Carbone et silicium dans la nature. Résumé : Composés chimiques à base de silicium et de carbone

En tant qu'élément chimique indépendant, le silicium n'a été connu de l'humanité qu'en 1825. Ce qui, bien entendu, n’a pas empêché l’utilisation de composés de silicium dans de nombreux domaines, qu’il est plus facile d’énumérer ceux où l’élément n’est pas utilisé. Cet article mettra en lumière les propriétés physiques, mécaniques et chimiques utiles du silicium et de ses composés, ses applications, et nous parlerons également de la manière dont le silicium affecte les propriétés de l'acier et d'autres métaux.

Examinons d’abord les caractéristiques générales du silicium. De 27,6 à 29,5 % de la masse de la croûte terrestre est constituée de silicium. Dans l'eau de mer, la concentration de l'élément est également considérable - jusqu'à 3 mg/l.

En termes d'abondance dans la lithosphère, le silicium se classe au deuxième rang après l'oxygène. Cependant, sa forme la plus connue, la silice, est un dioxyde, et ce sont ses propriétés qui sont devenues la base d’une utilisation aussi répandue.

Cette vidéo vous expliquera ce qu'est le silicium :

Concept et fonctionnalités

Le silicium n'est pas un métal, mais dans différentes conditions, il peut présenter des propriétés à la fois acides et basiques. Il s’agit d’un semi-conducteur typique extrêmement largement utilisé en électrotechnique. Ses propriétés physiques et chimiques sont largement déterminées par son état allotropique. Le plus souvent, il s'agit de la forme cristalline, car ses qualités sont plus recherchées dans l'économie nationale.

• Le silicium est l'un des macroéléments de base du corps humain. Sa carence a un effet néfaste sur l'état du tissu osseux, des cheveux, de la peau et des ongles. De plus, le silicium affecte les performances du système immunitaire.
• En médecine, l'élément, ou plutôt ses composés, ont trouvé leur première application précisément à ce titre. L'eau des puits recouverts de silicium était non seulement propre, mais avait également un effet positif sur la résistance aux maladies infectieuses. Aujourd'hui, les composés contenant du silicium servent de base aux médicaments contre la tuberculose, l'athérosclérose et l'arthrite.
• En général, le non-métal est peu actif, mais il est difficile de le trouver sous sa forme pure. Cela est dû au fait que dans l’air, il est rapidement passivé par une couche de dioxyde et cesse de réagir. Lorsqu'elle est chauffée, l'activité chimique augmente. En conséquence, l’humanité est beaucoup plus familière avec les composés de la matière qu’avec elle-même.

Ainsi, le silicium forme des alliages avec presque tous les métaux - les siliciures. Tous se caractérisent par leur caractère réfractaire et leur dureté et sont utilisés dans des domaines appropriés : turbines à gaz, réchauffeurs de fours.

Le non-métal est placé dans le tableau de D.I. Mendeleïev dans le groupe 6 avec le carbone et le germanium, ce qui indique une certaine similitude avec ces substances. Ainsi, son point commun avec le carbone est sa capacité à former des composés de type organique. Dans le même temps, le silicium, comme le germanium, peut présenter les propriétés d'un métal dans certaines réactions chimiques, utilisé en synthèse.

Avantages et inconvénients

Comme toute autre substance du point de vue de son utilisation dans l'économie nationale, le silicium possède certaines qualités utiles ou peu utiles. Ils sont importants précisément pour déterminer le domaine d'utilisation.

• Un avantage important de la substance est son disponibilité. Dans la nature, il est vrai qu’on ne le trouve pas sous forme libre, mais la technologie pour produire du silicium n’est pas si compliquée, même si elle est énergivore.
• Le deuxième avantage le plus important est formation de nombreux composés avec des propriétés inhabituellement utiles. Ceux-ci comprennent les silanes, les siliciures, le dioxyde et, bien sûr, une grande variété de silicates. La capacité du silicium et de ses composés à former des solutions solides complexes est quasiment infinie, ce qui permet d'obtenir à l'infini une grande variété de variations de verre, de pierre et de céramique.
• Propriétés des semi-conducteurs le non-métal lui confère une place de matériau de base dans l'ingénierie électrique et radio.
• Le non-métal est non toxique, qui permet une utilisation dans n'importe quelle industrie, tout en ne transformant pas le processus technologique en un processus potentiellement dangereux.

Les inconvénients du matériau ne comprennent qu'une relative fragilité avec une bonne dureté. Le silicium n'est pas utilisé pour les structures porteuses, mais cette combinaison permet un traitement correct de la surface des cristaux, ce qui est important pour la fabrication d'instruments.

Parlons maintenant des propriétés fondamentales du silicium.

Propriétés et caractéristiques

Le silicium cristallin étant le plus souvent utilisé dans l'industrie, ce sont ses propriétés qui sont les plus importantes, et ce sont elles qui sont données dans les spécifications techniques. Les propriétés physiques de la substance sont les suivantes :

• point de fusion – 1417 C ;
• point d'ébullition – 2600 C;
• la densité est de 2,33 g/cu. cm, ce qui indique une fragilité ;
• la capacité thermique, ainsi que la conductivité thermique, ne sont pas constantes même sur les échantillons les plus purs : 800 J/(kg K), soit 0,191 cal/(g deg) et 84-126 W/(m K), soit 0,20-0, 30 cal/(cm·sec·deg) respectivement ;
• transparent au rayonnement infrarouge à ondes longues, utilisé en optique infrarouge ;
• constante diélectrique – 1,17 ;
• dureté sur l'échelle de Mohs – 7.

Les propriétés électriques d'un non-métal dépendent fortement des impuretés. Dans l'industrie, cette fonctionnalité est utilisée en modulant le type de semi-conducteur souhaité. À des températures normales, le silicium est fragile, mais lorsqu'il est chauffé au-dessus de 800 C, une déformation plastique est possible.

