Uhlík a kremík v prírode. Abstrakt: Chemické zlúčeniny na báze kremíka a uhlíka

Ako nezávislý chemický prvok sa kremík stal známym ľudstvu až v roku 1825. Čo, samozrejme, nebránilo použitiu zlúčenín kremíka v toľkých oblastiach, že je jednoduchšie vymenovať tie, kde sa prvok nepoužíva. Tento článok osvetlí fyzikálne, mechanické a užitočné chemické vlastnosti kremíka a jeho zlúčenín, aplikácie a povieme si aj to, ako kremík ovplyvňuje vlastnosti ocele a iných kovov.

Najprv sa pozrime na všeobecné charakteristiky kremíka. Od 27,6 do 29,5 % hmotnosti zemskej kôry tvorí kremík. V morskej vode je koncentrácia prvku tiež značná – až 3 mg/l.

Z hľadiska množstva v litosfére je kremík na druhom mieste po kyslíku. Jeho najznámejšou formou, oxidom kremičitým, je však oxid a práve jeho vlastnosti sa stali základom pre také široké využitie.

Toto video vám povie, čo je kremík:

Koncept a vlastnosti

Kremík je nekov, ale za rôznych podmienok môže vykazovať kyslé aj zásadité vlastnosti. Je to typický polovodič a v elektrotechnike je mimoriadne široko používaný. Jeho fyzikálne a chemické vlastnosti sú do značnej miery určené jeho alotropným stavom. Najčastejšie sa zaoberajú kryštalickou formou, pretože jej kvality sú v národnom hospodárstve viac žiadané.

• Kremík je jedným zo základných makroprvkov v ľudskom tele. Jeho nedostatok nepriaznivo ovplyvňuje stav kostného tkaniva, vlasov, kože a nechtov. Okrem toho kremík ovplyvňuje výkonnosť imunitného systému.
• V medicíne prvok alebo skôr jeho zlúčeniny našli svoje prvé uplatnenie práve v tejto funkcii. Voda zo studní vystlaných kremíkom bola nielen čistá, ale mala aj pozitívny vplyv na odolnosť voči infekčným chorobám. Dnes zlúčeniny s kremíkom slúžia ako základ liekov proti tuberkulóze, ateroskleróze a artritíde.
• Vo všeobecnosti je nekov málo aktívny, ale je ťažké ho nájsť v čistej forme. Je to spôsobené tým, že na vzduchu je rýchlo pasivovaný vrstvou oxidu a prestáva reagovať. Pri zahrievaní sa chemická aktivita zvyšuje. V dôsledku toho je ľudstvo oveľa lepšie oboznámené so zlúčeninami hmoty ako so sebou samým.

Kremík teda tvorí zliatiny takmer so všetkými kovmi – silicidy. Všetky sa vyznačujú žiaruvzdornosťou a tvrdosťou a používajú sa vo vhodných oblastiach: plynové turbíny, ohrievače pecí.

Nekov je umiestnený v tabuľke D.I. Mendelejeva v skupine 6 spolu s uhlíkom a germániom, čo naznačuje určitú zhodu s týmito látkami. Čo má teda spoločné s uhlíkom, je jeho schopnosť vytvárať zlúčeniny organického typu. Zároveň kremík, podobne ako germánium, môže pri niektorých chemických reakciách vykazovať vlastnosti kovu, ktorý sa využíva pri syntéze.

Výhody a nevýhody

Ako každá iná látka z hľadiska použitia v národnom hospodárstve má kremík určité užitočné alebo nie veľmi užitočné vlastnosti. Sú dôležité práve pre určenie oblasti použitia.

• Významnou výhodou látky je jej dostupnosť. V prírode sa síce nenachádza vo voľnej forme, ale predsa len technológia výroby kremíka nie je až taká zložitá, aj keď je energeticky náročná.
• Druhá najdôležitejšia výhoda je tvorba mnohých zlúčenín s nezvyčajne užitočnými vlastnosťami. Patria sem silány, silicidy, oxid a samozrejme široká škála silikátov. Schopnosť kremíka a jeho zlúčenín vytvárať komplexné tuhé roztoky je takmer nekonečná, čo umožňuje nekonečne získavať širokú škálu variácií skla, kameňa a keramiky.
• Vlastnosti polovodičov nekov jej poskytuje miesto ako základný materiál v elektrotechnike a rádiotechnike.
• Nekov je netoxický, ktorý umožňuje použitie v akomkoľvek odvetví a zároveň nepremieňa technologický proces na potenciálne nebezpečný.

Medzi nevýhody materiálu patrí iba relatívna krehkosť s dobrou tvrdosťou. Kremík sa nepoužíva na nosné konštrukcie, ale táto kombinácia umožňuje správne opracovanie povrchu kryštálov, čo je dôležité pre výrobu nástrojov.

Poďme si teraz povedať o základných vlastnostiach kremíka.

Vlastnosti a charakteristiky

Keďže kryštalický kremík sa najčastejšie používa v priemysle, dôležitejšie sú jeho vlastnosti, ktoré sú uvedené v technických špecifikáciách. Fyzikálne vlastnosti látky sú nasledovné:

• teplota topenia – 1417 C;
• bod varu – 2600 C;
• hustota je 2,33 g/cu. cm, čo naznačuje krehkosť;
• tepelná kapacita, ako aj tepelná vodivosť nie sú konštantné ani na najčistejších vzorkách: 800 J/(kg K), alebo 0,191 cal/(g deg) a 84-126 W/(m K), alebo 0,20-0, 30 cal/(cm.sec.deg);
• transparentné až dlhovlnné infračervené žiarenie, ktoré sa používa v infračervenej optike;
• dielektrická konštanta – 1,17;
• tvrdosť na Mohsovej stupnici – 7.

Elektrické vlastnosti nekovu sú vysoko závislé od nečistôt. V priemysle sa táto funkcia využíva moduláciou požadovaného typu polovodiča. Pri bežných teplotách je kremík krehký, ale pri zahriatí nad 800 C je možná plastická deformácia.

