Kao samostalni hemijski element, silicijum je postao poznat čovečanstvu tek 1825. godine. Što, naravno, nije spriječilo upotrebu silikonskih spojeva u toliko područja da je lakše navesti ona gdje se element ne koristi. Ovaj članak će rasvijetliti fizička, mehanička i korisna kemijska svojstva silicija i njegovih spojeva, primjene, a govorit ćemo i o tome kako silicij utječe na svojstva čelika i drugih metala.
Prvo, pogledajmo opće karakteristike silicija. Od 27,6 do 29,5% mase zemljine kore čini silicijum. U morskoj vodi koncentracija elementa je također značajna - do 3 mg/l.
U pogledu zastupljenosti u litosferi, silicijum je na drugom mestu posle kiseonika. Međutim, njegov najpoznatiji oblik, silicijum dioksid, je dioksid, a njegova svojstva su postala osnova za tako široku upotrebu.
Ovaj video će vam reći šta je silicij:
Koncept i karakteristike
Silicijum je nemetal, ali pod različitim uslovima može pokazati i kisela i bazična svojstva. To je tipičan poluvodič i izuzetno se koristi u elektrotehnici. Njegova fizička i hemijska svojstva su u velikoj mjeri određena njegovim alotropnim stanjem. Najčešće se radi o kristalnom obliku, jer su njegove kvalitete traženije u nacionalnoj ekonomiji.
- Silicijum je jedan od osnovnih makroelemenata u ljudskom tijelu. Njegov nedostatak štetno utiče na stanje koštanog tkiva, kose, kože i noktiju. Osim toga, silicijum utiče na performanse imunog sistema.
- U medicini su element, odnosno njegovi spojevi, svoju prvu primjenu našli upravo u tom svojstvu. Voda iz bunara obloženih silicijumom bila je ne samo čista, već je imala i pozitivan efekat na otpornost na zarazne bolesti. Danas jedinjenja sa silicijumom služe kao osnova za lekove protiv tuberkuloze, ateroskleroze i artritisa.
- Općenito, nemetal je malo aktivan, ali ga je teško pronaći u čistom obliku. To je zbog činjenice da se na zraku brzo pasivizira slojem dioksida i prestaje reagirati. Kada se zagrije, hemijska aktivnost se povećava. Kao rezultat toga, čovječanstvo je mnogo bolje upoznato sa spojevima materije, a ne sa samim sobom.
Dakle, silicijum formira legure sa gotovo svim metalima - silicidima. Svi se odlikuju vatrostalnošću i tvrdoćom i koriste se u odgovarajućim područjima: plinske turbine, peći za grijanje.
Nemetal se nalazi u tabeli D.I. Mendeljejeva u grupi 6 zajedno sa ugljenikom i germanijumom, što ukazuje na izvesnu sličnost sa ovim supstancama. Dakle, ono što ima zajedničko sa ugljenikom je sposobnost formiranja jedinjenja organskog tipa. Istovremeno, silicijum, kao i germanijum, može pokazati svojstva metala u nekim hemijskim reakcijama, koji se koristi u sintezi.
Prednosti i nedostaci
Kao i svaka druga tvar sa stanovišta upotrebe u nacionalnoj ekonomiji, silicij ima određene korisne ili ne baš korisne kvalitete. Važni su upravo za određivanje područja upotrebe.
- Značajna prednost supstance je njena dostupnost. Istina je da se u prirodi ne nalazi u slobodnom obliku, ali ipak, tehnologija proizvodnje silicija nije toliko komplicirana, iako je energetski zahtjevna.
- Druga najvažnija prednost je formiranje mnogih jedinjenja sa neobično korisnim svojstvima. To uključuje silane, silicide, dioksid i, naravno, široku paletu silikata. Sposobnost silicijuma i njegovih spojeva da formiraju složene čvrste otopine je gotovo beskonačna, što omogućava beskonačno dobivanje širokog spektra varijacija stakla, kamena i keramike.
- Poluprovodnička svojstva nemetal mu daje mjesto kao osnovni materijal u elektrotehnici i radiotehnici.
- Nemetalni je netoksičan, koji omogućava upotrebu u bilo kojoj industriji, a istovremeno ne pretvara tehnološki proces u potencijalno opasan.
Nedostaci materijala uključuju samo relativnu krhkost s dobrom tvrdoćom. Silicijum se ne koristi za nosive konstrukcije, ali ova kombinacija omogućava da se površina kristala pravilno obradi, što je važno za izradu instrumenata.
Razgovarajmo sada o osnovnim svojstvima silicijuma.
Svojstva i karakteristike
Budući da se kristalni silicijum najčešće koristi u industriji, važnija su njegova svojstva, koja su navedena u tehničkim specifikacijama. Fizička svojstva supstance su sljedeća:
- tačka topljenja – 1417 C;
- tačka ključanja – 2600 C;
- gustina je 2,33 g/cu. cm, što ukazuje na krhkost;
- toplotni kapacitet, kao ni toplotna provodljivost, nisu konstantni ni na najčistijim uzorcima: 800 J/(kg K), ili 0,191 cal/(g deg) i 84-126 W/(m K), ili 0,20-0, 30 cal/(cm·sec·deg) respektivno;
- transparentno do dugovalnog infracrvenog zračenja, koje se koristi u infracrvenoj optici;
- dielektrična konstanta – 1,17;
- tvrdoća po Mohsovoj skali – 7.
Električna svojstva nemetala u velikoj mjeri zavise od nečistoća. U industriji, ova karakteristika se koristi modulacijom željenog tipa poluprovodnika. Na normalnim temperaturama silicijum je krhak, ali kada se zagrije iznad 800 C, moguća je plastična deformacija.
Svojstva amorfnog silicijuma su upadljivo različita: vrlo je higroskopan i mnogo aktivnije reagira čak i na normalnim temperaturama.