Les propriétés du silicium amorphe sont remarquablement différentes : il est hautement hygroscopique et réagit beaucoup plus activement même à des températures normales.

La structure et la composition chimique, ainsi que les propriétés du silicium sont abordées dans la vidéo ci-dessous :

Composition et structure

Le silicium existe sous deux formes allotropiques, également stables aux températures normales.

• Cristal a l'apparence d'une poudre gris foncé. La substance, bien qu’elle possède un réseau cristallin semblable à celui d’un diamant, est fragile en raison des liaisons trop longues entre les atomes. Ses propriétés semi-conductrices sont intéressantes.
• À des pressions très élevées, vous pouvez obtenir hexagonal modification avec une densité de 2,55 g/cu. cm Cependant, cette phase n'a pas encore trouvé de signification pratique.
• Amorphe– poudre brun-brun. Contrairement à la forme cristalline, elle réagit beaucoup plus activement. Cela n'est pas tant dû à l'inertie de la première forme qu'au fait que dans l'air, la substance est recouverte d'une couche de dioxyde.

De plus, il faut prendre en compte un autre type de classification lié à la taille des cristaux de silicium, qui forment ensemble la substance. Un réseau cristallin, comme on le sait, implique un ordre non seulement des atomes, mais également des structures que forment ces atomes - ce qu'on appelle l'ordre à longue portée. Plus il est grand, plus la substance sera homogène en termes de propriétés.

• Monocristallin– l'échantillon est un cristal. Sa structure est ordonnée au maximum, ses propriétés sont homogènes et bien prévisibles. C’est le matériau le plus demandé en électrotechnique. Cependant, c’est aussi l’une des espèces les plus chères, car le processus d’obtention est complexe et le taux de croissance est faible.
• Multicristallin– l'échantillon est constitué d'un certain nombre de gros grains cristallins. Les limites entre eux forment des niveaux de défauts supplémentaires, ce qui réduit les performances de l'échantillon en tant que semi-conducteur et entraîne une usure plus rapide. La technologie de culture de multicristaux est plus simple et le matériau est donc moins cher.
• Polycristallin– est constitué d’un grand nombre de grains situés aléatoirement les uns par rapport aux autres. Il s’agit du type de silicium industriel le plus pur, utilisé en microélectronique et dans l’énergie solaire. Assez souvent utilisé comme matière première pour la culture de multicristaux et de monocristaux.
• Le silicium amorphe occupe également une place à part dans cette classification. Ici, l’ordre des atomes n’est maintenu qu’aux distances les plus courtes. Cependant, en électrotechnique, il est encore utilisé sous forme de films minces.

Production non métallique

Obtenir du silicium pur n’est pas si simple, compte tenu de l’inertie de ses composés et du point de fusion élevé de la plupart d’entre eux. Dans l'industrie, on recourt le plus souvent à la réduction avec du carbone provenant du dioxyde de carbone. La réaction est réalisée dans des fours à arc à une température de 1800 C. De cette manière, on obtient un non-métal d'une pureté de 99,9%, ce qui n'est pas suffisant pour son utilisation.

Le matériau résultant est chloré pour produire des chlorures et des chlorhydrates. Ensuite, les composés sont purifiés par toutes les méthodes possibles des impuretés et réduits avec de l'hydrogène.

La substance peut également être purifiée en obtenant du siliciure de magnésium. Le siliciure est exposé à l'acide chlorhydrique ou acétique. Le silane est obtenu et ce dernier est purifié par diverses méthodes - sorption, rectification, etc. Ensuite, le silane est décomposé en hydrogène et silicium à une température de 1000 C. Dans ce cas, une substance est obtenue avec une fraction d'impuretés de 10 -8 -10 -6 %.

Application de la substance

Pour l’industrie, les caractéristiques électrophysiques d’un non-métal présentent le plus grand intérêt. Sa forme monocristalline est un semi-conducteur à gap indirect. Ses propriétés sont déterminées par les impuretés, ce qui permet d'obtenir des cristaux de silicium aux propriétés spécifiées. Ainsi, l'ajout de bore et d'indium permet de faire croître un cristal à conductivité de trou, et l'introduction de phosphore ou d'arsenic permet de faire croître un cristal à conductivité électronique.

• Le silicium sert littéralement de base à l’ingénierie électrique moderne. Des transistors, des photocellules, des circuits intégrés, des diodes, etc. en sont fabriqués. De plus, la fonctionnalité du dispositif est presque toujours déterminée uniquement par la couche proche de la surface du cristal, qui détermine des exigences très spécifiques en matière de traitement de surface.
• En métallurgie, le silicium technique est utilisé à la fois comme modificateur d'alliage - il donne une plus grande résistance, et comme composant - par exemple, et comme agent désoxydant - dans la production de fonte.
• Les matériaux métallurgiques ultra-purs et purifiés constituent la base de l'énergie solaire.
• Le dioxyde non métallique est présent dans la nature sous de nombreuses formes différentes. Ses variétés de cristaux - opale, agate, cornaline, améthyste, cristal de roche - ont trouvé leur place en joaillerie. Des modifications d'apparence moins attrayantes - silex, quartz - sont utilisées dans la métallurgie, la construction et la radioélectronique.
• Un composé d'un non-métal avec du carbone, le carbure, est utilisé dans la métallurgie, la fabrication d'instruments et l'industrie chimique. Il s'agit d'un semi-conducteur à large bande, caractérisé par une dureté élevée - 7 sur l'échelle de Mohs, et une résistance qui lui permet d'être utilisé comme matériau abrasif.
• Silicates - c'est-à-dire des sels d'acide silicique. Instable, se décompose facilement sous l'influence de la température. Leur particularité remarquable est qu’ils forment des sels nombreux et variés. Mais ces dernières sont à la base de la production de verre, de céramique, de faïence, de cristal, etc. Nous pouvons affirmer avec certitude que la construction moderne est basée sur une variété de silicates.
• Le verre représente ici le cas le plus intéressant. Sa base est constituée d'aluminosilicates, mais des mélanges insignifiants d'autres substances - généralement des oxydes - confèrent au matériau de nombreuses propriétés différentes, y compris la couleur. -, la faïence, la porcelaine ont en effet la même formule, bien qu'avec un rapport de composants différent, et sa diversité est également étonnante.
• Le non-métal a une capacité supplémentaire : il forme des composés comme ceux du carbone, sous la forme d’une longue chaîne d’atomes de silicium. Ces composés sont appelés composés organosiliciés. Le champ d'application de leur application n'est pas moins connu : il s'agit des silicones, des mastics, des lubrifiants, etc.

