (SCN) 6 де M""Cu, Mg і деякі інші. Диродан (SCN) 2 -світло-жовті кристали, що плавляться - 271 К. Отримують (SCN) 2 за реакцією

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

З інших азотовмісних сполук слід вказати ціанамід

та його похідне - ціанамід кальцію CaCN 2 (Ca=N-C=N), який використовується як добрива .

2.3 Карбіди металів

Карбідами називають продукти взаємодії вуглецю з металами, кремнієм та бором. Карбіди по розчинності поділяються на два класи: карбіди, розчинні у воді (або розведених кислотах), і карбіди, нерозчинні у воді (або в розведених кислотах).

2.3.1 Карбіди, розчинні у воді та розведених кислотах

А. Карбіди, що при розчиненні утворюють C 2 H 2 До цієї групи відносяться карбіди металів перших двох головних груп; близькі до них і карбіди Zn, Cd, La, Се, Th складу MC 2 (LaC 2, CeC 2, ТhC 2.)

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

АНСз+ 12Н 2 0=4Аl (ВІН) з+ЗСН 4, Ве 2 С+4Н 2 0=2Ве (ВІН) 2 +СН 4 . За властивостями до них близький Мn з С:

Мn з +6Н 2 0 = ЗМn (ВІН) 2 + СН 4 + Н 2 .

В. Карбіди, що при розчиненні утворюють суміш вуглеводнів і водень. До них відносяться більшість карбідів рідкісноземельних металів.

2.3.2 Карбіди, нерозчинні у воді та в розведених кислотах

До цієї групи належить більшість карбідів перехідних металів (W, Мо, Та та ін), а також SiC, B4C.

Вони розчиняються в окисних середовищах, наприклад:

VC + 3HN0 3 + 6HF = HVF 6 + СО 2 + 3NO + 4Н 2 0, SiC+4KOH+2C0 2 =K 2 Si0 3 +K 2 C0 3 +2H 2 0.

Малюнок 3. Ікосаедр B 12

Практично важливими є карбіди перехідних металів, а також карбіди кремнію SiC і бору B 4 C. SiC - карборунд - безбарвні кристали з ґратами алмазу, що наближається по твердості до алмазу (технічний SiC за рахунок домішок має темне забарвлення). SiC дуже вогнетривкий, теплопровідний і за високої температури електропровідний, хімічно надзвичайно інертний; його можна зруйнувати лише за сплавлення повітря з лугами.

B 4 C – полімер. Грати карбіду бору побудована з лінійно розташованих трьох атомів вуглецю і груп, що містять 12 атомів, розташованих у формі ікосаедра (рис.3); твердість B4C перевищує твердість SiC.

Глава 3. Сполуки кремнію

Відмінність хімії кремнію від вуглецю в основному зумовлена великими розмірами його атома та можливістю використання вільних Зйорбіталей. Через додаткове зв'язування (за донорно-акцепторним механізмом) зв'язки кремнію з киснем Si-О-Si та фтором Si-F (табл.17.23) міцніші, ніж у вуглецю, а через більший розмір атома Si порівняно з атомом З зв'язку Si-Н та Si-Si менш міцні, ніж у вуглецю. Атоми кремнію мало здатні давати ланцюга. Аналогічний вуглеводнів гомологічний ряд кремневоднів SinH2n+2 (си-лани) отримано лише до складу Si4Hio. Через більшого розміру у атома Si слабо виражена і здатність до л-перекривання, тому не тільки потрійні, а й подвійні зв'язки для нього малохарактерні.

При взаємодії кремнію з металами утворюються силіциди (Ca 2 Si, Mg 2 Si, BaSi 2 , Cr 3 Si, CrSi 2 та ін), схожі багато в чому на карбіди. Силициди не характерні елементів I групи (крім Li). Галогеніди кремнію (табл.5) міцніші сполуки, ніж галогеніди вуглецю; водночас водою вони розкладаються.

Таблиця 5. Міцність деяких зв'язків вуглецю та кремнію

Найбільш міцним галогенідом кремнію є SiF 4 (розкладається тільки під дією електричного розряду), але так само, як інші галогеніди, піддається гідролізу. При взаємодії SiF 4 з HF утворюється гексафторокремнієва кислота:

SiF 4 +2HF=H 2 .

H 2 SiF 6 за силою близька до H 2 S0 4 . Похідні цієї кислоти - фторосилікати, як правило, розчиняються у воді. Погано розчинні фторосилікати лужних металів (крім Li та NH 4). Фторосилікати використовуються як отрутохімікати (інсектициди).

Практично важливим галогенідом є SiCO 4 . Він використовується для одержання кремнійорганічних сполук. Так, SiCL 4 легко взаємодіє зі спиртами з утворенням ефірів кремнієвої кислоти HaSiO 3:

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

Таблиця 6. Галогеніди вуглецю та кремнію

Ефіри кремнієвої кислоти, гідролізуючись, утворюють силікони - полімерні речовини ланцюжкової будови:

(R-органічний радикал), які знайшли застосування для отримання каучуків, олій та мастил.

Сульфід кремнію (SiS 2) n-полімерна речовина; при звичайній температурі стійкий; розкладається водою:

SiS 2 + ДТ 2 О = 2H 2 S + H 2 SiO 3 .

3.1 Кисневі сполуки кремнію

Найважливішим кисневим з'єднанням кремнію є діоксид кремнію SiO 2 (кремнезем), що має кілька кристалічних модифікацій.

Низькотемпературна модифікація (до 1143) називається кварцем. Кварц має п'єзоелектричні властивості. Природні різновиди кварцу: гірський кришталь, топаз, аметист. Різновидами кремнезему є халцедон, опал, агат. яшма, пісок.