Struktura i hemijski sastav, kao i svojstva silicijuma razmatraju se u videu ispod:
Sastav i struktura
Silicijum postoji u dva alotropna oblika, koji su podjednako stabilni na normalnim temperaturama.
- Crystal ima izgled tamno sivog praha. Supstanca, iako ima kristalnu rešetku nalik dijamantu, krhka je zbog pretjerano dugih veza između atoma. Zanimljiva su njegova poluprovodnička svojstva.
- Pri vrlo visokim pritiscima možete dobiti hexagonal modifikacija sa gustinom od 2,55 g/cu. cm, međutim, ova faza još nije našla praktičan značaj.
- Amorfna– smeđe-smeđi prah. Za razliku od kristalnog oblika, on reagira mnogo aktivnije. To nije toliko zbog inertnosti prvog oblika, koliko zbog činjenice da je u zraku tvar prekrivena slojem dioksida.
Osim toga, potrebno je uzeti u obzir još jednu vrstu klasifikacije koja se odnosi na veličinu kristala silicija, koji zajedno čine supstancu. Kristalna rešetka, kao što je poznato, pretpostavlja poredak ne samo atoma, već i struktura koje ovi atomi formiraju - takozvani poredak dugog dometa. Što je veća, to će supstanca biti homogenija po svojstvima.
- Monocrystalline– uzorak je jedan kristal. Njegova struktura je maksimalno uređena, svojstva su homogena i dobro predvidljiva. Ovo je materijal koji je najtraženiji u elektrotehnici. Međutim, to je i jedna od najskupljih vrsta, jer je proces dobijanja složen, a stopa rasta niska.
- Multicrystalline– uzorak se sastoji od većeg broja krupnih kristalnih zrna. Granice između njih formiraju dodatne nivoe defekata, što smanjuje performanse uzorka kao poluprovodnika i dovodi do bržeg trošenja. Tehnologija uzgoja multikristala je jednostavnija, a samim tim i jeftiniji materijal.
- Polycrystalline– sastoji se od velikog broja zrna raspoređenih nasumično jedno u odnosu na drugo. Ovo je najčistiji tip industrijskog silicijuma koji se koristi u mikroelektronici i solarnoj energiji. Često se koristi kao sirovina za uzgoj multi- i monokristala.
- Amorfni silicijum takođe zauzima posebno mesto u ovoj klasifikaciji. Ovdje se red atoma održava samo na najkraćim udaljenostima. Međutim, u elektrotehnici se još uvijek koristi u obliku tankih filmova.
Proizvodnja bez metala
Dobivanje čistog silicijuma nije tako lako, s obzirom na inertnost njegovih spojeva i visoku tačku topljenja većine njih. U industriji najčešće pribjegavaju redukciji ugljičnim dioksidom. Reakcija se odvija u lučnim pećima na temperaturi od 1800 C. Na taj način se dobija nemetal čistoće 99,9%, što nije dovoljno za njegovu upotrebu.
Dobiveni materijal se hlorira kako bi se dobili kloridi i hidrokloridi. Zatim se spojevi pročišćavaju svim mogućim metodama od nečistoća i redukuju vodonikom.
Supstanca se takođe može pročistiti dobijanjem magnezijum silicida. Silicid je izložen hlorovodoničnom ili sirćetnom kiselinom. Dobija se silan, a potonji se pročišćava raznim metodama - sorpcijom, rektifikacijom i tako dalje. Zatim se silan razlaže na vodonik i silicijum na temperaturi od 1000 C. U ovom slučaju se dobija supstanca sa udjelom nečistoća od 10 -8 -10 -6%.
Primjena supstance
Za industriju, elektrofizičke karakteristike nemetala su od najvećeg interesa. Njegov monokristalni oblik je poluprovodnik sa indirektnim procepom. Njegova svojstva određuju nečistoće, što omogućava dobijanje kristala silicija sa određenim svojstvima. Dakle, dodavanje bora i indija omogućava uzgoj kristala s provodljivošću rupa, a uvođenje fosfora ili arsena omogućava uzgoj kristala elektronske vodljivosti.
- Silicijum doslovno služi kao osnova moderne elektrotehnike. Od njega se prave tranzistori, fotoćelije, integrirana kola, diode i tako dalje. Štaviše, funkcionalnost uređaja gotovo uvijek je određena samo prizemnim slojem kristala, što određuje vrlo specifične zahtjeve za površinsku obradu.
- U metalurgiji se tehnički silicijum koristi i kao modifikator legure - daje veću čvrstoću, i kao komponenta - u, na primer, i kao deoksidaciono sredstvo - u proizvodnji livenog gvožđa.
- Ultračisti i pročišćeni metalurški materijali čine osnovu solarne energije.
- Nemetalni dioksid se u prirodi pojavljuje u mnogo različitih oblika. Njegove kristalne sorte - opal, ahat, karneol, ametist, gorski kristal - našle su svoje mjesto u nakitu. U metalurgiji, građevinarstvu i radioelektronici koriste se modifikacije koje nisu toliko atraktivne - kremen, kvarc.
- Jedinjenje nemetala sa ugljenikom, karbida, koristi se u metalurgiji, izradi instrumenata i hemijskoj industriji. To je poluprovodnik sa širokim razmakom, koji se odlikuje visokom tvrdoćom - 7 po Mohsovoj skali, i čvrstoćom, što mu omogućava da se koristi kao abrazivni materijal.
- Silikati - odnosno soli silicijumske kiseline. Nestabilan, lako se raspada pod uticajem temperature. Njihova izuzetna karakteristika je da formiraju brojne i raznovrsne soli. Ali potonji su osnova za proizvodnju stakla, keramike, zemljanog posuđa, kristala itd. Možemo sa sigurnošću reći da se moderna konstrukcija zasniva na raznim silikatima.