Le silicium est un élément très courant et revêt une importance particulièrement grande dans de nombreux domaines de l’économie nationale. De plus, non seulement la substance elle-même, mais tous ses composés divers et nombreux sont activement utilisés.

Cette vidéo vous parlera des propriétés et des utilisations du silicium :

Une brève description comparative des éléments carbone et silicium est présentée dans le tableau 6.

Tableau 6

Caractéristiques comparatives du carbone et du silicium

Critères de comparaison	Carbone – C	Silicium – Si
position dans le tableau périodique des éléments chimiques	, 2ème période, groupe IV, sous-groupe principal	, 3ème période, groupe IV, sous-groupe principal
configuration électronique des atomes
possibilités de valence	II – dans un état stationnaire IV – dans un état excité
états d'oxydation possibles	, , , , ,	,
oxyde supérieur	, acide	, acide
hydroxyde supérieur	– acide faible et instable	() ou – acide faible, a une structure polymère
connexion hydrogène	– méthane (hydrocarbure)	– silane, instable

Carbone. L'élément carbone est caractérisé par l'allotropie. Le carbone existe sous la forme des substances simples suivantes : diamant, graphite, carbyne, fullerène, parmi lesquels seul le graphite est thermodynamiquement stable. Le charbon et la suie peuvent être considérés comme des variétés amorphes de graphite.

Le graphite est réfractaire, légèrement volatil, chimiquement inerte aux températures ordinaires et constitue une substance opaque et molle qui conduit faiblement le courant. La structure du graphite est en couches.

L'Alamaz est une substance extrêmement dure, chimiquement inerte (jusqu'à 900 °C), qui ne conduit pas le courant et conduit mal la chaleur. La structure du diamant est tétraédrique (chaque atome d'un tétraèdre est entouré de quatre atomes, etc.). Par conséquent, le diamant est le polymère le plus simple dont la macromolécule est constituée uniquement d'atomes de carbone.

Carbyne a une structure linéaire ( – carbyne, polyyne) ou ( – carbyne, polyène). C'est une poudre noire et possède des propriétés semi-conductrices. Sous l'influence de la lumière, la conductivité électrique du carbyne augmente, et à température le carbyne se transforme en graphite. Chimiquement plus actif que le graphite. Synthétisé au début des années 60 du XXe siècle, il a ensuite été découvert dans certaines météorites.

Le fullerène est une modification allotropique du carbone formée de molécules ayant une structure de type « football ». Des molécules et autres fullerènes ont été synthétisés. Tous les fullerènes sont des structures fermées d’atomes de carbone dans un état hybride. Les électrons de liaison non hybridés sont délocalisés comme dans les composés aromatiques. Les cristaux de fullerène sont de type moléculaire.

Silicium. Le silicium n’est pas caractérisé par des liaisons et n’existe pas à l’état hybride. Il n’existe donc qu’une seule modification allotropique stable du silicium, dont le réseau cristallin est similaire à celui du diamant. Le silicium est dur (sur l'échelle de Mohs, la dureté est de 7), réfractaire ( ), une substance très fragile de couleur gris foncé avec un éclat métallique dans des conditions standards - un semi-conducteur. L'activité chimique dépend de la taille des cristaux (les gros cristaux sont moins actifs que les amorphes).

La réactivité du carbone dépend de la modification allotropique. Le carbone sous forme de diamant et de graphite est assez inerte, résistant aux acides et aux alcalis, ce qui permet de réaliser des creusets, des électrodes, etc. à partir de graphite. Le carbone présente une réactivité plus élevée sous forme de charbon et de suie.

Le silicium cristallin est assez inerte ; sous forme amorphe, il est plus actif.

Les principaux types de réactions reflétant les propriétés chimiques du carbone et du silicium sont donnés dans le tableau 7.

Tableau 7

Propriétés chimiques de base du carbone et du silicium

réaction avec	carbone	réaction avec	silicium
substances simples	oxygène		oxygène
halogènes		halogènes
gris		carbone
hydrogène		hydrogène	ne réagit pas
les métaux		les métaux
substances complexes	oxydes métalliques		alcalis
vapeur d'eau		acides	ne réagit pas
acides

Matériaux de cimentation

Matériaux de cimentation – matériaux de construction minéraux ou organiques utilisés pour la fabrication du béton, la fixation d'éléments individuels des structures du bâtiment, l'imperméabilisation, etc..

Liants minéraux(MVM)– matériaux pulvérulents finement broyés (ciments, gypse, chaux, etc.), qui, lorsqu'ils sont mélangés avec de l'eau (dans certains cas avec des solutions de sels, d'acides, d'alcalis), forment une masse plastique ouvrable qui durcit en un corps semblable à une pierre durable et se lie particules d'agrégats solides et renforcement en un tout monolithique.