Кремнезем хімічно стійкий; на нього діють лише фтор, плавикова кислота та розчини лугів. Він легко переходить у склоподібний стан (кварцове скло). Кварцове скло тендітно, хімічно та термічно дуже стійко. Кремнієва кислота, що відповідає SiO 2 не має певного складу. Зазвичай кремнієву кислоту записують у вигляді xH 2 O-ySiO 2 . Виділено кремнієві кислоти: H 2 SiO 3 (H 2 O-SiO 2) - метакремнієва (три-оксокремнієва), H 4 Si0 4 (2H 2 0-Si0 2) - ортокремнієва (тетра-оксокремієва), H 2 Si2O 5 (H 2 O * SiO 2) - диметакремієва.

Кремнієві кислоти – погано розчинні речовини. Відповідно до менш металоїдного характеру кремнію в порівнянні з вуглецем H 2 SiO 3 як електроліт слабше Н 2 СОз.

Солі-силікати, що відповідають кремнієвим кислотам, у воді нерозчинні (крім силікатів лужних металів). Розчинні силікати гідролізуються за рівнянням

2SiOз 2 -+H 2 0=Si 2 O 5 2 -+20H-.

Концентровані розчини розчинних силікатів називають рідким склом. Звичайне віконне скло-силікат натрію і кальцію має склад Na 2 0-CaO-6Si0 2 . Його отримують за реакцією

Відома велика різноманітність силікатів (точніше, оксосілікатів). У будові оксосілікатів спостерігається певна закономірність: всі складаються з тетраедрів Si0 4 які через атом кисню з'єднані один з одним. Найбільш поширеними поєднаннями тетраедрів є (Si 2 O 7 6 -), (Si 3 O 9) 6 - , (Si 4 0 l2) 8- , (Si 6 O 18 12 -), які як структурні одиниці можуть об'єднуватися в ланцюжки, стрічки, сітки та каркаси (рис 4).

Найважливішими природними силікатами є, наприклад, тальк (3MgO * H 2 0-4Si0 2) та азбест (SmgO * H 2 O * SiO 2). Як і для SiO 2 , для силікатів характерний склоподібний (аморфний) стан. При керованій кристалізації скла можна отримати дрібнокристалічний стан (ситалі). Сити характеризуються підвищеною міцністю.

Окрім силікатів у природі широко поширені алюмосилікати. Алюмосилікати - каркасні оксосилікати, в яких частина атомів кремнію замінена на тривалентний Аl; наприклад Na 12 [(Si, Al) 0 4] 12 .

Для кремнієвої кислоти характерний колоїдний стан при впливі на її солі кислот H 2 SiO 3 випадає не відразу. Колоїдні розчини кремнієвої кислоти (золі) за певних умов (наприклад, при нагріванні) можна перевести в прозору, однорідну студнеподібну масу-гель кремнієвої кислоти. Гелі - високомолекулярні сполуки з просторовою, дуже пухкою структурою, утвореною молекулами Si0 2 порожнечі якої заповнені молекулами H 2 O. При зневодненні гелів кремнієвої кислоти отримують силікагель - пористий продукт, що володіє високою адсорбційною здатністю.

Малюнок 4. Будова силікатів.

Висновки

Розглянувши у своїй роботі хімічні сполуки на основі кремнію та вуглецю, я дійшла висновку, що вуглець, будучи не дуже поширеним кількісно елементом є найважливішим складовим земного життя, існують його сполуки в повітрі, нафті, а також у таких простих речовинах як алмаз та графіт. Однією з найважливіших характеристик вуглецю є міцні ковалентні зв'язки між атомами та атомом водню. Найважливішими неорганічними сполуками вуглецю є: оксиди, кислоти, солі, галогеніди, похідні азотовмісні, сульфіди, карбіди.

Говорячи про кремнію необхідно відзначити велику кількість його запасів на землі, він є основою земної кори і зустрічається у величезному різноманітті силікатів, піску і т.д. В даний час використання кремнію через його властивості напівпровідника зростає. Він використовується в електроніці під час виробництва комп'ютерних процесорів, мікросхем та чіпів. Сполуки кремнію з металами утворюють силіциди, найважливішим кисневим з'єднанням кремнію є оксид кремнію SiO 2 (кремнезем).

Список літератури

1. Велика Радянська Енциклопедія. Третє видання. Т.28. - М: Радянська енциклопедія, 1970.

2. Жиряков В.Г. Органічна хімія.4-е вид. - М., "Хімія", 1971.

3. Коротка хімічна енциклопедія. - М. "Радянська енциклопедія", 1967.

4. Загальна хімія / За ред. Є.М. Соколовській, Л.С. Гузея. 3-тє вид. - М: Вид-во Моск. ун-ту, 1989.

5. Світ неживої природи. - М., "Наука", 1983.

6. Потапов В.М., Татаринчик С.М. Органічна хімія. Підручник.4-е вид. - М: "Хімія", 1989.

Один із найпоширеніших у природі елементів – це silicium, або кремній. Таке широке розселення свідчить про важливість та значущість цієї речовини. Це швидко зрозуміли та засвоїли люди, які навчилися правильно використовувати у своїх цілях кремній. Застосування його ґрунтується на особливих властивостях, про які й поговоримо далі.

Кремній – хімічний елемент

Якщо давати характеристику даного елемента за положенням у періодичній системі, можна позначити такі важливі пункти:

Порядковий номер – 14.
Період – третій малий.
Група – IV.
Підгрупа – головна.
Будова зовнішньої електронної оболонки виражається формулою 3s 2 3p 2 .
Елемент кремній позначається хімічним символом Si, який вимовляється як силіціум.
Ступені окислення, які він виявляє: -4; +2; +4.
Валентність атома дорівнює IV.
Атомна маса кремнію дорівнює 28,086.
У природі існує три стійкі ізотопи даного елемента з масовими числами 28, 29 і 30.

Отже, атом кремнію з хімічної погляду - досить вивчений елемент, описано безліч різних його властивостей.

Історія відкриття

Так як у природі дуже популярні і масові за змістом саме різні сполуки аналізованого елемента, з давніх-давен люди використовували і знали про властивості саме багатьох з них. Чистий кремній довгий час залишався за межею знань людини в хімії.