- Staklo ovdje predstavlja najzanimljiviji slučaj. Njegova osnova su aluminosilikati, ali beznačajne primjese drugih tvari - obično oksida - daju materijalu puno različitih svojstava, uključujući boju. -, zemljano posuđe, porcelan, zapravo, ima istu formulu, ali sa drugačijim omjerom komponenti, a i njegova raznolikost je zadivljujuća.
- Nemetal ima još jednu sposobnost: formira spojeve poput ugljičnih, u obliku dugog lanca atoma silicija. Takva jedinjenja se nazivaju organosilicijumska jedinjenja. Opseg njihove primjene nije ništa manje poznat - to su silikoni, brtvila, maziva i tako dalje.
Silicijum je veoma čest element i ima neobično veliki značaj u mnogim oblastima nacionalne ekonomije. Štoviše, aktivno se koristi ne samo sama tvar, već i svi njeni različiti i brojni spojevi.
Ovaj video će vam reći o svojstvima i upotrebi silicija:
Kratak uporedni opis elemenata ugljenika i silicijuma dat je u tabeli 6.
Tabela 6
Komparativne karakteristike ugljika i silicija
| Kriterijumi poređenja | Ugljik – C | Silicijum – Si |
| položaj u periodnom sistemu hemijskih elemenata | , 2. period, IV grupa, glavna podgrupa | , 3. period, IV grupa, glavna podgrupa |
| elektronska konfiguracija atoma |  |
|
| valentne mogućnosti | II – u stacionarnom stanju IV – u pobuđenom stanju | |
| moguća oksidaciona stanja |  , ,
, , ,
|  ,
|
| viši oksid | , kiselo | , kiselo |
| viši hidroksid | – slaba nestabilna kiselina | () ili – slaba kiselina, ima polimernu strukturu |
| veza vodonika | – metan (ugljovodonik) | – silan, nestabilan |
Karbon. Ugljični element karakterizira alotropija. Ugljik postoji u obliku sljedećih jednostavnih supstanci: dijamanta, grafita, karbina, fulerena, od kojih je samo grafit termodinamički stabilan. Ugalj i čađ se mogu smatrati amorfnim varijantama grafita.
Grafit je vatrostalan, malo hlapljiv, hemijski inertan na uobičajenim temperaturama i neprozirna je meka tvar koja slabo provodi struju. Struktura grafita je slojevita.
Alamaz je izuzetno tvrda, hemijski inertna (do 900 °C) supstanca, ne provodi struju i slabo provodi toplotu. Struktura dijamanta je tetraedarska (svaki atom u tetraedru je okružen sa četiri atoma, itd.). Dakle, dijamant je najjednostavniji polimer, čija se makromolekula sastoji samo od atoma ugljika.
Karbin ima linearnu strukturu ( – karbin, polijn) ili ( – karbin, polien). To je crni prah i ima svojstva poluprovodnika. Pod uticajem svetlosti povećava se električna provodljivost karbina, i to na temperaturi 
karbin se pretvara u grafit. Hemijski aktivniji od grafita. Sintetizovan početkom 60-ih godina 20. veka, kasnije je otkriven u nekim meteoritima.
Fuleren je alotropska modifikacija ugljika formirana od molekula koji imaju strukturu tipa „fudbal“. Sintetizirani su molekuli i drugi fulereni. Svi fulereni su zatvorene strukture atoma ugljika u hibridnom stanju. Nehibridizovani elektroni veze su delokalizovani kao u aromatičnim jedinjenjima. Kristali fulerena su molekularnog tipa.
Silicijum. Silicijum se ne odlikuje vezama; nije tipično da postoji u hibridnom stanju. Dakle, postoji samo jedna stabilna alotropska modifikacija silicijuma, čija je kristalna rešetka slična onoj u dijamanta. Silicijum je tvrd (na Mohsovoj skali tvrdoća je 7), vatrostalan ( 
), vrlo krhka tvar tamnosive boje s metalnim sjajem u standardnim uvjetima - poluvodič. Hemijska aktivnost ovisi o veličini kristala (veliki kristalni su manje aktivni od amorfnih).
Reaktivnost ugljenika zavisi od alotropske modifikacije. Ugljik u obliku dijamanta i grafita je prilično inertan, otporan na kiseline i alkalije, što omogućava izradu lonaca, elektroda itd. od grafita. Ugljik pokazuje veću reaktivnost u obliku uglja i čađi.
Kristalni silicijum je prilično inertan u amorfnom obliku;
Glavne vrste reakcija koje odražavaju hemijska svojstva ugljenika i silicijuma date su u tabeli 7.
Tabela 7
Osnovna hemijska svojstva ugljenika i silicijuma
| reakcija sa | ugljenik | reakcija sa | silicijum | ||
| jednostavne supstance | kiseonik |  | kiseonik |  | |
| halogeni |  | halogeni |  | ||
| siva |  | ugljenik |  | ||
| vodonik |  | vodonik | ne reaguje | ||
| metali |  | metali |  | ||
| složene supstance | metalni oksidi |  | alkalije | ||
| vodena para |  | kiseline | ne reaguje | ||
| kiseline |
Cementni materijali
Cementni materijali – mineralni ili organski građevinski materijali koji se koriste za izradu betona, pričvršćivanje pojedinih elemenata građevinskih konstrukcija, hidroizolaciju itd..
Mineralna veziva(MVM)– fino mljeveni praškasti materijali (cementi, gips, kreč, itd.), koji kada se pomiješaju s vodom (u nekim slučajevima - s otopinama soli, kiselina, lužina) formiraju plastičnu, obradivu masu koja se stvrdne u izdržljivo tijelo nalik kamenu i povezuje čestice čvrstih agregata i armature u monolitnu cjelinu.
Stvrdnjavanje MVM nastaje zbog procesa rastvaranja, stvaranja prezasićene otopine i koloidne mase; potonji se djelomično ili potpuno kristalizira.