Le durcissement du MVM est dû aux processus de dissolution, à la formation d'une solution sursaturée et d'une masse colloïdale ; ce dernier cristallise partiellement ou totalement.

Classement MVM :

1. liants hydrauliques :

Lorsqu'ils sont mélangés à de l'eau (mélange), ils durcissent et continuent de maintenir ou d'augmenter leur résistance dans l'eau. Il s'agit notamment de divers ciments et de chaux hydraulique. Lorsque la chaux hydraulique durcit, le CaO interagit avec l'eau et le dioxyde de carbone présents dans l'air et le produit résultant cristallise. Ils sont utilisés dans la construction d’ouvrages aériens, souterrains et hydrauliques exposés à une exposition constante à l’eau.

2. liants aériens :

Mélangés à l'eau, ils durcissent et ne conservent leur résistance qu'à l'air. Ceux-ci comprennent des liants aérés à base de chaux, de gypse-anhydrite et de magnésie.

3. liants résistants aux acides :

Ils sont principalement constitués de ciment résistant aux acides contenant un mélange finement broyé de sable de quartz et ; Ils sont généralement scellés avec des solutions aqueuses de silicate de sodium ou de potassium ; ils conservent longtemps leur résistance lorsqu'ils sont exposés à des acides. Lors du durcissement, une réaction se produit. Utilisé pour la production de mastics, mortiers et bétons résistants aux acides dans la construction d'usines chimiques.

4. Liants durcissant en autoclave :

Ils sont constitués de liants calco-siliceux et calco-néphéliniques (chaux, sable de quartz, boues de néphéline) et durcissent lorsqu'ils sont traités en autoclave (6-10 heures, pression de vapeur 0,9-1,3 MPa). Il s'agit également de ciments Portland sableux et d'autres liants à base de chaux, de cendres et de boues peu actives. Utilisé dans la fabrication de produits en béton silicaté (blocs, briques silico-calcaires, etc.).

5. Liants phosphatés :

Constitué de ciments spéciaux ; ils sont scellés avec de l'acide phosphorique pour former une masse plastique qui durcit progressivement en un corps monolithique et conserve sa résistance à des températures supérieures à 1 000 °C. On utilise généralement du titanophosphate, du phosphate de zinc, de l'aluminophosphate et d'autres ciments. Utilisé pour la fabrication de masses de revêtement réfractaire et de produits d'étanchéité pour la protection à haute température des pièces et structures métalliques dans la production de béton réfractaire, etc.

Liants organiques(OBM)– substances d'origine organique capables de passer d'un état plastique à un état solide ou de faible plasticité à la suite d'une polymérisation ou d'une polycondensation.

Comparés aux MVM, ils sont moins fragiles et ont une plus grande résistance à la traction. Il s'agit notamment des produits formés lors du raffinage du pétrole (asphalte, bitume), des produits de décomposition thermique du bois (goudron), ainsi que des résines synthétiques thermodurcissables polyester, époxy, phénol-formaldéhyde. Ils sont utilisés dans la construction de routes, de ponts, de planchers de locaux industriels, de matériaux de toiture en rouleaux, de béton bitumineux polymère, etc.

Le silicium est un élément chimique du groupe IV du tableau périodique des éléments D.I. Mendeleïev. Découvert en 1811 par J. Gay-Lusac et L. Ternar. Son numéro de série est 14, sa masse atomique est de 28,08, son volume atomique est de 12,04 10 -6 m 3 /mol. Le silicium est un métalloïde et appartient au sous-groupe du carbone. Sa valence en oxygène est de +2 et +4. En termes d'abondance dans la nature, le silicium est juste derrière l'oxygène. Sa fraction massique dans la croûte terrestre est de 27,6 %. La croûte terrestre, selon V.I. Vernadsky, est constitué à plus de 97 % de silice et de silicates. Les composés d’oxygène et de silicium organique se trouvent également dans les plantes et les animaux.

Le silicium produit artificiellement peut être amorphe ou cristallin. Le silicium amorphe est une poudre brune, finement dispersée et hautement hygroscopique, selon les données de diffraction des rayons X, elle est constituée de minuscules cristaux de silicium. Il peut être obtenu en réduisant SiCl 4 avec de la vapeur de zinc à haute température.

Le silicium cristallin a une couleur gris acier et un éclat métallique. La densité du silicium cristallin à 20°C est de 2,33 g/cm3, celle du silicium liquide de 1723-2,51 et à 1903K de 2,445 g/cm3. Le point de fusion du silicium est de 1690 K, le point d'ébullition est de 3513 K. Selon les données, la pression de vapeur du silicium à T = 2500÷4000 K est décrite par l'équation log p Si = -20130/ T + 7,736, kPa. Chaleur de sublimation du silicium 452610, chaleur de fusion 49790, évaporation 385020 J/mol.

Les polycristaux de silicium se caractérisent par une dureté élevée (à 20°C HRC = 106). Cependant, le silicium est très fragile et possède donc une résistance à la compression élevée (σ SZh B ≈690 MPa) et une très faible résistance à la traction (σ B ≈ 16,7 MPa).

À température ambiante, le silicium est inerte et réagit uniquement avec le fluor, formant du 81P4 volatil. Parmi les acides, il ne réagit qu'avec l'acide nitrique en mélange avec l'acide fluorhydrique. Cependant, le silicium réagit assez facilement avec les alcalis. Une de ses réactions avec les alcalis

Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

utilisé pour produire de l’hydrogène. Dans le même temps, le silicium peut former un grand nombre de composés chimiquement résistants avec les non-métaux. Parmi ces composés, il faut noter les halogénures (de SiX 4 à Si n X 2n+2, où X est un halogène et n ≤ 25), leurs composés mixtes SiCl 3 B, SiFCl 3, etc., les oxychlorures Si 2 OCl 3, Si 3 O2Cl3 et d'autres, les nitrures Si 3 N 4, Si 2 N 3, SiN et les hydrures de formule générale Si n H 2n+2, et parmi les composés trouvés dans la production de ferroalliages - les sulfures volatils SiS et SiS 2 et le carbure réfractaire SiC.