Найбільш популярними сполуками, якими користувалися в побуті та промисловості народи древніх культур (єгиптяни, римляни, китайці, русичі, перси та інші), були дорогоцінні та виробні камені на основі оксиду кремнію. До них відносяться:

опал;
гірський кришталь;
топаз;
хризопраз;
онікс;
халцедон та інші.

Також з давніх-давен прийнято використовувати кварц і в будівельній справі. Однак сам елементарний кремній залишався нерозкритим аж до XIX століття, хоча багато вчених марно намагалися виділити його з різних сполук, використовуючи для цього і каталізатори, і високі температури, і навіть електричний струм. Це такі світлі уми, як:

Карл Шееле;
Гей-Люссак;
Тенар;
Гемфрі Деві;
Антуан Лавуазьє.

Здійснити вдало отримання кремнію у чистому вигляді вдалося Йєнсу Якобсу Берцеліусу у 1823 році. Для цього він проводив досвід зі сплавлення парів фтористого кремнію та металевого калію. В результаті отримав аморфну модифікацію аналізованого елемента. Цим самим ученим було запропоновано латинську назву відкритому атому.

Ще трохи пізніше, в 1855 році, інший вчений - Сент Клер-Девіль - зумів синтезувати інший алотропний різновид - кристалічний кремній. З того часу знання про цей елемент та його властивості стали дуже швидко поповнюватися. Люди зрозуміли, що він має унікальні особливості, які можна дуже грамотно використовувати для задоволення власних потреб. Тому сьогодні один із найбільш затребуваних елементів в електроніці та техніці – це кремній. Застосування його лише розширює свої межі з кожним роком.

Російську назву атому дав учений Гесс у 1831 році. Саме воно і закріпилося до сьогодні.

За поширеністю у природі кремній посідає друге місце після кисню. Його відсоткове співвідношення проти іншими атомами у складі земної кори - 29,5%. Крім того, вуглець і кремній - це два особливі елементи, здатні формувати ланцюги, з'єднуючись один з одним. Саме тому для останнього відомо більше 400 різних природних мінералів, у складі яких він міститься в літосфері, гідросфері та біомасі.

Де саме міститься кремній?

У глибоких шарах ґрунту.
У гірських породах, покладах та масивах.
На дні водойм, особливо морів та океанів.
У рослинах та морських мешканцях царства тварин.
В організмі людини та наземних тварин.

Можна позначити кілька найпоширеніших мінералів та гірських порід, у складі яких у великій кількості є кремній. Хімія їхня така, що масовий вміст чистого елемента в них досягає 75%. Проте конкретна цифра залежить від різновиду матеріалу. Отже, гірські породи та мінерали з вмістом кремнію:

польові шпати;
слюди;
амфіболи;
опали;
халцедони;
силікати;
пісковики;
алюмосилікати;
глини та інші.

Нагромаджуючись у панцирах і зовнішніх кістяках морських тварин, кремній поступово формує потужні поклади кремнезему на дні водойм. Це один із природних джерел даного елемента.

Крім того, було встановлено, що силіціум може існувати у чистому самородному вигляді – у вигляді кристалів. Але такі родовища дуже рідкісні.

Фізичні властивості кремнію

Якщо давати характеристику аналізованого елемента з набору фізико-хімічних властивостей, то насамперед слід позначити саме фізичні параметри. Ось кілька основних:

Існує у вигляді двох алотропних модифікацій – аморфний та кристалічний, які відрізняються за всіма властивостями.
Кристалічна решітка дуже схожа з такою у алмазу, адже вуглець і кремній щодо цього майже однакові. Однак відстань між атомами різна (у кремнію більше), тому алмаз набагато твердіший і міцніший. Тип грат - кубічна гранецентрована.
Речовина дуже крихка, при високих температурах стає пластичною.
Температура плавлення дорівнює 1415?
Температура кипіння - 3250?
Щільність речовини - 2,33 г/см3.
Колір сполуки – сріблясто-сірий, виражений характерний металевий блиск.
Має хороші напівпровідникові властивості, які здатні варіювати при додаванні тих чи інших агентів.
Не розчиняється у воді, органічних розчинниках та кислотах.
Специфічно розчинний у лугах.

Позначені фізичні властивості кремнію дозволяють людям керувати ним та застосовувати для створення різних виробів. Так, наприклад, на властивості напівпровідності засноване використання чистого кремнію в електроніці.

Хімічні властивості

Хімічні властивості кремнію дуже залежить від умов проведення реакції. Якщо говорити про стандартні параметри, то потрібно позначити дуже низьку активність. Як кристалічний, і аморфний кремній дуже інертні. Чи не взаємодіють ні з сильними окислювачами (крім фтору), ні з сильними відновниками.

Це пов'язано з тим, що на поверхні речовини миттєво формується оксидна плівка SiO 2 яка перешкоджає подальшим взаємодіям. Вона здатна утворитися під впливом води, повітря, пари.

Якщо ж змінити стандартні умови і зробити нагрівання кремнію до температури понад 400?С, то його хімічна активність сильно зросте. У цьому випадку він вступатиме в реакції з:

киснем;
усіма видами галогенів;
воднем.

При подальшому підвищенні температури можливе утворення продуктів при взаємодії з бором, азотом та вуглецем. Особливе значення має карборунд - SiC, оскільки він є добрим абразивним матеріалом.

Також хімічні властивості кремнію чітко простежуються під час реакцій з металами. По відношенню до них він окислювач, тому продукти звуться силіцидів. Відомі подібні сполуки для:

лужних;
лужноземельних;
перехідних металів.

Незвичайними властивостями володіє сполука, що отримується при сплавленні заліза та кремнію. Воно носить назву феросиліцієвої кераміки та успішно застосовується в промисловості.

Зі складними речовинами кремній у взаємодію не вступає, тому з усіх їх різновидів здатний розчинятися лише в:

царській горілці (суміш азотної та соляної кислот);
їдких лугах.

При цьому температура розчину повинна бути не меншою за 60˚С. Все це ще раз підтверджує фізичну основу речовини - алмазоподібні стійкі кристалічні грати, що надає йому міцність та інертність.