MVM klasifikacija:
1. hidraulična veziva:
Kada se pomiješaju s vodom (miješanje), stvrdnu i nastavljaju da održavaju ili povećavaju svoju čvrstoću u vodi. To uključuje razne cemente i hidraulično vapno. Kada se hidraulično vapno stvrdne, CaO stupa u interakciju s vodom i ugljičnim dioksidom u zraku i rezultirajući proizvod kristalizira. Koriste se u izgradnji nadzemnih, podzemnih i hidrauličnih objekata izloženih stalnoj izloženosti vodi.
2. veziva za vazduh:
Kada se pomešaju sa vodom, stvrdnjavaju i zadržavaju snagu samo na vazduhu. To uključuje gazirano vapno, gips-anhidrit i veziva sa gaziranim magnezijumom.
3. veziva otporna na kiseline:
Sastoje se uglavnom od kiselootpornog cementa koji sadrži fino mljevenu mješavinu kvarcnog pijeska i; Zapečaćeni su, u pravilu, vodenim rastvorima natrijevog ili kalijevog silikata, dugo zadržavaju snagu kada su izloženi kiselinama. Tokom stvrdnjavanja dolazi do reakcije. Koristi se za proizvodnju kiselootpornih kitova, maltera i betona u izgradnji hemijskih postrojenja.
4. Veziva za stvrdnjavanje u autoklavu:
Sastoje se od kalc-silicijumskih i kalc-nefelinskih veziva (kreč, kvarcni pesak, nefelinski mulj) i stvrdnjavaju pri preradi u autoklavu (6-10 sati, pritisak pare 0,9-1,3 MPa). Tu spadaju i pješčani portland cementi i druga veziva na bazi vapna, pepela i niskoaktivnog mulja. Koristi se u proizvodnji silikatnih betonskih proizvoda (blokovi, pješčano-vapnena opeka, itd.).
5. Veziva fosfata:
Sastoje se od specijalnih cementa; zatvaraju se fosfornom kiselinom kako bi se formirala plastična masa koja se postepeno stvrdne u monolitno tijelo i zadržava svoju čvrstoću na temperaturama iznad 1000 °C. Obično se koriste titanofosfatni, cink-fosfatni, aluminofosfatni i drugi cementi. Koristi se za proizvodnju vatrostalnih masa za oblaganje i zaptivača za visokotemperaturnu zaštitu metalnih dijelova i konstrukcija u proizvodnji vatrostalnog betona i dr.
Organska veziva(OBM)– tvari organskog porijekla koje mogu prijeći iz plastičnog stanja u čvrsto ili niskoplastično stanje kao rezultat polimerizacije ili polikondenzacije.
U poređenju sa MVM, oni su manje krti i imaju veću vlačnu čvrstoću. To uključuje proizvode koji nastaju prilikom prerade nafte (asfalt, bitumen), proizvode termičke razgradnje drveta (katran), kao i sintetičke termoreaktivne poliesterske, epoksidne, fenol-formaldehidne smole. Koriste se u izgradnji puteva, mostova, podova industrijskih objekata, valjanih krovnih materijala, asfalt polimer betona itd.
Silicijum je hemijski element IV grupe Periodnog sistema elemenata D.I. Mendeljejev. 1811. godine otkrili J. Gay-Lusac i L. Ternar. Njegov serijski broj je 14, atomska masa je 28,08, atomska zapremina je 12,04 10 -6 m 3 /mol. Silicijum je metaloid i pripada podgrupi ugljenika. Valencija kiseonika mu je +2 i +4. Po obilju u prirodi, silicijum je drugi nakon kiseonika. Njegov maseni udio u zemljinoj kori iznosi 27,6%. Zemljina kora, prema V.I. Vernadskog, više od 97% se sastoji od silikata i silikata. Kiseonik i organska jedinjenja silicijuma takođe se nalaze u biljkama i životinjama.
Umjetno proizveden silicij može biti ili amorfan ili kristalan. Amorfni silicijum je braon, fino dispergovan, visoko higroskopski prah, prema podacima rendgenske difrakcije, sastoji se od sićušnih kristala silicijuma. Može se dobiti redukcijom SiCl 4 cinkovom parom na visokim temperaturama.
Kristalni silicij ima čelično-sivu boju i metalni sjaj. Gustina kristalnog silicijuma na 20°C je 2,33 g/cm3, tečnog silicijuma na 1723-2,51, a na 1903K - 2,445 g/cm3. Tačka topljenja silicijuma je 1690 K, tačka ključanja - 3513 K. Prema podacima, pritisak pare silicijuma na T = 2500÷4000 K opisuje se jednačinom log p Si = -20130/ T + 7,736, kPa. Toplota sublimacije silicijuma 452610, toplota topljenja 49790, isparavanje 385020 J/mol.
Silicijumske polikristale karakteriše visoka tvrdoća (na 20°C HRC = 106). Međutim, silicij je vrlo krhak, stoga ima visoku tlačnu čvrstoću (σ SZh B ≈690 MPa) i vrlo nisku vlačnu čvrstoću (σ B ≈ 16,7 MPa).
Na sobnoj temperaturi, silicijum je inertan i reaguje samo sa fluorom, formirajući isparljivi 81P4. Od kiselina reaguje samo sa azotnom kiselinom u mešavini sa fluorovodoničnom kiselinom. Međutim, silicijum prilično lako reaguje sa alkalijama. Jedna od njegovih reakcija sa alkalijama
Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
koristi se za proizvodnju vodonika. Istovremeno, silicijum može formirati veliki broj hemijski jakih jedinjenja sa nemetalima. Od ovih jedinjenja potrebno je istaći halogenide (od SiX 4 do Si n X 2n+2, gde je X halogen i n ≤ 25), njihova mešana jedinjenja SiCl 3 B, SiFCl 3 itd., oksihloride Si 2 OCl 3, Si 3 O2Cl3 i drugi, nitridi Si 3 N 4, Si 2 N 3, SiN i hidridi opšte formule Si n H 2n+2, a među jedinjenjima koja se nalaze u proizvodnji ferolegura - isparljivi sulfidi SiS i SiS 2 i vatrostalni karbid SiC.