Le silicium est également capable de produire des composés avec des métaux - siliciures, dont les plus importants sont les siliciures de fer, de chrome, de manganèse, de molybdène, de zirconium, ainsi que les métaux des terres rares et les métaux alcalins. Cette propriété du silicium - la capacité de produire des composés et des solutions chimiquement très forts avec des métaux - est largement utilisée dans la production de ferroalliages à faible teneur en carbone, ainsi que dans la réduction des alcalino-terreux à bas point d'ébullition (Ca, Mg, Ba) et métaux difficiles à réduire (Zr, Al…).

Les alliages de silicium et de fer ont été étudiés par P.V. Held et son école ont accordé une attention particulière à la partie du système Fe-Si liée aux alliages à haute teneur. Cela est dû au fait que, comme le montre le diagramme Fe-Si (Figure 1), un certain nombre de transformations se produisent dans les alliages de cette composition, affectant de manière significative la qualité du ferrosilicium de différentes qualités. Ainsi, le disiliciure FeSi 2 n'est stable qu'à basses températures (< 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.

Lors du refroidissement d'alliages contenant > 55,5 % de Si, la leboite à T< 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции

Fe 2 Si 5 → FeSi 2 + Si (2)

et alliages 33,86-50,07 % Si à T< 1255 К - по перитектоидной реакции

Fe 2 Si 5 + FeSi = 3 FeSi 2 (3)

Les alliages de composition intermédiaire (50,15-55,5% Si) subissent d'abord des transformations péritectoïde (3) à 1255 K, puis eutectoïde (2) à 1213 K. Ces transformations de Fe 2 Si 5 selon les réactions (2) et (3) s'accompagnent de modifications du volume de siliciure. Ce changement est particulièrement important au cours de la réaction (2) - environ 14 %, donc les alliages contenant de la leboite perdent leur continuité, se fissurent et même s'effritent. Avec une cristallisation lente et équilibrée (voir Figure 1), la leboite peut être libérée lors de la cristallisation des alliages FS75 et FS45.

Cependant, la fissuration associée à la décomposition eutectoïde de la leboite n'est qu'une des causes de désintégration. La deuxième raison, apparemment la principale, est que la formation de fissures le long des joints de grains crée la possibilité pour les liquides libérés le long de ces joints - phosphore, arsenic, sulfures et carbures d'aluminium, etc. - de réagir avec l'humidité de l'air dans des réactions qui résultat : H 2, PH 3, PH 4, AsH 4, etc. sont libérés dans l'atmosphère, et dans les fissures se trouvent des oxydes libres Al 2 O 3, SiO 2 et d'autres composés qui les font éclater. La désintégration des alliages peut être évitée en les modifiant avec du magnésium, en les alliant avec des additifs d'éléments qui affinent le grain (V, Ti, Zg, etc.) ou le rendent plus plastique. Le raffinement du grain réduit la concentration d'impuretés et de leurs composés à ses limites et affecte les propriétés des alliages de la même manière qu'une diminution générale de la concentration d'impuretés dans l'alliage (P, Al, Ca), qui contribuent à la désintégration. Les propriétés thermodynamiques des alliages Fe-Si (chaleur de mélange, activité, solubilité du carbone) ont été étudiées en détail et se retrouvent dans les travaux. Des informations sur la solubilité du carbone dans les alliages Fe-Si sont données dans la figure 2, sur l'activité du silicium - dans le tableau 1.

Figure 1. — Diagramme d'état du système Fe-Si

Les propriétés physicochimiques des composés oxygène-silicium ont été étudiées par P.V. Geld et son équipe. Malgré l'importance du système Si-O, son schéma n'a pas encore été construit. Actuellement, deux composés oxygénés du silicium sont connus : la silice SiO 2 et le monoxyde SiO. Il existe également des indications dans la littérature sur l'existence d'autres composés oxygénés du silicium - Si 2 O 3 et Si 3 O 4, mais il n'y a aucune information sur leurs propriétés chimiques et physiques.

Dans la nature, le silicium est représenté uniquement par la silice SiO 2. Ce composé de silicium est différent :

1) dureté élevée (sur l'échelle de Mohs 7) et caractère réfractaire (T pl = 1996 K) ;

2) point d'ébullition élevé (T KIP = 3532 K). La pression de vapeur de la silice peut être décrite par les équations (Pa) :

3) la formation d'un grand nombre de modifications :

Une caractéristique des transformations allotropiques de SiO 2 est qu'elles s'accompagnent de changements importants dans la densité et le volume de la substance, qui peuvent provoquer des fissures et des écrasements de la roche ;

4) forte tendance à l'hypothermie. Par conséquent, grâce à un refroidissement rapide, il est possible de fixer la structure à la fois de la masse fondue liquide (verre) et des modifications à haute température de la β-cristobalite et de la tridymite. Au contraire, avec un chauffage rapide, il est possible de faire fondre le quartz en contournant les structures de tridymite et de cristobalite. Dans ce cas, le point de fusion de SiO 2 diminue d'environ 100 °C ;

5) résistance électrique élevée. Par exemple, à 293 K, c'est 1,10,12 Ohm*m. Cependant, avec l'augmentation de la température, la résistance électrique du SiO 2 diminue, et à l'état liquide, la silice est un bon conducteur ;

6) haute viscosité. Ainsi, à 2073 K la viscosité est de 1 10 4 Pa ​​​​s, et à 2273 K elle est de 280 Pa s.