Способи отримання

Отримання кремнію в чистому вигляді – процес досить затратний економічно. З іншого боку, з його властивостей будь-який спосіб дає лише з 90-99 % чистий продукт, тоді як домішки як металів і вуглецю залишаються однаково. Тому просто одержати речовину недостатньо. Його треба ще й якісно очистити від сторонніх елементів.

У цілому виробництво кремнію здійснюється двома основними шляхами:

З білого піску, який є чистим оксидом кремнію SiO 2 . При прожарюванні його з активними металами (найчастіше з магнієм) відбувається утворення вільного елемента у вигляді аморфної модифікації. Чистота такого способу висока, продукт виходить із 99,9-відсотковим виходом.
Найбільш поширений спосіб у промислових масштабах - це спікання розплаву піску з коксом у спеціалізованих термічних печах для випалу. Даний метод був розроблений російським вченим Бекетовим Н. Н.

Подальша обробка полягає у піддаванні продуктів методам очищення. Для цього використовуються кислоти чи галогени (хлор, фтор).

Аморфний кремній

Характеристика кремнію буде неповною, якщо не розглянути окремо кожну його аллотропну модифікацію. Перша з них – це аморфна. У такому стані речовина, що розглядається нами, являє собою порошок буро-коричневого кольору, дрібнодисперсний. Має високий ступінь гігроскопічності, виявляє досить високу хімічну активність при нагріванні. У стандартних умовах здатний взаємодіяти лише з найсильнішим окислювачем – фтором.

Називати аморфний кремній саме різновидом кристалічного не зовсім правильно. Його грати показують, що ця речовина - це лише форма дрібнодисперсного кремнію, що існує у вигляді кристалів. Тому як такі ці модифікації - те саме з'єднання.

Однак властивості їх різняться, тому й заведено говорити про алотропію. Сам по собі аморфний кремній має високу світлопоглинальну здатність. Крім того, за певних умов даний показник у рази перевищує подібний до кристалічної форми. Тому його використовують у технічних цілях. У вигляді (порошок) з'єднання легко наноситься на будь-яку поверхню, чи то пластик або скло. Тому такий зручний для використання саме аморфний кремній. Застосування ґрунтується на різних розмірах.

Хоча зношування батарей подібного типу досить швидке, що пов'язано з стиранням тонкої плівки речовини, проте застосування і затребуваність тільки зростає. Адже навіть за короткий термін служби сонячні батареї на основі аморфного кремнію можуть забезпечити енергією цілі підприємства. До того ж виробництво подібної речовини безвідходне, що робить його дуже економним.

Отримують таку модифікацію шляхом відновлення сполук активними металами, наприклад натрієм або магнієм.

Кристалічний кремній

Сріблясто-сіра блискуча модифікація розглянутого елемента. Саме така форма є найпоширенішою та найбільш затребуваною. Це пояснюється набором якісних властивостей, якими володіє ця речовина.

Характеристика кремнію з кристалічною решіткою включає класифікацію його видів, так як їх кілька:

Електронної якості - найчистіший і максимально високоякісний. Саме такий вид використовується в електроніці для створення особливо вразливих приладів.
Сонячної якості. Сама назва визначає область використання. Це також досить високий по чистоті кремній, застосування якого необхідне для створення якісних сонячних батарей, що довго працюють. Фотоелектричні перетворювачі, створені на основі саме кристалічної структури, більш якісні та зносостійкі, ніж ті, що створені з використанням аморфної модифікації шляхом напилення різного типу підкладки.
Технічний кремній. Цей різновид включаються ті зразки речовини, в яких міститься близько 98 % чистого елемента. Решта йде на різного роду домішки:

алюміній;
хлор;
вуглець;
фосфор та інші.

Останній різновид аналізованої речовини використовується з метою отримання полікристалів кремнію. І тому проводяться процеси перекристалізації. Внаслідок цього чистотою виходять такі продукти, які можна відносити до груп сонячної та електронної якості.

За своєю природою полікремній – це проміжний продукт між аморфною модифікацією та кристалічною. З таким варіантом легше працювати, він краще піддається переробці та очищенню фтором та хлором.

Продукти, що виходять в результаті, можна класифікувати так:

мультикремній;
монокристалічний;
профільовані кристали;
кремнієвий скрап;
технічний кремній;
відходи виробництва у вигляді осколків та обрізків речовини.

Кожен з них знаходить застосування у промисловості та використовується людиною повністю. Тому, що стосуються кремнію, вважаються безвідходними. Це значно знижує його економічну вартість, не впливаючи на якість.

Використання чистого кремнію

Виробництво кремнію в промисловості налагоджено досить добре, яке масштаби досить об'ємні. Це з тим, що це елемент, як чистий, і у вигляді різних сполук, поширений і затребуваний у різних галузях науку й техніки.

Де ж використовується кристалічний та аморфний кремній у чистому вигляді?

У металургії як легуюча добавка, здатна змінювати властивості металів та його сплавів. Так, він використовується при виплавці сталі та чавуну.
Різні види речовини йдуть виготовлення більш чистого варіанту - поликремния.
Сполуки кремнію з - це ціла хімічна галузь, яка набула особливої популярності сьогодні. Кремнійорганічні матеріали використовуються в медицині, при виготовленні посуду, інструментів та багато іншого.
Виготовлення різних сонячних батарей. Цей спосіб отримання енергії є одним із найперспективніших у майбутньому. Екологічно чисто, економічно вигідно та зносостійко – основні переваги такого отримання електрики.
Кремній для запальничок використовується вже давно. Ще в давнину люди використовували кремінь для отримання іскри під час розпалу вогню. Цей принцип закладено основою виробництва запальничок різноманітних. Сьогодні зустрічаються види, в яких кремінь замінений на сплав певного складу, що дає ще швидший результат (іскріння).
Електроніка та сонячна енергетика.
Виготовлення дзеркалець у газових лазерних пристроях.

Таким чином, чистий кремній має масу переважних та особливих властивостей, що дозволяють використовувати його для створення важливих та потрібних продуктів.