Silicijum je takođe sposoban da proizvodi spojeve sa metalima - silicide, od kojih su najvažniji silicidi gvožđa, hroma, mangana, molibdena, cirkonija, kao i retkih zemnih metala i alkalnih metala. Ovo svojstvo silicijuma - sposobnost da proizvodi hemijski veoma jaka jedinjenja i rastvore sa metalima - ima široku primenu u proizvodnji niskougljičnih ferolegura, kao i u redukciji zemnoalkalne kiseline niskog ključanja (Ca, Mg, Ba) i teško reducivi metali (Zr, Al, itd.).
Legure silicijuma sa gvožđem proučavao je P.V. Held i njegova škola, posebna pažnja je posvećena dijelu Fe-Si sistema koji se odnosi na legure sa visokim sadržajem. To je zbog činjenice da, kao što se vidi iz Fe-Si dijagrama (slika 1), u legurama ovog sastava dolazi do niza transformacija koje značajno utiču na kvalitet ferosilicijuma različitih kvaliteta. Dakle, FeSi 2 disilicid je stabilan samo na niskim temperaturama (< 918 или 968 °С, см. рисунок 1). При высоких температурах устойчива его высокотемпературная модификация - лебоит. Содержание кремния в этой фазе колеблется в пределах 53-56 %. В дальнейшем лебоит будем обозначать химической формулой Fe 2 Si 5 , что практически соответствует максимальной концентрации кремния в лебоите.
Prilikom hlađenja legura koje sadrže > 55,5% Si, leboit na T< 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции
Fe 2 Si 5 → FeSi 2 +Si (2)
i legure 33,86-50,07% Si na T< 1255 К - по перитектоидной реакции
Fe 2 Si 5 + FeSi = 3 FeSi 2 (3)
Legure srednjeg sastava (50,15-55,5% Si) prvo prolaze peritektoidnu (3) na 1255 K, a zatim eutektoidnu (2) transformaciju na 1213 K. Ove transformacije Fe 2 Si 5 prema reakcijama (2) i (3) praćene su promjenama zapremine silicida. Ova promjena je posebno velika tokom reakcije (2) - oko 14%, pa legure koje sadrže leboit gube kontinuitet, pucaju, pa čak i mrve. Sa sporom, ravnotežnom kristalizacijom (vidi sliku 1), leboit se može osloboditi tokom kristalizacije i FS75 i FS45 legura.
Međutim, pucanje povezano s eutektoidnom razgradnjom leboita samo je jedan od uzroka raspadanja. Drugi razlog, naizgled glavni, je taj što stvaranje pukotina duž granica zrna stvara mogućnost da tečnosti koje se oslobađaju duž ovih granica - fosfor, arsen, aluminijum sulfidi i karbidi, itd. - reaguju sa vlagom vazduha u reakcijama koje rezultiraju H 2, PH 3, PH 4, AsH 4 itd. ispuštaju se u atmosferu, au pukotinama se nalaze rastresiti oksidi Al 2 O 3, SiO 2 i drugi spojevi koji ih pucaju. Raspadanje legura može se spriječiti modificiranjem magnezijem, legiranjem aditiva elemenata koji oplemenjuju zrno (V, Ti, Zg, itd.) ili ga čine plastičnijim. Rafiniranje zrna smanjuje koncentraciju nečistoća i njihovih jedinjenja na svojim granicama i utiče na svojstva legura na isti način kao i opšte smanjenje koncentracije nečistoća u leguri (P, Al, Ca), koje doprinose dezintegraciji. Termodinamička svojstva Fe-Si legura (toplina miješanja, aktivnost, rastvorljivost ugljika) su detaljno proučavana i mogu se naći u radovima. Podaci o rastvorljivosti ugljenika u Fe-Si legurama su dati na slici 2, o aktivnosti silicijuma - u tabeli 1.
Slika 1. — Dijagram stanja Fe-Si sistema
Fizičko-hemijska svojstva silicijumskih jedinjenja kiseonika proučavali su P.V. Geld i njegovo osoblje. Uprkos važnosti Si-O sistema, njegov dijagram još nije konstruisan. Trenutno su poznata dva kisikova spoja silicija - silicijum SiO 2 i monoksid SiO. U literaturi postoje indicije o postojanju drugih kiseonikovih jedinjenja silicijuma - Si 2 O 3 i Si 3 O 4, ali nema podataka o njihovim hemijskim i fizičkim svojstvima.
U prirodi, silicijum je predstavljen samo silicijum dioksidom SiO 2. Ovo jedinjenje silikona je drugačije:
1) visoka tvrdoća (na Mohsovoj skali 7) i vatrostalnost (T pl = 1996 K);
2) visoka tačka ključanja (T KIP = 3532 K). Pritisak pare silicijum dioksida može se opisati jednadžbama (Pa):
3) formiranje velikog broja modifikacija:
Karakteristika alotropskih transformacija SiO 2 je da su praćene značajnim promjenama u gustoći i volumenu tvari, što može uzrokovati pucanje i drobljenje stijene;
4) visoka sklonost hipotermiji. Stoga je moguće, kao rezultat brzog hlađenja, fiksirati strukturu kako tekućeg rastapa (stakla), tako i visokotemperaturnih modifikacija β-kristobalita i tridimita. Naprotiv, brzim zagrijavanjem moguće je rastopiti kvarc, zaobilazeći strukture tridimita i kristobalita. U ovom slučaju, tačka topljenja SiO 2 opada za približno 100 °C;
5) visok električni otpor. Na primjer, na 293 K to je 1 10 12 Ohm*m. Međutim, s povećanjem temperature, električni otpor SiO 2 opada, a u tekućem stanju silicijum je dobar provodnik;
6) visok viskozitet. Tako je na 2073 K viskozitet 1 10 4 Pa s, a na 2273 K 280 Pa s.