Vlastnosti amorfného kremíka sú nápadne odlišné: je vysoko hygroskopický a reaguje oveľa aktívnejšie aj pri normálnych teplotách.

Štruktúra a chemické zloženie, ako aj vlastnosti kremíka sú diskutované vo videu nižšie:

Zloženie a štruktúra

Kremík existuje v dvoch alotropných formách, ktoré sú pri normálnych teplotách rovnako stabilné.

• Crystal má vzhľad tmavosivého prášku. Látka, hoci má kryštálovú mriežku podobnú diamantu, je krehká v dôsledku príliš dlhých väzieb medzi atómami. Zaujímavé sú jeho polovodičové vlastnosti.
• Pri veľmi vysokých tlakoch sa môžete dostať šesťuholníkový modifikácia s hustotou 2,55 g/cu. cm Táto fáza však zatiaľ nenašla praktický význam.
• Amorfný– hnedo-hnedý prášok. Na rozdiel od kryštalickej formy reaguje oveľa aktívnejšie. Dôvodom nie je ani tak inertnosť prvej formy, ale skutočnosť, že vo vzduchu je látka pokrytá vrstvou oxidu uhličitého.

Okrem toho je potrebné vziať do úvahy ďalší typ klasifikácie súvisiaci s veľkosťou kryštálu kremíka, ktoré spolu tvoria látku. Kryštalická mriežka, ako je známe, predpokladá usporiadanie nielen atómov, ale aj štruktúr, ktoré tieto atómy tvoria - takzvaný ďalekonosný poriadok. Čím je väčšia, tým homogénnejšia bude látka vo vlastnostiach.

• Monokryštalický– vzorka je jeden kryštál. Jeho štruktúra je maximálne usporiadaná, jeho vlastnosti sú homogénne a dobre predvídateľné. Ide o materiál, ktorý je v elektrotechnike najžiadanejší. Je to však aj jeden z najdrahších druhov, keďže proces jeho získavania je zložitý a rýchlosť rastu je nízka.
• Multikryštalický– vzorka pozostáva z množstva veľkých kryštalických zŕn. Hranice medzi nimi tvoria ďalšie úrovne defektov, čo znižuje výkon vzorky ako polovodiča a vedie k rýchlejšiemu opotrebovaniu. Technológia pestovania multikryštálov je jednoduchšia, a preto je materiál lacnejší.
• Polykryštalický– pozostáva z veľkého počtu zŕn umiestnených náhodne voči sebe. Ide o najčistejší typ priemyselného kremíka, ktorý sa používa v mikroelektronike a solárnej energii. Pomerne často sa používa ako surovina na pestovanie multi- a monokryštálov.
• Samostatnú pozíciu v tejto klasifikácii zaujíma aj amorfný kremík. Tu je poradie atómov zachované len na najkratších vzdialenostiach. V elektrotechnike sa však stále používa vo forme tenkých vrstiev.

Nekovová výroba

Získanie čistého kremíka nie je také jednoduché, vzhľadom na inertnosť jeho zlúčenín a vysokú teplotu topenia väčšiny z nich. V priemysle sa najčastejšie uchyľujú k redukcii uhlíkom z oxidu uhličitého. Reakcia prebieha v oblúkových peciach pri teplote 1800 C. Týmto spôsobom sa získa nekov s čistotou 99,9 %, čo na jeho použitie nestačí.

Výsledný materiál sa chlóruje za vzniku chloridov a hydrochloridov. Potom sú zlúčeniny čistené všetkými možnými metódami od nečistôt a redukované vodíkom.

Látka sa môže čistiť aj získaním silicidu horečnatého. Silicid je vystavený pôsobeniu kyseliny chlorovodíkovej alebo octovej. Získa sa silán, ktorý sa čistí rôznymi metódami - sorpciou, rektifikáciou atď. Potom sa silán rozloží na vodík a kremík pri teplote 1000 C. V tomto prípade sa získa látka s podielom nečistôt 10 -8 -10 -6 %.

Aplikácia látky

Pre priemysel sú elektrofyzikálne vlastnosti nekovov najzaujímavejšie. Jeho monokryštálová forma je polovodič s nepriamou medzerou. Jeho vlastnosti sú určené nečistotami, čo umožňuje získať kryštály kremíka so špecifikovanými vlastnosťami. Pridanie bóru a india teda umožňuje pestovať kryštál s dierovou vodivosťou a zavedenie fosforu alebo arzénu umožňuje pestovať kryštál s elektrónovou vodivosťou.

• Kremík doslova slúži ako základ modernej elektrotechniky. Vyrábajú sa z neho tranzistory, fotobunky, integrované obvody, diódy atď. Navyše o funkčnosti zariadenia takmer vždy rozhoduje len povrchová vrstva kryštálu, ktorá určuje veľmi špecifické požiadavky na povrchovú úpravu.
• V metalurgii sa technický kremík používa ako modifikátor zliatiny - dáva väčšiu pevnosť, ako aj ako zložka - napríklad v a ako deoxidačné činidlo - pri výrobe liatiny.
• Ultračisté a vyčistené hutnícke materiály tvoria základ slnečnej energie.
• Nekovový oxid sa v prírode vyskytuje v mnohých rôznych formách. Jeho krištáľové odrody - opál, achát, karneol, ametyst, horský krištáľ - našli svoje miesto v šperkoch. V metalurgii, stavebníctve a rádioelektronike sa používajú modifikácie, ktoré nie sú až také atraktívne - pazúrik, kremeň.
• Zlúčenina nekovu s uhlíkom, karbid, sa používa v metalurgii, výrobe nástrojov a chemickom priemysle. Je to polovodič so širokou medzerou, ktorý sa vyznačuje vysokou tvrdosťou - 7 na Mohsovej stupnici a pevnosťou, ktorá umožňuje jeho použitie ako brúsneho materiálu.
• Silikáty – teda soli kyseliny kremičitej. Nestabilný, ľahko sa rozkladá vplyvom teploty. Ich pozoruhodnou vlastnosťou je, že tvoria početné a rozmanité soli. Ale posledné sú základom pre výrobu skla, keramiky, kameniny, krištáľu atď. Môžeme s istotou povedať, že moderná konštrukcia je založená na rôznych silikátoch.
• Sklo tu predstavuje najzaujímavejší prípad. Jeho základom sú hlinitokremičitany, ale nepatrné prímesi iných látok – zvyčajne oxidov – dodávajú materiálu množstvo rôznych vlastností vrátane farby. -, kamenina, porcelán má v skutočnosti rovnaký vzorec, aj keď s iným pomerom zložiek a jeho rozmanitosť je tiež úžasná.
• Nekov má ešte jednu schopnosť: tvorí zlúčeniny ako uhlík, vo forme dlhého reťazca atómov kremíka. Takéto zlúčeniny sa nazývajú organokremičité zlúčeniny. Rozsah ich použitia je nemenej známy - sú to silikóny, tmely, mazivá atď.