Застосування сполук кремнію

Крім простої речовини, використовуються різні сполуки кремнію, причому дуже широко. Існує ціла галузь промисловості, яка називається силікатною. Саме вона ґрунтується на використанні різних речовин, до складу яких входить цей дивовижний елемент. Які це сполуки та що з них виробляють?

Кварц, або річковий пісок – SiO 2 . Використовується для виготовлення таких будівельних та декоративних матеріалів, як цемент та скло. Де використовуються ці матеріали всім відомо. Жодне будівництво не обходиться без цих компонентів, що підтверджує важливість сполук кремнію.
Силікатна кераміка, в яку входять такі матеріали, як фаянс, фарфор, цегла та продукти на їх основі. Дані компоненти використовуються в медицині, при виготовленні посуду, декоративних прикрас, предметів побуту, у будівництві та інших побутових сферах діяльності людини.
- силікони, силікагелі, силіконові олії.
Силікатний клей - використовується як канцелярський, у піротехніці та будівництві.

Кремній, ціна на який варіює на світовому ринку, але не перетинає зверху вниз позначку 100 рублів РФ за кілограм (за кристалічний), є затребуваною і цінною речовиною. Природно, що і з'єднання цього елемента так само поширені і застосовні.

Біологічна роль кремнію

З погляду значущості для організму кремній важливий. Його зміст та розподіл за тканинами такий:

0,002% - м'язова;
0,000017% - кісткова;
кров – 3,9 мг/л.

Щодня всередину має потрапляти близько одного грама кремнію, інакше почнуть розвиватися захворювання. Смертельно небезпечних у тому числі немає, проте тривале кремнієве голодування призводить до:

випадання волосся;
появі вугрової висипки та прищів;
крихкості та ламкості кісток;
легкої проникності капілярів;
втоми та головним болям;
появі численних синців та синців.

Для рослин кремній – важливий мікроелемент, необхідний для нормального зростання та розвитку. Досліди на тваринах показали, що краще ростуть ті особини, які щодня споживають достатню кількість кремнію.

Коротка порівняльна характеристика елементів вуглецю та кремнію представлена у таблиці 6.

Таблиця 6

Порівняльна характеристика вуглецю та кремнію

Критерії порівняння	Вуглець - С	Кремній – Si
становище у періодичній системі хімічних елементів	, 2-ий період, IV група, головна підгрупа	, третій період, IV група, головна підгрупа
електронна конфігурація атомів
валентні можливості	II – у стаціонарному стані IV – у збудженому стані
можливі ступені окислення	, , , , ,	,
вищий оксид	, кислотний	, кислотний
вищий гідроксид	– слабка нестійка кислота	() або – слабка кислота, має полімерну структуру
водневе з'єднання	– метан (вуглеводень)	- силан, нестійкий

Вуглець. Для вуглецю-елементу характерна алотропія. Вуглець існує у формі наступних простих речовин: алмаз, графіт, карбін, фулерен, з яких термодинамічно стійким є лише графіт. Вугілля та сажу можна розглядати як аморфні різновиди графіту.

Графіт тугоплавок, мало леткий, при звичайній температурі хімічно інертний, є непрозорою, м'якою речовиною, що слабо проводить струм. Структура графіту шарувата.

Аламаз – надзвичайно тверда, хімічно інертна (до 900 °С) речовина, яка не проводить струму і погано проводить тепло. Структура алмазу тетраедрична (кожен атом у тетраедрі оточений чотирма атомами і т.д.). Тому алмаз – найпростіший полімер, макромолекула якого складається з одних атомів вуглецю.

Карбін має лінійну структуру (-карбін, поліїн) або (-карбін, полієн). Являє собою чорний порошок, має напівпровідникові властивості. Під дією світла електропровідність карбину збільшується, а за температури карбін перетворюється на графіт. Хімічно активніший, ніж графіт. Синтезований на початку 60-х років XX ст., Пізніше був виявлений у деяких метеоритах.

Фуллерен - алотропна модифікація вуглецю, утворена молекулами, що мають конструкцію типу "футбольний м'яч". Були синтезовані молекули та інші фулерени. Усі фулерени являють собою замкнуті структури з атомів вуглецю в гібридному стані. Негібридизовані електрони зв'язків справакалізовані як в ароматичних сполуках. Кристали фулерену відносяться до молекулярного типу.

Кремній. Для кремнію не характерно зв'язків, не характерне існування у гібридному стані. Тому існує тільки одна стійка алотропна модифікація кремнію, кристалічна решітка якої подібна до ґрат алмазу. Кремній – тверде (за шкалою Моосу твердість дорівнює 7), тугоплавке ( ), дуже тендітна речовина темно-сірого кольору з металевим блиском за стандартних умов – напівпровідник. Хімічна активність залежить від розмірів кристалів (великокристалічний менш активний, ніж аморфний).

Реакційна здатність вуглецю залежить від алотропної модифікації. Вуглець у вигляді алмазу та графіту досить інертний, стійкий до дії кислот, лугів, що дозволяє виготовляти з графіту тиглі, електроди тощо. Більш високу реакційну здатність вуглець виявляє у вигляді вугілля та сажі.

Кристалічний кремній досить інертний, в аморфній формі – активніший.

Основні види реакцій, що відбивають хімічні властивості вуглецю та кремнію, наведено у таблиці 7.

Таблиця 7

Основні хімічні властивості вуглецю та кремнію

реакція з	вуглець	реакція з	кремній
простими речовинами	киснем		киснем
галогенами		галогенами
сірої		вуглецем
воднем		воднем	не реагує
металами		металами
складними речовинами	оксидами металів		лугами
водяною парою		кислотами	не реагує
кислотами

В'яжучі матеріали

В'яжучі матеріали – мінеральні або органічні будівельні матеріали, що застосовуються для виготовлення бетонів, скріплення окремих елементів будівельних конструкцій, гідроізоляції та ін..