Ce dernier, selon N.V. Solomin, s'explique par le fait que SiO 2, comme les polymères organiques, est capable de former des chaînes qui à 2073 K sont constituées de 700, et à 2273 K - de 590 molécules de SiO 2 ;

7) stabilité thermique élevée. L'énergie de Gibbs de la formation de SiO 2 à partir d'éléments, compte tenu de leur état d'agrégation conformément aux données, est décrite avec une grande précision par les équations :

Ces données, comme le montre le tableau 2, diffèrent quelque peu des données des auteurs. Pour les calculs thermodynamiques, des équations à deux termes peuvent également être utilisées :

Le monoxyde de silicium SiO a été découvert en 1895 par Potter dans la phase gazeuse des fours électriques. Il est désormais établi de manière fiable que SiO existe également sous forme de phases condensées. Selon les recherches de P.V. Gelda, l'oxyde a une faible densité (2,15 g/cm 3) et une résistance électrique élevée (10 5 -10 6 Ohm*m). L'oxyde condensé est fragile, sa dureté sur l'échelle de Mohs est d'environ 5. En raison de sa forte volatilité, le point de fusion n'a pas pu être déterminé expérimentalement. Selon O. Kubashevsky, elle est égale à 1875 K, selon Berezhny, elle est 1883 K. La chaleur de fusion de SiO est plusieurs fois supérieure à ΔH 0 SiO2, selon les données elle est égale à 50242 J/mol. Apparemment, en raison de la volatilité, il est surestimé. Il présente une cassure vitreuse, sa couleur varie du blanc au chocolat, ce qui est probablement dû à son oxydation par l'oxygène de l'air. La fracture fraîche de SiO a généralement une couleur semblable à celle d'un pois avec un éclat gras. L'oxyde n'est thermodynamiquement stable qu'à haute température sous forme de SiO(G). Une fois refroidi, l'oxyde se disproportionne selon la réaction

2SiO (G) = SiO (L) + SiO 2 (6)

Le point d’ébullition de SiO peut être estimé grossièrement à partir de l’équation :

L'oxyde de silicium gazeux est thermodynamiquement très stable. L'énergie de Gibbs de sa formation peut être décrite par les équations (voir tableau 2) :

d'où il ressort clairement que la résistance chimique du SiO, comme du CO, augmente avec l'augmentation de la température, ce qui en fait un excellent agent réducteur pour de nombreuses substances.

Pour l'analyse thermodynamique, des équations à deux termes peuvent également être utilisées :

La composition des gaz sur SiO 2 a été estimée par I.S. Koulikov. En fonction de la température, la teneur en SiO sur SiO 2 est décrite par les équations :

Le carbure de silicium, comme SiO, est l'un des composés intermédiaires formés lors de la réduction de SiO 2. Le carbure a un point de fusion élevé.

Selon la pression, il résiste jusqu'à 3033-3103 K (Figure 3). A haute température, le carbure de silicium se sublime. Cependant, la pression de vapeur de Si (G), Si 2 C (G), SiC 2 (G) au dessus du carbure à T< 2800К невелико, что следует из уравнения

Le carbure existe sous la forme de deux modifications : le β-SiC cubique à basse température et le α-SiC hexagonal à haute température. Dans les fours à ferroalliages, on ne trouve généralement que du β-SiC. Comme l'ont montré les calculs utilisant les données, l'énergie de formation de Gibbs est décrite par les équations :

qui diffèrent sensiblement des données. De ces équations, il résulte que le carbure est thermiquement résistant jusqu'à 3194 K. En termes de propriétés physiques, le carbure se distingue par une dureté élevée (~ 10), une résistance électrique élevée (à 1273 K p≈0,13 ⋅ 10 4 μOhm ⋅ m), densité accrue (3,22 g /cm 3) et haute résistance en atmosphère réductrice et oxydante.

Le carbure pur est d'apparence incolore et possède des propriétés semi-conductrices qui sont conservées à haute température. Le carbure de silicium technique contient des impuretés et est donc coloré en vert ou en noir. Ainsi, le carbure vert contient 0,5 à 1,3 % d'impuretés (0,1 à 0,3 % de C, 0,2 à 1,2 % de Si + SiO 2, 0,05 à 0,20 % de Fe 2 O 3 , 0,01 à 0,08 % d'Al 2 O 3, etc.). Le carbure noir a une teneur en impuretés plus élevée (1 à 2 %).

Le carbone est utilisé comme agent réducteur dans la production d’alliages de silicium. C’est également la principale substance à partir de laquelle sont fabriqués les électrodes et les revêtements des fours électriques qui fondent le silicium et ses alliages. Le carbone est assez courant dans la nature, sa teneur dans la croûte terrestre est de 0,14 %. Dans la nature, on le trouve aussi bien à l'état libre que sous forme de composés organiques et inorganiques (principalement des carbonates).

Le carbone (graphite) a un réseau cubique hexagonal. La densité des rayons X du graphite est de 2,666 g/cm3, celle pycnométrique de 2,253 g/cm3. Il se caractérise par des points de fusion élevés (~ 4 000 °C) et des points d'ébullition (~ 4 200 °C), augmentant avec l'augmentation de la résistance électrique à la température (à 873 K p≈9,6 μOhm⋅m, à 2273 K p≈ 15,0 μOhm⋅m) , assez résistant. Sa résistance temporaire sur les moustaches peut être de 480 à 500 MPa. Cependant, le graphite d'électrode a σ in = 3,4÷17,2 MPa. La dureté du graphite sur l'échelle de Mohs est de ~ 1.