Potonji, prema N.V. Solomina, objašnjava se činjenicom da je SiO 2, kao i organski polimeri, sposoban da formira lance koji se na 2073 K sastoje od 700, a na 2273 K - od 590 molekula SiO 2;
7) visoka termička stabilnost. Gibbsova energija formiranja SiO 2 iz elemenata, uzimajući u obzir njihovo agregatno stanje u skladu sa podacima, opisuje se sa velikom preciznošću jednačinama: 
Ovi podaci, kao što se vidi iz tabele 2, donekle se razlikuju od podataka autora. Za termodinamičke proračune mogu se koristiti i dvočlane jednadžbe:
Silicijum monoksid SiO je 1895. godine otkrio Potter u gasnoj fazi električnih peći. Sada je pouzdano utvrđeno da SiO postoji iu kondenzovanim fazama. Prema istraživanju P.V. Gelda, oksid ima malu gustinu (2,15 g/cm 3) i visoku električnu otpornost (10 5 -10 6 Ohm*m). Kondenzirani oksid je krhak, njegova tvrdoća po Mohsovoj skali je ~5 Zbog velike isparljivosti, tačka topljenja nije mogla biti određena eksperimentalno. Prema O. Kubashevskyju, jednaka je 1875 K, prema Berezhnyju, 1883 K. Toplota fuzije SiO je nekoliko puta veća od ΔH 0 SiO2, prema podacima jednaka je 50242 J/mol. Očigledno je zbog volatilnosti precijenjen. Ima staklasti lom, boja mu varira od bijele do čokoladne, što je vjerovatno zbog oksidacije atmosferskim kisikom. Prijelom svježeg SiO obično ima boju poput graška s masnim sjajem. Oksid je termodinamički stabilan samo na visokim temperaturama u obliku SiO(G). Kada se ohladi, oksid se mijenja u skladu s reakcijom
2SiO (G) = SiO (L) + SiO 2 (6)
Tačka ključanja SiO može se grubo procijeniti iz jednačine:
Plin silicijum oksid je termodinamički vrlo stabilan. Gibbsova energija njegovog formiranja može se opisati jednadžbama (vidi tabelu 2):
iz čega je jasno da se hemijska snaga SiO, kao i CO, povećava sa povećanjem temperature, što ga čini odličnim redukcionim agensom za mnoge supstance.
Za termodinamičku analizu mogu se koristiti i dvočlane jednadžbe:
Sastav gasova preko SiO 2 procijenio je I.S. Kulikov. U zavisnosti od temperature, sadržaj SiO u odnosu na SiO 2 opisuje se jednadžbama:
Silicijum karbid, kao i SiO, jedan je od intermedijarnih jedinjenja nastalih tokom redukcije SiO 2. Karbid ima visoku tačku topljenja.
U zavisnosti od pritiska, otporan je do 3033-3103 K (slika 3). Na visokim temperaturama, silicijum karbid sublimira. Međutim, pritisak pare Si (G), Si 2 C (G), SiC 2 (G) iznad karbida na T< 2800К невелико, что следует из уравнения
Karbid postoji u obliku dvije modifikacije - kubičnog niskotemperaturnog β-SiC i heksagonalnog visokotemperaturnog α-SiC. U pećima od ferolegura obično se nalazi samo β-SiC. Kako su proračuni koristeći podatke pokazali, Gibbsova energija formiranja je opisana jednadžbama:
koji se značajno razlikuju od podataka. Iz ovih jednačina proizilazi da je karbid termički otporan do 3194 K. U pogledu fizičkih svojstava, karbid se odlikuje velikom tvrdoćom (~ 10), visokim električnim otporom (pri 1273 K p≈0,13 ⋅ 10 4 μOhm ⋅ m), povećana gustina (3,22 g/cm 3) i visoka otpornost kako u reduciranoj tako i u oksidirajućoj atmosferi.
Čisti karbid je bezbojan po izgledu i ima svojstva poluvodiča koja se zadržavaju na visokim temperaturama. Tehnički silicijum karbid sadrži nečistoće i stoga je obojen zeleno ili crno. Tako zeleni karbid sadrži 0,5-1,3% nečistoća (0,1-0,3% C, 0,2-1,2% Si + SiO 2, 0,05-0,20% Fe 2 O 3 , 0,01-0,08% Al 2 O 3 itd.). Crni karbid ima veći sadržaj nečistoća (1-2%).
Ugljik se koristi kao redukciono sredstvo u proizvodnji silicijumskih legura. To je ujedno i glavna tvar od koje se prave elektrode i obloge električnih peći koje tope silicij i njegove legure. Ugljik je prilično čest u prirodi, njegov sadržaj u zemljinoj kori iznosi 0,14%. U prirodi se nalazi iu slobodnom stanju iu obliku organskih i neorganskih spojeva (uglavnom karbonata).
Ugljik (grafit) ima heksagonalnu kubičnu rešetku. Rendgenska gustina grafita je 2,666 g/cm3, piknometrijska - 2,253 g/cm3. Karakteriše ga visoke tačke topljenja (~ 4000 °C) i tačke ključanja (~ 4200 °C), koje se povećavaju sa povećanjem temperature električni otpor (na 873 K p≈9,6 μOhm⋅m, na 2273 K p≈ 15,0 μOhm⋅m) , prilično izdržljiv. Njegov privremeni otpor na brkovima može biti 480-500 MPa. Međutim, elektrodni grafit ima σ in = 3,4÷17,2 MPa. Tvrdoća grafita po Mohsovoj skali je ~ 1.