Мінеральні в'яжучі матеріали(МВМ) - тонкоподрібнені порошкоподібні матеріали (цементи, гіпс, вапно та ін.), що утворюють при змішуванні з водою (в окремих випадках - з розчинами солей, кислот, лугів) пластичну масу, що застигає в міцне каменеподібне тіло і зв'язує частинки твердих заповнювачів і арматуру ціле.

Твердіння МВМ здійснюється внаслідок процесів розчинення, утворення пересиченого розчину та колоїдної маси; остання частково чи повністю кристалізується.

Класифікація МОМ:

1. гідравлічні в'яжучі матеріали:

При змішуванні з водою (замішування) твердіють і продовжують зберігати або нарощувати свою міцність у воді. До них відносяться різні цементи та гідравлічне вапно. При твердінні гідравлічного вапна відбувається взаємодія СаО з водою і вуглекислим газом повітря і кристалізація продукту, що утворюється. Застосовують у будівництві наземних, підземних та гідротехнічних споруд, що піддаються постійному впливу води.

2. повітряні в'яжучі матеріали:

При змішуванні з водою твердіють та зберігають міцність тільки на повітрі. До них відносяться повітряне вапно, гіпсово-ангідритні та магнезіальні повітряні в'яжучі.

3. кислототривкі в'яжучі матеріали:

Складаються в основному з кислототривкого цементу, що містить тонкоподрібнену суміш кварцового піску і ; їх зачиняють, як правило, водними розчинами силікату натрію або калію, вони довго зберігають свою міцність при дії кислот. При твердінні здійснюється реакція. Застосовують для виробництва кислототривких замазок, будівельних розчинів і бетонів при будівництві хімічних підприємств.

4. в'яжучі матеріали автоклавного твердіння:

Складаються з вапняно-кремнеземистих та вапняно-нефелінових в'яжучих (вапно, кварцовий пісок, нефеліновий шлам) і твердіють при обробці в автоклаві (6-10 год, тиск пари 0,9-1,3 МПа). До них відносять також піщані портландцементи та інші в'яжучі на основі вапна, зол і малоактивних шламів. Застосовують у виробництві виробів із силікатних бетонів (блоки, силікатну цеглу та ін.).

5. фосфатні в'яжучі матеріали:

Складаються із спеціальних цементів; їх зачиняють фосфорною кислотою з утворенням пластичної маси, що поступово затвердіває монолітне тіло, і зберігає свою міцність при температурах вище 1000 °С. Зазвичай використовують титанофосфатний, цинкофосфатний, алюмофосфатний та ін. цементи. Застосовують для виготовлення вогнетривкої футерувальної маси та герметиків для високотемпературного захисту металевих деталей та конструкцій у виробництві вогнетривких бетонів та ін.

Органічні в'яжучі матеріали(ОВМ) - речовини органічного походження, здатні переходити з пластичного стану в твердий або малопластичний в результаті полімеризації або поліконденсації.

У порівнянні з МВМ вони менш тендітні, мають велику міцність при розтягуванні. До них відносяться продукти, що утворюються під час переробки нафти (асфальт, бітум), продукти термічного розкладання деревини (дьоготь), а також синтетичні термореактивні поліефірні, епоксидні, феноло-формальдегідні смоли. Застосовують у будівництві доріг, мостів, підлог виробничих приміщень, рулонних покрівельних матеріалів, асфальтополімерних бетонів та ін.

Хімічний знак кремнію Si, атомна вага 28086 заряд ядра +14. , Як і , знаходиться в головній підгрупі IV групи, в третьому періоді. Це аналог вуглецю. Електронна конфігурація електронних шарів атома кремнію ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Будова зовнішнього електронного шару

Структура зовнішнього електронного шару аналогічна до структури атома вуглецю.
зустрічається у вигляді двох алотропних видозмін - аморфного та кристалічного.
Аморфний - порошок бурого кольору, що має дещо більшу хімічну активність, ніж кристалічний. При звичайній температурі реагує з фтором:
Si + 2F2 = SiF4 при 400 ° - з киснем
Si + O2 = SiO2
у розплавах - з металами:
2Mg + Si = Mg2Si
Кристалічний кремній – тверда крихка речовина з металевим блиском. Він має хорошу тепло- та електропровідність, легко розчиняється в розплавлених металах, утворюючи . Сплав кремнію з алюмінієм називається силуміном, сплав кремнію із залізом – феросиліцієм. Щільність кремнію 2,4. Температура плавлення 1415 °, температура кипіння 2360 °. Кристалічний кремній - речовина досить інертна і в хімічні реакції насилу вступає. З кислотами, незважаючи на добре помітні металеві властивості, кремній не реагує, а зі лугами вступає в реакцію, утворюючи солі кремнієвої кислоти та :
Si + 2КОН + Н2О = K2SiO2 + 2H2

■ 36. У чому подібність і у чому відмінність електронних структур атомів кремнію та вуглецю?
37. Як пояснити з погляду електронної структури атома кремнію, чому металеві властивості більш характерні кремнію, ніж вуглецю?
38. Перелічіть хімічні властивості кремнію.

Кремній у природі. Двоокис кремнію

У природі кремній дуже поширений. Приблизно 25% земної кори посідає кремній. Значна частина природного кремнію представлена двоокисом кремнію SiO2. У дуже чистому кристалічному стані двоокис кремнію зустрічається у вигляді мінералу, що називається гірським кришталем. Двоокис кремнію та двоокис вуглецю за хімічним складом є аналогами, проте двоокис вуглецю - це газ, а двоокис кремнію - тверда речовина. На відміну від молекулярної кристалічної решітки СO2 двоокис кремнію SiO2 кристалізується у вигляді атомної кристалічної решітки, кожна осередок якої є тетраедр з атомом кремнію в центрі і атомами кисню по кутах. Це тим, що атом кремнію має більший радіус, ніж атом вуглецю, і навколо нього можуть розміститися не 2, а 4 кисневих атома. Відмінністю в будові кристалічних ґрат пояснюється відмінність властивостей цих речовин. На рис. 69 показані зовнішній вигляд кристала природного кварцу, що складається з чистого двоокису кремнію, та її структурна формула.