Kremík je veľmi bežným prvkom a má nezvyčajne veľký význam v mnohých oblastiach národného hospodárstva. Okrem toho sa aktívne používa nielen samotná látka, ale všetky jej rôzne a početné zlúčeniny.

Toto video vám povie o vlastnostiach a použití kremíka:

Stručný porovnávací popis prvkov uhlíka a kremíka je uvedený v tabuľke 6.

Tabuľka 6

Porovnávacie charakteristiky uhlíka a kremíka

Porovnávacie kritériá	Uhlík - C	Kremík – Si
miesto v periodickej tabuľke chemických prvkov	, 2. obdobie, IV skupina, hlavná podskupina	, 3. obdobie, IV skupina, hlavná podskupina
elektrónová konfigurácia atómov
valenčné možnosti	II – v stacionárnom stave IV – v excitovanom stave
možné oxidačné stavy	, , , , ,	,
vyšší oxid	, kyslý	, kyslý
vyšší hydroxid	– slabá nestabilná kyselina	() alebo – slabá kyselina, má polymérnu štruktúru
vodíkové spojenie	- metán (uhľovodík)	– silán, nestabilný

Uhlík. Uhlíkový prvok sa vyznačuje alotropiou. Uhlík existuje vo forme týchto jednoduchých látok: diamant, grafit, karbín, fulerén, z ktorých je termodynamicky stabilný iba grafit. Uhlie a sadze možno považovať za amorfné odrody grafitu.

Grafit je žiaruvzdorný, mierne prchavý, chemicky inertný pri bežných teplotách a je to nepriehľadná, mäkká látka, ktorá slabo vedie prúd. Štruktúra grafitu je vrstvená.

Alamaz je mimoriadne tvrdá, chemicky inertná (do 900 °C) látka, nevedie prúd a zle vedie teplo. Štruktúra diamantu je tetraedrická (každý atóm v štvorstene je obklopený štyrmi atómami atď.). Preto je diamant najjednoduchším polymérom, ktorého makromolekula pozostáva len z atómov uhlíka.

Karbyn má lineárnu štruktúru ( – karbín, polyín) alebo ( – karbín, polyén). Je to čierny prášok a má polovodičové vlastnosti. Pod vplyvom svetla sa zvyšuje elektrická vodivosť karbínu a pri teplote karbín sa mení na grafit. Chemicky aktívnejší ako grafit. Syntetizovaný na začiatku 60. rokov 20. storočia, neskôr bol objavený v niektorých meteoritoch.

Fullerén je alotropická modifikácia uhlíka tvorená molekulami so štruktúrou „futbalového“ typu. Boli syntetizované molekuly a iné fullerény. Všetky fullerény sú uzavreté štruktúry atómov uhlíka v hybridnom stave. Nehybridizované väzbové elektróny sú delokalizované ako v aromatických zlúčeninách. Kryštály fulerénu sú molekulárneho typu.

kremík. Kremík nie je charakterizovaný väzbami a neexistuje v hybridnom stave. Preto existuje len jedna stabilná alotropická modifikácia kremíka, ktorej kryštálová mriežka je podobná mriežke diamantu. Kremík je tvrdý (na Mohsovej stupnici tvrdosť 7), žiaruvzdorný ( ), veľmi krehká látka tmavosivej farby s kovovým leskom za štandardných podmienok - polovodič. Chemická aktivita závisí od veľkosti kryštálov (veľké kryštalické sú menej aktívne ako amorfné).

Reaktivita uhlíka závisí od alotropickej modifikácie. Uhlík vo forme diamantu a grafitu je celkom inertný, odolný voči kyselinám a zásadám, čo umožňuje vyrábať z grafitu tégliky, elektródy atď. Uhlík vykazuje vyššiu reaktivitu vo forme uhlia a sadzí.

Kryštalický kremík je celkom inertný v amorfnej forme je aktívnejší.

Hlavné typy reakcií odrážajúcich chemické vlastnosti uhlíka a kremíka sú uvedené v tabuľke 7.

Tabuľka 7

Základné chemické vlastnosti uhlíka a kremíka

reakcia s	uhlíka	reakcia s	kremík
jednoduché látky	kyslík		kyslík
halogény		halogény
sivá		uhlíka
vodík		vodík	nereaguje
kovy		kovy
komplexné látky	oxidy kovov		alkálie
vodná para		kyseliny	nereaguje
kyseliny

Cementovacie materiály

Cementovacie materiály – minerálne alebo organické stavebné materiály používané na výrobu betónu, upevňovanie jednotlivých prvkov stavebných konštrukcií, hydroizolácie a pod..

Minerálne spojivá(MVM) – jemne mleté ​​práškové materiály (cementy, sadra, vápno a pod.), ktoré po zmiešaní s vodou (v niektorých prípadoch s roztokmi solí, kyselín, zásad) vytvoria plastickú spracovateľnú hmotu, ktorá stvrdne do trvácneho kameňa a viaže častice pevných agregátov a výstuže do monolitického celku.

K vytvrdzovaniu MVM dochádza v dôsledku procesov rozpúšťania, tvorby presýteného roztoku a koloidnej hmoty; tento čiastočne alebo úplne kryštalizuje.