Ugljik je odličan redukcijski agens. To je zbog činjenice da se snaga jednog od njegovih kisikovih spojeva (CO) povećava s povećanjem temperature. To je vidljivo iz Gibbsove energije njenog formiranja, koja je, kako pokazuju naši proračuni koristeći podatke, dobro opisana kao tročlana
i dvočlane jednačine:
Ugljični dioksid CO 2 je termodinamički jak samo do 1300 K. Gibbsova energija stvaranja CO 2 opisuje se jednadžbama:
Slajd 2
Biti u prirodi.
Među mnogim hemijskim elementima bez kojih je postojanje života na Zemlji nemoguće, ugljenik je glavni. Više od 99% ugljika u atmosferi sadržano je u obliku ugljičnog dioksida. Oko 97% ugljika u okeanima postoji u otopljenom obliku (), au litosferi - u obliku minerala. Elementarni ugljik je prisutan u atmosferi u malim količinama u obliku grafita i dijamanta, au tlu u obliku drvenog uglja.
Slajd 3
Položaj u PSHE Opće karakteristike elemenata ugljične podgrupe.
Glavnu podgrupu IV grupe periodnog sistema D.I. Mendeljejeva čini pet elemenata - ugljenik, silicijum, germanijum, kalaj i olovo. Zbog činjenice da se radijus atoma od ugljika do vodilice povećava, veličine atoma se povećavaju, sposobnost vezivanja elektrona i, posljedično, nemetalna svojstva će oslabiti, a lakoća odustajanja od elektrona će se povećati .
Slajd 4
Elektronsko inženjerstvo
U normalnom stanju, elementi ove podgrupe pokazuju valenciju jednaku 2. Pri prelasku u pobuđeno stanje, praćeno prijelazom jednog od s - elektrona vanjskog sloja u slobodnu ćeliju p - podnivoa istog nivou, svi elektroni vanjskog sloja postaju nespareni i valencija se povećava na 4.
Slajd 5
Metode proizvodnje: laboratorijski i industrijski.
Ugljik Nepotpuno sagorijevanje metana: CH4 + O2 = C + 2H2O Ugljen monoksid (II) U industriji: Ugljen monoksid (II) se proizvodi u specijalnim pećima zvanim gasni generatori kao rezultat dve uzastopne reakcije. U donjem delu gasnog generatora, gde ima dovoljno kiseonika, dolazi do potpunog sagorevanja uglja i formira se ugljen monoksid (IV): C + O2 = CO2 + 402 kJ.
Slajd 6
Kako se ugljen monoksid (IV) kreće odozdo prema gore, dolazi u kontakt sa vrućim ugljem: CO2 + C = CO – 175 kJ. Nastali plin se sastoji od slobodnog dušika i ugljičnog (II) monoksida. Ova mješavina se naziva generatorski plin. U gasnim generatorima, vodena para se ponekad izduvava kroz vrući ugalj: C + H2O = CO + H2 – Q, “CO + H2” - vodeni gas. U laboratoriji: Djelovanje na mravlju kiselinu sa koncentrovanom sumpornom kiselinom koja vezuje vodu: HCOOH H2O + CO.
Slajd 7
Ugljenmonoksid (IV) U industriji: Nusproizvod proizvodnje kreča: CaCO3 CaO + CO2. U laboratoriji: Kada su kiseline u interakciji sa kredom ili mermerom: CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2+ H2O. Karbidi Karbidi se proizvode kalcinacijom metala ili njihovih oksida sa ugljem.
Slajd 8
Ugljena kiselina se priprema otapanjem ugljen monoksida (IV) u vodi. Pošto je ugljena kiselina veoma nestabilno jedinjenje, ova reakcija je reverzibilna: CO2 + H2O H2CO3. Silicijum U industriji: Prilikom zagrevanja mešavine peska i uglja: 2C + SiO2Si + 2CO. U laboratoriji: Kada mješavina čistog pijeska stupi u interakciju sa magnezijumom u prahu: 2Mg + SiO2 2MgO + Si.
Slajd 9
Silicijumska kiselina se dobija delovanjem kiselina na rastvore njenih soli. Istovremeno se taloži u obliku želatinoznog taloga: Na2SiO3 + HCl 2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3
Slajd 10
Alotropske modifikacije ugljika.
Ugljik postoji u tri alotropske modifikacije: dijamant, grafit i karbin.
Slajd 11
Grafit.
Meki grafit ima slojevitu strukturu. Neproziran, siv sa metalnim sjajem. Prilično dobro provodi električnu energiju zbog prisustva mobilnih elektrona. Klizavo na dodir. Jedan od najmekših među čvrstim materijalima. Slika 2 Model grafitne rešetke.
Slajd 12
Dijamant.
Dijamant je najteža prirodna supstanca. Kristali dijamanata su visoko cijenjeni i kao tehnički materijal i kao dragocjen ukras. Dobro uglačan dijamant je dijamant. Prelamajući zrake svjetlosti, blista čistim, jarkim bojama duge. Najveći ikada pronađeni dijamant težak je 602 g, ima dužinu od 11 cm, širinu od 5 cm i visinu od 6 cm. Slika 1 Model dijamantske rešetke.
Slajd 13
Carbyne i Mirror Carbon.
Carbyne je dubok crni prah prošaran većim česticama. Karbin je termodinamički najstabilniji oblik elementarnog ugljika. Ugljik ogledala ima slojevitu strukturu. Jedna od najvažnijih karakteristika zrcalnog ugljenika (pored tvrdoće, otpornosti na visoke temperature itd.) je njegova biološka kompatibilnost sa živim tkivima.
Slajd 14
Hemijska svojstva.
Alkalije pretvaraju silicijum u soli silicijumske kiseline oslobađanjem vodonika: Si + 2KOH + H2O = K2Si03 + 2H2 Ugljik i silicijum reaguju sa vodom samo na visokim temperaturama: C + H2O ¬ CO + H2 Si + 3H2O = H2SiO3 + 2H2 Ugljik, za razliku od silicijum je u direktnoj interakciji sa vodonikom: C + 2H2 = CH4
Slajd 15
Karbidi.