Le carbone est un excellent agent réducteur. Cela est dû au fait que la force de l’un de ses composés oxygénés (CO) augmente avec l’augmentation de la température. Cela ressort clairement de l'énergie de Gibbs de sa formation, qui, comme le montrent nos calculs utilisant les données, est bien décrite comme une énergie à trois termes.

et équations à deux termes :

Le dioxyde de carbone CO 2 n'est thermodynamiquement fort que jusqu'à 1 300 K. L'énergie de Gibbs de formation de CO 2 est décrite par les équations :

Diapositive 2

Être dans la nature.

Parmi les nombreux éléments chimiques sans lesquels l’existence de la vie sur Terre est impossible, le carbone est le principal. Plus de 99 % du carbone présent dans l’atmosphère est contenu sous forme de dioxyde de carbone. Environ 97 % du carbone des océans existe sous forme dissoute () et dans la lithosphère, sous forme de minéraux. Le carbone élémentaire est présent dans l’atmosphère en petites quantités sous forme de graphite et de diamant, et dans le sol sous forme de charbon de bois.

Diapositive 3

Position dans le PSHE. Caractéristiques générales des éléments du sous-groupe carbone.

Le sous-groupe principal du groupe IV du tableau périodique de D.I. Mendeleev est formé de cinq éléments : le carbone, le silicium, le germanium, l'étain et le plomb. En raison du fait que du carbone au plomb, le rayon de l'atome augmente, la taille des atomes augmente, la capacité d'attacher des électrons et, par conséquent, les propriétés non métalliques s'affaiblissent et la facilité d'abandon des électrons augmente. .

Diapositive 4

Ingénierie électronique

À l'état normal, les éléments de ce sous-groupe présentent une valence égale à 2. Lors du passage à un état excité, accompagné de la transition de l'un des électrons s de la couche externe vers une cellule libre du sous-niveau p du même niveau, tous les électrons de la couche externe deviennent désappariés et la valence augmente jusqu'à 4.

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Méthodes de production : laboratoire et industrielle.

Carbone Combustion incomplète du méthane : CH4 + O2 = C + 2H2O Monoxyde de carbone (II) Dans l'industrie : Le monoxyde de carbone (II) est produit dans des fours spéciaux appelés générateurs de gaz à la suite de deux réactions séquentielles. Dans la partie inférieure du générateur de gaz, où il y a suffisamment d'oxygène, une combustion complète du charbon se produit et du monoxyde de carbone (IV) se forme : C + O2 = CO2 + 402 kJ.

Diapositive 6

Lorsque le monoxyde de carbone (IV) se déplace de bas en haut, il entre en contact avec du charbon chaud : CO2 + C = CO – 175 kJ. Le gaz résultant est constitué d’azote libre et de monoxyde de carbone (II). Ce mélange est appelé gaz générateur. Dans les générateurs de gaz, la vapeur d'eau est parfois soufflée à travers du charbon chaud : C + H2O = CO + H2 – Q, « CO + H2 » - eau gazeuse. Au laboratoire : Agir sur l'acide formique avec de l'acide sulfurique concentré, qui lie l'eau : HCOOH  H2O + CO.

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Monoxyde de carbone (IV) Dans l'industrie : Sous-produit de la production de chaux : CaCO3 CaO + CO2. En laboratoire : Lorsque les acides interagissent avec la craie ou le marbre : CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2+ H2O. Carbures Les carbures sont produits par calcination de métaux ou de leurs oxydes avec du charbon.

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L'acide carbonique est préparé en dissolvant le monoxyde de carbone (IV) dans l'eau. L’acide carbonique étant un composé très faible, cette réaction est réversible : CO2 + H2O H2CO3. Silicium Dans l'industrie : Lors du chauffage d'un mélange de sable et de charbon : 2C + SiO2Si + 2CO. En laboratoire : Lorsqu'un mélange de sable pur interagit avec de la poudre de magnésium : 2Mg + SiO2  2MgO + Si.

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L'acide silicique est obtenu par action d'acides sur des solutions de ses sels. Parallèlement, il précipite sous forme d'un précipité gélatineux : Na2SiO3 + HCl  2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3

Diapositive 10

Modifications allotropiques du carbone.

Le carbone existe sous trois modifications allotropiques : le diamant, le graphite et le carbyne.

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Graphite.

Le graphite mou a une structure en couches. Opaque, gris avec un éclat métallique. Il conduit assez bien l’électricité grâce à la présence d’électrons mobiles. Glissant au toucher. L'un des plus doux parmi les solides. Fig.2 Modèle de réseau de graphite.

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Diamant.

Le diamant est la substance naturelle la plus dure. Les cristaux de diamant sont très appréciés à la fois comme matériau technique et comme décoration précieuse. Un diamant bien poli est un diamant. Réfractant les rayons de lumière, il scintille des couleurs pures et lumineuses de l’arc-en-ciel. Le plus gros diamant jamais trouvé pèse 602 g, a une longueur de 11 cm, une largeur de 5 cm et une hauteur de 6 cm. Ce diamant a été trouvé en 1905 et s'appelle « Callian ». Fig. 1 Modèle en treillis de diamant.

Diapositive 13

Carbyne et Carbone Miroir.

La carbyne est une poudre noire profonde entrecoupée de particules plus grosses. Le carbyne est la forme de carbone élémentaire la plus thermodynamiquement stable. Le carbone miroir a une structure en couches. L’une des caractéristiques les plus importantes du carbone miroir (outre la dureté, la résistance aux températures élevées, etc.) est sa compatibilité biologique avec les tissus vivants.

Diapositive 14

Propriétés chimiques.

Les alcalis convertissent le silicium en sels d'acide silicique avec libération d'hydrogène : Si + 2KOH + H2O = K2Si03 + 2H2 Le carbone et le silicium ne réagissent avec l'eau qu'à haute température : C + H2O ¬ CO + H2 Si + 3H2O = H2SiO3 + 2H2 Carbone, contrairement au le silicium interagit directement avec l'hydrogène : C + 2H2 = CH4

Diapositive 15

Carbures.