Klasifikácia MVM:

1. hydraulické spojivá:

Po zmiešaní s vodou (miešanie) stvrdnú a naďalej si zachovávajú alebo zvyšujú svoju pevnosť vo vode. Patria sem rôzne cementy a hydraulické vápno. Keď hydraulické vápno tuhne, CaO interaguje s vodou a oxidom uhličitým vo vzduchu a výsledný produkt kryštalizuje. Používajú sa pri výstavbe nadzemných, podzemných a hydraulických stavieb vystavených neustálemu pôsobeniu vody.

2. vzduchové spojivá:

Po zmiešaní s vodou stvrdnú a svoju pevnosť si zachovajú iba na vzduchu. Patria sem sýtené vápno, sadrovo-anhydritové a magnéziové sýtené spojivá.

3. Spojivá odolné voči kyselinám:

Pozostávajú najmä z kyselinovzdorného cementu obsahujúceho jemne mletú zmes kremenného piesku a; Spravidla sú utesnené vodnými roztokmi kremičitanu sodného alebo draselného, ​​pri vystavení kyselinám si dlho zachovávajú svoju pevnosť. Počas tvrdnutia dochádza k reakcii. Používa sa na výrobu kyselinovzdorných tmelov, mált a betónu pri výstavbe chemických závodov.

4. Autoklávové vytvrdzovacie spojivá:

Pozostávajú z vápno-kremičitých a vápenato-nefelínových spojív (vápno, kremenný piesok, nefelínový kal) a tvrdnú pri spracovaní v autokláve (6-10 hodín, tlak pary 0,9-1,3 MPa). Patria sem aj piesčité portlandské cementy a iné spojivá na báze vápna, popola a nízkoaktívnych kalov. Používa sa pri výrobe silikátových betónových výrobkov (bloky, vápenopieskové tehly atď.).

5. Fosfátové spojivá:

Pozostávajú zo špeciálnych cementov; sú utesnené kyselinou fosforečnou a vytvárajú plastickú hmotu, ktorá postupne tuhne do monolitického telesa a zachováva si pevnosť pri teplotách nad 1000 °C. Obvykle sa používa titanofosfát, fosforečnan zinočnatý, aluminofosfát a iné cementy. Používa sa na výrobu žiaruvzdorných obkladových hmôt a tmelov na vysokoteplotnú ochranu kovových častí a konštrukcií pri výrobe žiaruvzdorného betónu atď.

Organické spojivá(OBM) – látky organického pôvodu, ktoré sú schopné v dôsledku polymerizácie alebo polykondenzácie prejsť z plastického stavu do pevného alebo nízkoplastického stavu.

V porovnaní s MVM sú menej krehké a majú väčšiu pevnosť v ťahu. Patria sem produkty vznikajúce pri rafinácii ropy (asfalt, bitúmen), produkty tepelného rozkladu dreva (decht), ako aj syntetické termosetové polyesterové, epoxidové, fenolformaldehydové živice. Používajú sa pri stavbe ciest, mostov, podláh priemyselných priestorov, valcovaných strešných materiálov, asfaltového polymérového betónu atď.

Kremík je chemický prvok IV. skupiny periodickej sústavy prvkov D.I. Mendelejev. Objavili ho v roku 1811 J. Gay-Lusac a L. Ternar. Jeho poradové číslo je 14, atómová hmotnosť je 28,08, atómový objem je 12,04 10 -6 m 3 /mol. Kremík je metaloid a patrí do uhlíkovej podskupiny. Jeho kyslíková valencia je +2 a +4. Pokiaľ ide o množstvo v prírode, kremík je na druhom mieste po kyslíku. Jeho hmotnostný podiel v zemskej kôre je 27,6%. Zemská kôra podľa V.I. Vernadského, viac ako 97% pozostáva z oxidu kremičitého a silikátov. Kyslík a organické zlúčeniny kremíka sa nachádzajú aj v rastlinách a zvieratách.

Umelo vyrobený kremík môže byť amorfný alebo kryštalický. Amorfný kremík je hnedý, jemne dispergovaný, vysoko hygroskopický prášok, podľa údajov röntgenovej difrakcie pozostáva z drobných kryštálov kremíka. Dá sa získať redukciou SiCl 4 parou zinku pri vysokých teplotách.

Kryštalický kremík má oceľovo šedú farbu a kovový lesk. Hustota kryštalického kremíka pri 20 °C je 2,33 g/cm3, tekutého kremíka pri 1723-2,51 a pri 1903K - 2,445 g/cm3. Teplota topenia kremíka je 1690 K, teplota varu - 3513 K. Podľa údajov je tlak pár kremíka pri T = 2500÷4000 K opísaný rovnicou log p Si = -20130/ T + 7,736, kPa. Teplo sublimácie kremíka 452610, teplo topenia 49790, odparovanie 385020 J/mol.

Kremíkové polykryštály sa vyznačujú vysokou tvrdosťou (pri 20°C HRC = 106). Kremík je však veľmi krehký, preto má vysokú pevnosť v tlaku (σ SZh B ≈690 MPa) a veľmi nízku pevnosť v ťahu (σ B ≈ 16,7 MPa).

Pri izbovej teplote je kremík inertný a reaguje iba s fluórom za vzniku prchavého 81P4. Z kyselín reaguje len s kyselinou dusičnou v zmesi s kyselinou fluorovodíkovou. Kremík však pomerne ľahko reaguje s alkáliami. Jedna z jeho reakcií s alkáliami

Si + NaOH + H20 = Na2Si03 + 2H2

používané na výrobu vodíka. Súčasne môže kremík vytvárať veľké množstvo chemicky silných zlúčenín s nekovmi. Z týchto zlúčenín je potrebné uviesť halogenidy (od SiX 4 do Si n X 2n+2, kde X je halogén a n ≤ 25), ich zmesové zlúčeniny SiCl 3 B, SiFCl 3 atď., oxychloridy Si 2 OCI3, Si302Cl3 a ďalšie, nitridy Si 3 N 4, Si 2 N 3, SiN a hydridy so všeobecným vzorcom Si n H 2n+2 a zo zlúčenín vyskytujúcich sa pri výrobe ferozliatin - prchavé sulfidy SiS a SiS 2 a žiaruvzdorný karbid SiC.