Рис. 60. Структурна формула двоокису кремнію (а) та кристали природного кварцу (б)

Кристалічний двоокис кремнію найчастіше зустрічається у вигляді піску, який має білий колір, якщо не забруднений глинистими домішками жовтого кольору. Крім піску, двоокис кремнію часто зустрічається у вигляді дуже твердого мінералу - кремнію (гідратований двоокис кремнію). Кристалічний двоокис кремнію, забарвлена в різні домішки, утворює дорогоцінне і напівдорогоцінне каміння - агат, аметист, яшму. Майже чистий двоокис кремнію зустрічається також у вигляді кварцу та кварциту. Вільного двоокису кремнію у земній корі 12%, у складі різних гірських порід – близько 43%. Загалом понад 50% земної кори складається з двоокису кремнію.
Кремній входить до складу різних гірських порід і мінералів - глини, гранітів, сієнітів, слюд, польових шпатів та ін.

Тверда двоокис вуглецю, не плавлячись, виганяється при -78,5 °. Температура плавлення двоокису кремнію близько 1713°. Вона дуже тугоплавка. Щільність 2,65. Коефіцієнт розширення двоокису кремнію дуже малий. Це має дуже велике значення при застосуванні посуду із кварцового скла. У воді двоокис кремнію не розчиняється і з нею не реагує, незважаючи на те, що це кислотний оксид і йому відповідає кремнієва кислота H2SiO3. Двоокис вуглецю у воді, як відомо, розчинна. З кислотами, крім плавикової кислоти HF, двоокис кремнію не реагує, з лугами дає солі.

Рис. 69. Структурна формула двоокису кремнію (а) та кристали природного кварцу (б).
При розжарюванні двоокису кремнію з вугіллям відбувається відновлення кремнію, а потім його з'єднання з вуглецем і утворення карборунду за рівнянням:
SiO2 + 2С = SiC + СО2. Карборунд має високу твердість, до кислот стійкий, а лугами руйнується.

■ 39. За якими властивостями двоокису кремнію можна судити про його кристалічні ґрати?
40. Яких мінералів двоокис кремнію зустрічається у природі?
41. Що таке карборунд?

Кремнієва кислота. Силікати

Кремнієва кислота H2SiO3 є кислотою дуже слабкою та малостійкою. При нагріванні вона поступово розкладається на воду і двоокис кремнію:
H2SiO3 = H2O + SiO2

У воді кремнієва кислота практично нерозчинна, але може легко давати.
Кремнієва кислота утворює солі, які називаються силікатами. широко зустрічаються у природі. Природні – це досить складні. Склад їх зазвичай зображується як з'єднання кількох оксидів. Якщо до складу природних силікатів входить оксид алюмінію, вони називаються алюмосилікатами. Такі біла глина, (каолін) Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O, польовий шпат К2O · Al2O3 · 6SiO2, слюда
К2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Багато природних у чистому вигляді є дорогоцінним камінням, наприклад аквамарин, смарагд та ін.
Зі штучних силікатів слід відзначити силікат натрію Na2SiO3 - один з небагатьох розчинних у воді силікатів. Його називають розчинним склом, а розчин – рідким склом.

Силікати широко застосовують у техніці. Розчинним склом просочують тканини та деревину для запобігання їх від займання. Рідке входить до складу вогнетривких замазок для склеювання скла, порцеляни, каменю. Силікати є основою у виробництві скла, фарфору, фаянсу, цементу, бетону, цегли та різних керамічних виробів. У розчині силікати легко гідролізують.

■ 42. Що таке? Чим вони відрізняються від силікатів?
43. Що таке рідке і для яких цілей воно застосовується?

Скло

Сировиною для виробництва скла є сода Na2CO3, вапняк СаСO3 та пісок SiO2. Усі складові скляної шихти ретельно очищають, змішують і сплавляють при температурі близько 1400°. У процесі сплавлення протікають такі реакції:
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2

CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3+ CO2
Фактично до складу скла входять силікати натрію та кальцію, а також надлишок SO2, тому склад звичайного шибки: Na2O · CaO · 6SiO2. Скляну шихту нагрівають при температурі 1500° доти, доки повністю не видаляється двоокис вуглецю. Потім охолоджують до температури 1200°, коли він стає в'язким. Як будь-яка аморфна речовина, скло розм'якшується і твердне поступово, тому воно є хорошим пластичним матеріалом. В'язку скляну масу пропускають через щілину, внаслідок чого утворюється скляний лист. Гарячий скляний лист витягують валками, доводячи до певних розмірів та поступово охолоджуючи струмом повітря. Потім обрізають по краях і розрізають на аркуші певного формату.

■ 44. Наведіть рівняння реакцій, що протікають при отриманні скла, та склад шибки.

Скло- речовина аморфна, прозора, у воді практично нерозчинна, але якщо подрібнити її в дрібний пил і змішати з невеликою кількістю води, в отриманій суміші за допомогою фенолфталеїну можна виявити луг. При тривалому зберіганні лугів у скляному посуді надлишок SiO2 у склі дуже повільно реагує із лугом і скло поступово втрачає прозорість.
Скло стало відоме людям більш ніж за 3000 років до нашої ери. У давнину отримували шибки майже такого ж складу, як і в даний час, але древні майстри керувалися лише власною інтуїцією. У 1750 р. М. Ст зумів розробити наукові основи отримання скла. За 4 роки М. В. зібрав багато рецептів виготовлення різних шибок, особливо кольорових. На зведеній ним скляній фабриці було виготовлено велику кількість зразків скла, які збереглися до наших днів. В даний час використовуються скла різного складу, що володіють різними властивостями.