Spojevi ugljika s metalima i drugim elementima koji su elektropozitivni u odnosu na ugljik nazivaju se karbidi. Kada aluminijum karbid stupi u interakciju sa vodom, nastaje metan Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 Kada kalcijum karbid stupi u interakciju sa vodom, nastaje acetilen: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2
Opće karakteristike četvrte grupe glavne podgrupe:
- a) svojstva elemenata sa stanovišta strukture atoma;
- b) oksidaciono stanje;
- c) svojstva oksida;
- d) svojstva hidroksida;
- e) jedinjenja vodonika.
a) Ugljenik (C), silicijum (Si), germanijum (Ge), kalaj (Sn), olovo (Pb) - elementi grupe 4 glavne podgrupe PSE. Na vanjskom elektronskom sloju, atomi ovih elemenata imaju 4 elektrona: ns 2 np 2. U podgrupi, kako se atomski broj elementa povećava, atomski radijus se povećava, nemetalna svojstva slabe, a metalna svojstva se povećavaju: ugljenik i silicijum su nemetali, germanijum, kalaj, olovo su metali.
b) Elementi ove podgrupe pokazuju i pozitivna i negativna oksidaciona stanja: -4, +2, +4.
c) Viši oksidi ugljenika i silicijuma (C0 2, Si0 2) imaju kisela svojstva, oksidi preostalih elemenata podgrupe su amfoterni (Ge0 2, Sn0 2, Pb0 2).
d) Ugljične i silicijumske kiseline (H 2 CO 3, H 2 SiO 3) su slabe kiseline. Hidroksidi germanijuma, kositra i olova su amfoterni i pokazuju slaba kisela i bazična svojstva: H 2 GeO 3 = Ge(OH) 4, H 2 SnO 3 = Sn(OH) 4, H 2 PbO 3 = Pb(OH) 4.
e) Jedinjenja vodonika:
CH 4; SiH 4, GeH 4. SnH4, PbH4. Metan - CH 4 je jako jedinjenje, silan SiH 4 je manje jako jedinjenje.
Sheme strukture atoma ugljika i silicija, opća i karakteristična svojstva.
Sa lS 2 2S 2 2p 2 ;
Si 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3p 2 .
Ugljik i silicijum su nemetali jer se u vanjskom elektronskom sloju nalaze 4 elektrona. Ali pošto silicijum ima veći atomski radijus, veća je verovatnoća da će odati elektrone nego ugljenik. Ugljik - redukcijski agens:
Zadatak. Kako dokazati da su grafit i dijamant alotropske modifikacije istog hemijskog elementa? Kako možemo objasniti razlike u njihovim svojstvima?
Rješenje. I dijamant i grafit, kada se sagore u kiseoniku, formiraju ugljen monoksid (IV) C0 2, koji, kada se prođe kroz krečnu vodu, proizvodi beli talog kalcijum karbonata CaC0 3
C + 0 2 = CO 2; C0 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 v - H 2 O.
Osim toga, dijamant se može dobiti od grafita zagrijavanjem pod visokim pritiskom. Prema tome, i grafit i dijamant sadrže samo ugljik. Razlika u svojstvima grafita i dijamanta objašnjava se razlikom u strukturi kristalne rešetke.
U kristalnoj rešetki dijamanta, svaki atom ugljika je okružen sa četiri druga. Atomi se nalaze na jednakoj udaljenosti jedan od drugog i vrlo su čvrsto međusobno povezani kovalentnim vezama. Ovo objašnjava veliku tvrdoću dijamanta.
Grafit ima atome ugljika raspoređene u paralelnim slojevima. Udaljenost između susjednih slojeva je mnogo veća nego između susjednih atoma u sloju. To uzrokuje nisku čvrstoću veze između slojeva, pa se grafit lako cijepa u tanke ljuspice, koje su same po sebi vrlo jake.
Spojevi s vodikom koji tvore ugljik. Empirijske formule, tip hibridizacije atoma ugljika, valentna i oksidaciona stanja svakog elementa.
Oksidacijsko stanje vodonika u svim jedinjenjima je +1.
Valencija vodonika je jedan, valenca ugljenika je četiri.
Formule ugljične i silicijumske kiseline, njihova hemijska svojstva u odnosu na metale, okside, baze, specifična svojstva.
H 2 CO 3 - ugljična kiselina,
H 2 SiO 3 - silicijumska kiselina.
H 2 CO 3 - postoji samo u rastvoru:
H 2 C0 3 = H 2 O + C0 2
H 2 SiO 3 je čvrsta tvar, praktički nerastvorljiva u vodi, pa se vodikovi kationi u vodi praktički ne odvajaju. U tom smislu, takvo opće svojstvo kiselina kao što je učinak na indikatore nije detektirano od strane H 2 SiO 3, čak je i slabije od ugljične kiseline.
H 2 SiO 3 je krhka kiselina i postepeno se raspada kada se zagrije:
H 2 SiO 3 = Si0 2 + H 2 0.
H 2 CO 3 reaguje sa metalima, metalnim oksidima, bazama:
a) H 2 CO 3 + Mg = MgCO 3 + H 2
b) H 2 CO 3 + CaO = CaCO 3 + H 2 0
c) H 2 CO 3 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + 2H 2 0
Hemijska svojstva ugljične kiseline:
- 1) zajedničko sa drugim kiselinama,
- 2) specifične osobine.
Potvrdite svoj odgovor jednadžbama reakcija.
1) reaguje sa aktivnim metalima:
Zadatak. Koristeći hemijske transformacije, odvojite mešavinu silicijum (IV) oksida, kalcijum karbonata i srebra, uzastopno rastvarajući komponente smeše. Opišite redoslijed radnji.
Rješenje.
1) smeši je dodan rastvor hlorovodonične kiseline.