Kremík je schopný produkovať aj zlúčeniny s kovmi - silicidy, z ktorých najvýznamnejšie sú silicidy železa, chrómu, mangánu, molybdénu, zirkónu, ako aj kovy vzácnych zemín a alkalické kovy. Táto vlastnosť kremíka - schopnosť produkovať chemicky veľmi silné zlúčeniny a roztoky s kovmi - sa široko využíva pri výrobe nízkouhlíkových ferozliatin, ako aj pri redukcii nízkovriacich kovov alkalických zemín (Ca, Mg, Ba) a ťažko redukovateľné kovy (Zr, Al a pod.).

Zliatiny kremíka so železom študoval P.V. Heldovi a jeho škole sa osobitná pozornosť venovala časti systému Fe-Si súvisiacej so zliatinami s jeho vysokým obsahom. Je to spôsobené tým, že ako je zrejmé z Fe-Si diagramu (obrázok 1), v zliatinách tohto zloženia dochádza k množstvu transformácií, ktoré výrazne ovplyvňujú kvalitu ferosilicia rôznych akostí. Disilicid FeSi 2 je teda stabilný iba pri nízkych teplotách (< 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.

Pri chladení zliatin s obsahom > 55,5 % Si, leboit pri T< 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции

Fe 2 Si 5 → FeSi 2 +Si (2)

a zliatiny 33,86-50,07% Si pri T< 1255 К - по перитектоидной реакции

Fe2Si5 + FeSi = 3 FeSi2 (3)

Zliatiny medziproduktového zloženia (50,15-55,5 % Si) najprv prechádzajú peritektoidnou (3) pri 1255 K a potom eutektoidnou (2) transformáciou pri 1213 K. Tieto premeny Fe2Si5 podľa reakcií (2) a (3) sú sprevádzané zmenami objemu silicidu. Táto zmena je obzvlášť veľká počas reakcie (2) - približne 14%, preto zliatiny obsahujúce leboit strácajú kontinuitu, praskajú a dokonca sa drobia. Pri pomalej, rovnovážnej kryštalizácii (pozri obrázok 1) sa môže pri kryštalizácii zliatin FS75 aj FS45 uvoľňovať leboit.

Praskanie spojené s eutektoidným rozkladom leboitu je však len jednou z príčin rozpadu. Druhý dôvod, zrejme hlavný, je ten, že tvorba trhlín pozdĺž hraníc zŕn vytvára príležitosť na to, aby kvapaliny uvoľňované pozdĺž týchto hraníc – fosfor, arzén, sulfidy a karbidy hliníka atď. – reagovali so vzdušnou vlhkosťou v reakciách, ktoré Výsledkom je, že sa do atmosféry uvoľňujú H 2, PH 3, PH 4, AsH 4 atď., a v trhlinách sú uvoľnené oxidy Al 2 O 3, SiO 2 a iné zlúčeniny, ktoré ich roztrhávajú. Dezintegrácii zliatin možno zabrániť ich úpravou horčíkom, legovaním prísadami prvkov, ktoré zrno zušľachťujú (V, Ti, Zg a pod.) alebo ho robia plastickejším. Zjemnenie zrna znižuje koncentráciu nečistôt a ich zlúčenín na jeho hraniciach a ovplyvňuje vlastnosti zliatin rovnako ako všeobecný pokles koncentrácie nečistôt v zliatine (P, Al, Ca), ktoré prispievajú k rozpadu. Termodynamické vlastnosti zliatin Fe-Si (teplo miešania, aktivita, rozpustnosť uhlíka) boli podrobne študované a možno ich nájsť v prácach. Informácie o rozpustnosti uhlíka v zliatinách Fe-Si sú uvedené na obrázku 2, o aktivite kremíka - v tabuľke 1.

Obrázok 1. Stavový diagram systému Fe-Si

Fyzikálno-chemické vlastnosti zlúčenín kyslíka a kremíka študoval P.V. Geld a jeho zamestnanci. Napriek dôležitosti systému Si-O jeho diagram ešte nebol skonštruovaný. V súčasnosti sú známe dve kyslíkaté zlúčeniny kremíka - oxid kremičitý SiO 2 a monoxid SiO. V literatúre sú aj náznaky o existencii iných kyslíkatých zlúčenín kremíka - Si 2 O 3 a Si 3 O 4, chýbajú však informácie o ich chemických a fyzikálnych vlastnostiach.

V prírode je kremík zastúpený iba oxidom kremičitým SiO 2. Táto zlúčenina kremíka sa líši:

1) vysoká tvrdosť (na Mohsovej stupnici 7) a žiaruvzdornosť (T pl = 1996 K);

2) vysoký bod varu (T KIP = 3532 K). Tlak pár oxidu kremičitého možno opísať rovnicami (Pa):

3) vytvorenie veľkého počtu úprav:

Znakom alotropných premien SiO 2 je, že sú sprevádzané výraznými zmenami v hustote a objeme látky, čo môže spôsobiť praskanie a drvenie horniny;

4) vysoký sklon k hypotermii. Preto je možné rýchlym ochladením zafixovať štruktúru ako tekutej taveniny (skla), tak aj vysokoteplotných modifikácií β-cristobalitu a tridymitu. Naopak, rýchlym ohrevom je možné kremeň roztaviť a obísť tak tridymitové a cristobalitové štruktúry. V tomto prípade sa teplota topenia Si02 zníži približne o 100 °C;

5) vysoký elektrický odpor. Napríklad pri 293 K je to 1 10 12 Ohm*m. So zvyšujúcou sa teplotou však elektrický odpor SiO 2 klesá a v kvapalnom stave je oxid kremičitý dobrým vodičom;

6) vysoká viskozita. Pri 2073 K je teda viskozita 1104 Pa ​​s a pri 2273 K je 280 Pa s.