Кварцове скло складається з майже чистого двоокису кремнію та виплавляється з гірського кришталю. Його дуже важливою особливістю є те, що коефіцієнт розширення у нього незначний, майже в 15 разів менше, ніж у звичайного скла. Посуд з такого скла можна розжарити до червоного полум'я пальника і після цього опустити в холодну воду; при цьому жодних змін зі склом не станеться. Кварцове скло не затримує ультрафіолетових променів, а якщо пофарбувати його нікелевими солями в чорний колір, воно затримуватиме всі видимі промені спектру, але для ультрафіолетових променів залишиться прозорим.
На кварцове скло не діють кислоти, але луги його помітно роз'їдають. Кварцове скло крихкіше, ніж звичайне. Лабораторне скло містить близько 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (склад скла наводиться не для запам'ятовування).

У промисловості знаходять застосування скла ієнське та пірекс. Ієнське скло містить близько 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Воно міцне, стійке до механічних впливів, має малий коефіцієнт розширення, стійке до лугів.
Скло пірекс містить 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Воно має такі ж властивості, як ієнське скло, але ще більшою мірою, особливо після загартування, зате менш стійке до лугів. Зі скла пірекс виготовляють предмети домашнього вжитку, що піддаються нагріванню, а також деталі деяких промислових установок, що працюють при низьких і високих температурах.

Різні якості склу надають деякі добавки. Наприклад, домішки оксидів ванадію дають скло, що повністю затримує ультрафіолетові промені.
Отримують також скло, пофарбоване в різні кольори. Ще М. Ст виготовив кілька тисяч зразків кольорового скла різного забарвлення та відтінків для своїх мозаїчних картин. В даний час методи фарбування скла детально розроблені. З'єднання марганцю забарвлюють скло у фіолетовий колір, кобальту – у синій. , Розпорошене в масі скла у вигляді колоїдних частинок, надає йому рубінового забарвлення і т. д. Свинцеві з'єднання надають склу блиск, подібний до блиску гірського кришталю, тому воно називається кришталевим. Таке скло легко піддається обробці, ограновуванні. Вироби з нього дуже гарно заломлюють світло. При фарбуванні цього скла різними добавками виходить кольорове кришталеве скло.

Якщо розплавлене скло змішати з речовинами, які при розкладанні утворюють велику кількість газів, то останні, виділяючись, спінюють скло, утворюючи піноскло. Таке скло дуже легке, добре обробляється, є чудовим електро- та теплоізолятором. Воно було вперше отримано проф. І. І. Китайгородським.
Витягуючи зі скла нитки, можна отримати так зване скловолокно. Якщо просочити укладене шарами скловолокно синтетичними смолами, то виходить дуже міцний, не піддається гниття, будівельний матеріал, що прекрасно обробляється, так званий склотекстоліт. Цікаво, що чим тонше скловолокно, тим вища його міцність. Скловолокно також застосовується для виготовлення спецодягу.
Скляна вата є цінним матеріалом, через який можна фільтрувати сильні кислоти та луги, що не фільтруються через папір. Крім того, скляна вата є гарною теплоізолюючою речовиною.

■ 44. Від чого залежать властивості стекол різних видів?

Кераміка

З алюмосилікатів особливо важлива біла глина - каолін, що є основою для одержання порцеляни та фаянсу. Виробництво порцеляни - надзвичайно давня галузь господарства. Батьківщина порцеляни - Китай. У Росії фарфор було отримано вперше у XVIII ст. Д, І. Виноградовим.
Сировиною для одержання порцеляни та фаянсу, крім каоліну, служать пісок та . Суміш каоліну, піску та води піддають ретельному тонкому розмелу у кульових млинах, потім відфільтровують надлишок води і добре вимішану пластичну масу направляють на формування виробів. Після формування виробу піддають сушінню та випалюванню в тунельних печах безперервної дії, де їх спочатку розігрівають, потім обпалюють і, нарешті, охолоджують. Після цього вироби проходять подальшу обробку – покриття глазур'ю, нанесення малюнка керамічними фарбами. Після кожної стадії виробу випалюють. В результаті фарфор виходить білим, гладким і блискучим. У тонких шарах він просвічує. Фаянс пористий і не просвічує.

З червоної глини формують цеглу, черепицю, глиняний посуд, керамічні кільця для насадки в поглинальних та промивних вежах різних хімічних виробництв, горщики для квітів. Їх також випалюють, щоб вони не розм'якшувалися водою, стали механічно міцними.

Цемент. Бетон

З'єднання кремнію є основою для отримання цементу - в'яжучого матеріалу, незамінного в будівництві. Сировиною для одержання цементу є глина та вапняк. Цю суміш обпалюють у величезній похилій трубчастій печі, що обертається, куди безперервно завантажують сировину. Після випалу при 1200-1300 ° з отвору, розташованого на іншому кінці печі, безперервно виходить спеклася маса - клінкер. Після розмелювання клінкер перетворюється на . До складу цементу входять головним чином силікати. Якщо змішати з водою до утворення густої кашки, а потім залишити на деякий час на повітрі, то вступить у реакцію з речовинами цементу, утворюючи кристалогідрати та інші тверді сполуки, що призводить до затвердіння цементу. Такий вже не переводиться в колишній стан, тому до вживання цемент намагаються берегти від води. Процес твердіння цементу є тривалим, і справжню міцність він набуває лише за місяць. Щоправда, існують різні сорти цементу. Розглянутий нами звичайний цемент називається силікатним або портландцементом. З глинозему, вапняку і двоокису кремнію виготовляють твердий глиноземистий цемент.

Якщо змішати цемент із щебенем або гравієм, то виходить бетон, що є вже самостійним будівельним матеріалом. Щебінь та гравій називаються наповнювачами. Бетон має високу міцність і витримує великі навантаження. Він водостійкий, вогнестійкий. При нагріванні майже втрачає міцності, оскільки теплопровідність його дуже мала. Бетон морозостійок послаблює радіоактивні випромінювання, тому його використовують як будівельний матеріал для гідротехнічних споруд, для захисних оболонок ядерних реакторів. Бетоном обмуровують казани. Якщо змішати цемент з піноутворювачем, то утворюється пронизаний безліччю комірок пінобетон. Такий бетон є гарним звукоізолятором і набагато менше, ніж звичайний бетон, проводить тепло.