Les composés du carbone avec des métaux et d'autres éléments électropositifs par rapport au carbone sont appelés carbures. Lorsque le carbure d'aluminium interagit avec l'eau, du méthane se forme. Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4. Lorsque le carbure de calcium interagit avec l'eau, de l'acétylène se forme : CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2.

Caractéristiques générales du quatrième groupe du sous-groupe principal :

• a) propriétés des éléments du point de vue de la structure atomique ;
• b) état d'oxydation ;
• c) propriétés des oxydes ;
• d) propriétés des hydroxydes ;
• e) composés hydrogènes.

a) Carbone (C), silicium (Si), germanium (Ge), étain (Sn), plomb (Pb) - éléments du groupe 4 du sous-groupe principal du PSE. Sur la couche électronique externe, les atomes de ces éléments ont 4 électrons : ns 2 np 2. Dans un sous-groupe, à mesure que le numéro atomique d'un élément augmente, le rayon atomique augmente, les propriétés non métalliques s'affaiblissent et les propriétés métalliques augmentent : le carbone et le silicium sont des non-métaux, le germanium, l'étain, le plomb sont des métaux.

b) Les éléments de ce sous-groupe présentent des états d'oxydation positifs et négatifs : -4, +2, +4.

c) Les oxydes supérieurs de carbone et de silicium (C0 2, Si0 2) ont des propriétés acides, les oxydes des éléments restants du sous-groupe sont amphotères (Ge0 2, Sn0 2, Pb0 2).

d) Les acides carbonique et silicique (H 2 CO 3, H 2 SiO 3) sont des acides faibles. Les hydroxydes de germanium, d'étain et de plomb sont amphotères et présentent de faibles propriétés acides et basiques : H 2 GeO 3 = Ge(OH) 4, H 2 SnO 3 = Sn(OH) 4, H 2 PbO 3 = Pb(OH) 4.

e) Composés hydrogènes :

CH4; SiH4, GeH4. SnH4, PbH4. Méthane - CH 4 est un composé fort, le silane SiH 4 est un composé moins fort.

Schémas de la structure des atomes de carbone et de silicium, propriétés générales et distinctives.

Avec lS 2 2S 2 2p 2 ;

Si 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3p 2 .

Le carbone et le silicium sont des non-métaux car il y a 4 électrons dans la couche électronique externe. Mais comme le silicium a un rayon atomique plus grand, il est plus susceptible de donner des électrons que le carbone. Carbone - agent réducteur :

Tâche. Comment prouver que le graphite et le diamant sont des modifications allotropiques du même élément chimique ? Comment expliquer les différences dans leurs propriétés ?

Solution. Le diamant et le graphite, lorsqu'ils sont brûlés dans l'oxygène, forment du monoxyde de carbone (IV) C0 2 qui, lorsqu'il passe dans l'eau de chaux, produit un précipité blanc de carbonate de calcium CaC0 3.

C + 0 2 = CO 2 ; C0 2 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 v - H 2 O.

De plus, le diamant peut être obtenu à partir du graphite par chauffage sous haute pression. Par conséquent, le graphite et le diamant ne contiennent que du carbone. La différence dans les propriétés du graphite et du diamant s'explique par la différence dans la structure du réseau cristallin.

Dans le réseau cristallin du diamant, chaque atome de carbone est entouré de quatre autres. Les atomes sont situés à égale distance les uns des autres et sont très étroitement liés les uns aux autres par des liaisons covalentes. Ceci explique la grande dureté du diamant.

Le graphite possède des atomes de carbone disposés en couches parallèles. La distance entre les couches adjacentes est bien plus grande qu’entre les atomes adjacents d’une couche. Cela entraîne une faible force de liaison entre les couches et, par conséquent, le graphite se divise facilement en fines paillettes, elles-mêmes très résistantes.

Composés avec l'hydrogène qui forment du carbone. Formules empiriques, type d'hybridation des atomes de carbone, valence et états d'oxydation de chaque élément.

L'état d'oxydation de l'hydrogène dans tous les composés est +1.

La valence de l'hydrogène est un, celle du carbone est quatre.

Formules des acides carbonique et silicique, leurs propriétés chimiques vis-à-vis des métaux, oxydes, bases, propriétés spécifiques.

H 2 CO 3 - acide carbonique,

H 2 SiO 3 - acide silicique.

H 2 CO 3 - existe uniquement en solution :

H 2 C0 3 = H 2 O + C0 2

H 2 SiO 3 est une substance solide, pratiquement insoluble dans l'eau, donc les cations hydrogène dans l'eau ne sont pratiquement pas séparés. À cet égard, une propriété générale des acides telle que l'effet sur les indicateurs n'est pas détectée par H 2 SiO 3, elle est encore plus faible que l'acide carbonique ;

H 2 SiO 3 est un acide fragile et se décompose progressivement lorsqu'il est chauffé :

H 2 SiO 3 = Si0 2 + H 2 0.

H 2 CO 3 réagit avec les métaux, les oxydes métalliques, les bases :

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

Propriétés chimiques de l'acide carbonique :

• 1) commun avec d'autres acides,
• 2) propriétés spécifiques.

Confirmez votre réponse avec des équations de réaction.

1) réagit avec les métaux actifs :

Tâche. À l'aide de réactions chimiques, séparez le mélange d'oxyde de silicium (IV), de carbonate de calcium et d'argent, en dissolvant séquentiellement les composants du mélange. Décrivez la séquence d'actions.

Solution.

1) une solution d'acide chlorhydrique a été ajoutée au mélange.