Ten posledný podľa N.V. Solomin, sa vysvetľuje skutočnosťou, že Si02, podobne ako organické polyméry, je schopný tvoriť reťazce, ktoré pri 2073 K pozostávajú zo 700 a pri 2273 K - z 590 molekúl Si02;

7) vysoká tepelná stabilita. Gibbsova energia tvorby Si02 z prvkov, berúc do úvahy ich agregovaný stav v súlade s údajmi, je opísaná s vysokou presnosťou rovnicami:

Tieto údaje, ako je možné vidieť z tabuľky 2, sa trochu líšia od údajov autorov. Pre termodynamické výpočty možno použiť aj dvojčlenné rovnice:

Oxid kremičitý SiO objavil v roku 1895 Potter v plynnej fáze elektrických pecí. Teraz sa spoľahlivo zistilo, že SiO existuje aj v kondenzovaných fázach. Podľa výskumu P.V. Gelda, oxid má nízku hustotu (2,15 g/cm3) a vysoký elektrický odpor (105 -106 Ohm*m). Kondenzovaný oxid je krehký, jeho tvrdosť na Mohsovej stupnici je ~5 Pre jeho vysokú prchavosť nebolo možné experimentálne určiť teplotu topenia. Podľa O. Kubashevského sa rovná 1875 K, podľa Berežného je to 1883 K. Skupenské teplo topenia SiO je niekoľkonásobne vyššie ako ΔH 0 SiO2, podľa údajov sa rovná 50242 J/mol. Zrejme kvôli volatilite je nadhodnotená. Má sklovitý lom, jeho farba sa mení od bielej po čokoládovú, čo je pravdepodobne spôsobené jeho oxidáciou vzdušným kyslíkom. Čerstvá zlomenina SiO má zvyčajne hráškovú farbu s mastným leskom. Oxid je termodynamicky stabilný len pri vysokých teplotách vo forme SiO(G). Pri ochladzovaní sa oxid disproporciuje podľa reakcie

2SiO (G) = SiO (L) + Si02 (6)

Bod varu SiO možno zhruba odhadnúť z rovnice:

Plynný oxid kremičitý je termodynamicky veľmi stabilný. Gibbsovu energiu jeho vzniku možno opísať rovnicami (pozri tabuľku 2):

z čoho je zrejmé, že chemická pevnosť SiO, podobne ako CO, stúpa so zvyšujúcou sa teplotou, čo z neho robí vynikajúce redukčné činidlo pre mnohé látky.

Na termodynamickú analýzu možno použiť aj dvojčlenné rovnice:

Zloženie plynov nad SiO 2 odhadol I.S. Kulikov. V závislosti od teploty je obsah SiO nad SiO 2 opísaný rovnicami:

Karbid kremíka, podobne ako SiO, je jednou z medziproduktov vznikajúcich pri redukcii Si02. Karbid má vysokú teplotu topenia.

V závislosti od tlaku je odolný až do 3033-3103 K (obrázok 3). Pri vysokých teplotách karbid kremíka sublimuje. Avšak tlak pár Si (G), Si2C (G), SiC2 (G) nad karbidom pri T< 2800К невелико, что следует из уравнения

Karbid existuje vo forme dvoch modifikácií - kubický nízkoteplotný β-SiC a hexagonálny vysokoteplotný α-SiC. Vo ferozliatinových peciach sa zvyčajne nachádza iba β-SiC. Ako ukázali výpočty s použitím údajov, Gibbsova energia tvorby je opísaná rovnicami:

ktoré sa výrazne líšia od údajov. Z týchto rovníc vyplýva, že karbid je tepelne odolný do 3194 K. Z hľadiska fyzikálnych vlastností sa karbid vyznačuje vysokou tvrdosťou (~ 10), vysokým elektrickým odporom (pri 1273 K p≈0,13 ⋅ 10 4 μOhm ⋅ m), zvýšená hustota (3,22 g /cm 3) a vysoká odolnosť v redukčnej aj oxidačnej atmosfére.

Čistý karbid je bezfarebný a má polovodičové vlastnosti, ktoré si zachovávajú vysoké teploty. Technický karbid kremíka obsahuje nečistoty, a preto je zafarbený na zeleno alebo čierno. Zelený karbid teda obsahuje 0,5 až 1,3 % nečistôt (0,1 až 0,3 % C, 0,2 až 1,2 % Si + Si02, 0,05 až 0,20 % Fe203, 0,01 až 0,08 % Al203 atď.). Čierny karbid má vyšší obsah nečistôt (1-2%).

Uhlík sa používa ako redukčné činidlo pri výrobe kremíkových zliatin. Je tiež hlavnou látkou, z ktorej sa vyrábajú elektródy a výmurovky elektrických pecí, ktoré tavia kremík a jeho zliatiny. Uhlík je v prírode pomerne bežný, jeho obsah v zemskej kôre je 0,14%. V prírode sa nachádza ako vo voľnom stave, tak aj vo forme organických a anorganických zlúčenín (hlavne uhličitanov).

Uhlík (grafit) má šesťhrannú kubickú mriežku. Hustota röntgenového žiarenia grafitu je 2,666 g/cm3, pyknometrická - 2,253 g/cm3. Vyznačuje sa vysokými teplotami topenia (~ 4000 °C) a bodmi varu (~ 4200 °C), ktoré sa zvyšujú so zvyšujúcou sa teplotou elektrický odpor (pri 873 K p≈9,6 μOhm⋅m, pri 2273 K p≈ 15,0 μOhm⋅m) , celkom odolný. Jeho dočasný odpor na fúzoch môže byť 480-500 MPa. Elektródový grafit má však σ in = 3,4÷17,2 MPa. Tvrdosť grafitu na Mohsovej stupnici je ~ 1.

Uhlík je vynikajúce redukčné činidlo. Je to spôsobené tým, že sila jednej z jeho kyslíkových zlúčenín (CO) sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Je to zrejmé z Gibbsovej energie jeho formovania, ktorá, ako ukazujú naše výpočty s použitím údajov, je dobre opísaná ako trojčlenná

a dvojčlenné rovnice:

Oxid uhličitý CO 2 je termodynamicky silný len do 1300 K. Gibbsova energia tvorby CO 2 je opísaná rovnicami:

Snímka 2

Byť v prírode.

Spomedzi mnohých chemických prvkov, bez ktorých nie je možná existencia života na Zemi, je uhlík hlavným prvkom. Viac ako 99 % uhlíka v atmosfére je obsiahnutých vo forme oxidu uhličitého. Asi 97% uhlíka v oceánoch existuje v rozpustenej forme () a v litosfére - vo forme minerálov. Elementárny uhlík je prítomný v atmosfére v malom množstve vo forme grafitu a diamantu a v pôde vo forme dreveného uhlia.

Snímka 3

Pozícia v PSHE Všeobecná charakteristika prvkov uhlíkovej podskupiny.

Hlavnú podskupinu skupiny IV Mendelejevovej periodickej tabuľky tvorí päť prvkov - uhlík, kremík, germánium, cín a olovo. Vzhľadom na skutočnosť, že od uhlíka po vedenie sa polomer atómu zväčšuje, veľkosť atómov sa zväčšuje, schopnosť pripájať elektróny a v dôsledku toho sa oslabujú nekovové vlastnosti a zvyšuje sa ľahkosť odovzdávania elektrónov. .

Snímka 4

Elektronické inžinierstvo

V normálnom stave prvky tejto podskupiny vykazujú valenciu rovnú 2. Pri prechode do excitovaného stavu, sprevádzanom prechodom jedného z s - elektrónov vonkajšej vrstvy do voľnej bunky p - podúrovne tej istej úrovne, všetky elektróny vonkajšej vrstvy sa stanú nepárovými a valencia sa zvýši na 4.

Snímka 5

Výrobné metódy: laboratórne a priemyselné.

Uhlík Nedokonalé spaľovanie metánu: CH4 + O2 = C + 2H2O Oxid uhoľnatý (II) V priemysle: Oxid uhoľnatý (II) sa vyrába v špeciálnych peciach nazývaných generátory plynu ako výsledok dvoch po sebe idúcich reakcií. V spodnej časti plynového generátora, kde je dostatok kyslíka, dochádza k úplnému spaľovaniu uhlia a vzniká oxid uhoľnatý (IV): C + O2 = CO2 + 402 kJ.

Snímka 6

Keď sa oxid uhoľnatý (IV) pohybuje zdola nahor, prichádza do kontaktu s horúcim uhlím: CO2 + C = CO – 175 kJ. Výsledný plyn pozostáva z voľného dusíka a oxidu uhoľnatého (II). Táto zmes sa nazýva generátorový plyn. V plynových generátoroch sa vodná para niekedy vháňa cez horúce uhlie: C + H2O = CO + H2 – Q, „CO + H2“ - vodný plyn. V laboratóriu: Pôsobenie kyseliny mravčej s koncentrovanou kyselinou sírovou, ktorá viaže vodu: HCOOH  H2O + CO.

Snímka 7

Oxid uhoľnatý (IV) V priemysle: Vedľajší produkt výroby vápna: CaCO3 CaO + CO2. V laboratóriu: Pri interakcii kyselín s kriedou alebo mramorom: CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2+ H2O. Karbidy Karbidy sa vyrábajú kalcináciou kovov alebo ich oxidov uhlím.

Snímka 8

Kyselina uhličitá sa pripravuje rozpustením oxidu uhoľnatého (IV) vo vode. Keďže kyselina uhličitá je veľmi slabá zlúčenina, táto reakcia je reverzibilná: CO2 + H2O H2CO3. Kremík V priemysle: Pri zahrievaní zmesi piesku a uhlia: 2C + SiO2Si + 2CO. V laboratóriu: Pri interakcii zmesi čistého piesku s horčíkovým práškom: 2Mg + SiO2  2MgO + Si.

Snímka 9

Kyselina kremičitá sa získava pôsobením kyselín na roztoky jej solí. Zároveň sa vyzráža vo forme želatínovej zrazeniny: Na2SiO3 + HCl  2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3

Snímka 10

Alotropické modifikácie uhlíka.

Uhlík existuje v troch alotropných modifikáciách: diamant, grafit a karbín.

Snímka 11

Grafit.

Mäkký grafit má vrstvenú štruktúru. Nepriehľadná, sivá s kovovým leskom. Vedie elektrinu celkom dobre vďaka prítomnosti mobilných elektrónov. Na dotyk klzké. Jedna z najjemnejších medzi pevnými látkami. Obr.2 Model grafitovej mriežky.

Snímka 12

Diamant.

Diamant je najtvrdšia prírodná látka. Diamantové kryštály sú vysoko cenené ako technický materiál, tak aj ako vzácna dekorácia. Dobre vyleštený diamant je diamant. Odráža lúče svetla a žiari čistými, jasnými farbami dúhy. Najväčší diamant, aký bol kedy nájdený, váži 602 g, má dĺžku 11 cm, šírku 5 cm a výšku 6 cm. Tento diamant bol nájdený v roku 1905 a dostal meno „Callian“. Obr. 1 Model diamantovej mriežky.

Snímka 13

Carbyne a Mirror Carbon.

Carbyne je hlboký čierny prášok rozptýlený väčšími časticami. Carbyne je termodynamicky najstabilnejšia forma elementárneho uhlíka. Zrkadlový karbón má vrstvenú štruktúru. Jednou z najdôležitejších vlastností zrkadlového uhlíka (okrem tvrdosti, odolnosti voči vysokým teplotám a pod.) je jeho biologická kompatibilita so živými tkanivami.

Snímka 14

Chemické vlastnosti.

Alkálie premieňajú kremík na soli kyseliny kremičitej za uvoľňovania vodíka: Si + 2KOH + H2O = K2Si03 + 2H2 Uhlík a kremík reagujú s vodou len pri vysokých teplotách: C + H2O ¬ CO + H2 Si + 3H2O = H2SiO3 + 2H2 Uhlík, na rozdiel od kremík priamo interaguje s vodíkom: C + 2H2 = CH4

Snímka 15

Karbidy.

Zlúčeniny uhlíka s kovmi a inými prvkami, ktoré sú v porovnaní s uhlíkom elektropozitívne, sa nazývajú karbidy. Pri interakcii karbidu hliníka s vodou vzniká metán Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 Pri interakcii karbidu vápnika s vodou vzniká acetylén: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2

Všeobecné charakteristiky štvrtej skupiny hlavnej podskupiny:

• a) vlastnosti prvkov z hľadiska štruktúry atómu;
• b) oxidačný stav;
• c) vlastnosti oxidov;
• d) vlastnosti hydroxidov;
• e) zlúčeniny vodíka.

a) Uhlík (C), kremík (Si), germánium (Ge), cín (Sn), olovo (Pb) - prvky 4. skupiny hlavnej podskupiny PSE. Na vonkajšej elektrónovej vrstve majú atómy týchto prvkov 4 elektróny: ns 2 np 2. V podskupine, keď sa atómové číslo prvku zvyšuje, atómový polomer sa zväčšuje, nekovové vlastnosti sa oslabujú a kovové vlastnosti sa zvyšujú: uhlík a kremík sú nekovy, germánium, cín, olovo sú kovy.

b) Prvky tejto podskupiny vykazujú pozitívne aj negatívne oxidačné stavy: -4, +2, +4.

c) Vyššie oxidy uhlíka a kremíka (C0 2, Si0 2) majú kyslé vlastnosti, oxidy zvyšných prvkov podskupiny sú amfotérne (Ge0 2, Sn0 2, Pb0 2).

d) Kyseliny uhličité a kremičité (H 2 CO 3, H 2 SiO 3) sú slabé kyseliny. Hydroxidy germánia, cínu a olova sú amfotérne a vykazujú slabo kyslé a zásadité vlastnosti: H 2 GeO 3 = Ge(OH) 4, H 2 SnO 3 = Sn(OH) 4, H 2 PbO 3 = Pb(OH) 4.

e) zlúčeniny vodíka:

CH4; SiH 4, GeH 4. SnH4, PbH4. Metán - CH 4 je silná zlúčenina, silán SiH 4 je menej silná zlúčenina.

Schémy štruktúry atómov uhlíka a kremíka, všeobecné a charakteristické vlastnosti.

S lS 2 2S 2 2p 2 ;

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

Uhlík a kremík sú nekovy, pretože vo vonkajšej elektrónovej vrstve sú 4 elektróny. Ale keďže kremík má väčší atómový polomer, je pravdepodobnejšie, že rozdáva elektróny ako uhlík. Uhlík - redukčné činidlo:

Úloha. Ako dokázať, že grafit a diamant sú alotropické modifikácie toho istého chemického prvku? Ako môžeme vysvetliť rozdiely v ich vlastnostiach?

Riešenie. Diamant aj grafit pri spaľovaní v kyslíku vytvárajú oxid uhoľnatý (IV) C0 2, ktorý pri prechode vápennou vodou vytvára bielu zrazeninu uhličitanu vápenatého CaC0 3

C+02 = C02; C02 + Ca(OH)2 = CaC03 v - H20.

Okrem toho možno diamant získať z grafitu zahrievaním pod vysokým tlakom. V dôsledku toho grafit aj diamant obsahujú iba uhlík. Rozdiel vo vlastnostiach grafitu a diamantu sa vysvetľuje rozdielom v štruktúre kryštálovej mriežky.

V kryštálovej mriežke diamantu je každý atóm uhlíka obklopený štyrmi ďalšími. Atómy sú umiestnené v rovnakej vzdialenosti od seba a sú navzájom veľmi tesne spojené kovalentnými väzbami. To vysvetľuje veľkú tvrdosť diamantu.

Grafit má atómy uhlíka usporiadané v paralelných vrstvách. Vzdialenosť medzi susednými vrstvami je oveľa väčšia ako medzi susednými atómami vo vrstve. To spôsobuje nízku pevnosť väzby medzi vrstvami, a preto sa grafit ľahko štiepi na tenké vločky, ktoré sú samy o sebe veľmi pevné.

Zlúčeniny s vodíkom, ktoré tvoria uhlík. Empirické vzorce, typ hybridizácie atómov uhlíka, valenčné a oxidačné stavy každého prvku.

Oxidačný stav vodíka vo všetkých zlúčeninách je +1.

Valencia vodíka je jedna, valencia uhlíka je štyri.

Vzorce kyseliny uhličitej a kremičitej, ich chemické vlastnosti vo vzťahu ku kovom, oxidy, zásady, špecifické vlastnosti.

H 2 CO 3 - kyselina uhličitá,

H 2 SiO 3 - kyselina kremičitá.

H 2 CO 3 - existuje iba v roztoku:

H2C03 = H20 + C02

H 2 SiO 3 je tuhá látka, prakticky nerozpustná vo vode, preto sa katióny vodíka vo vode prakticky neodštiepia. V tomto ohľade taká všeobecná vlastnosť kyselín, ako je vplyv na indikátory, nie je detekovaná H2SiO3, je dokonca slabšia ako kyselina uhličitá.

H 2 SiO 3 je krehká kyselina a pri zahrievaní sa postupne rozkladá:

H2Si03 = Si02 + H20.

H 2 CO 3 reaguje s kovmi, oxidmi kovov, zásadami:

a) H2C03 + Mg = MgC03 + H2

b) H2C03 + CaO = CaC03 + H20

c) H2CO3 + 2NaOH = Na2C03 + 2H20

Chemické vlastnosti kyseliny uhličitej:

• 1) spoločné s inými kyselinami,
• 2) špecifické vlastnosti.

Svoju odpoveď potvrďte pomocou reakčných rovníc.

1) reaguje s aktívnymi kovmi:

Úloha. Pomocou chemických reakcií oddeľte zmes oxidu kremičitého (IV), uhličitanu vápenatého a striebra, pričom postupne rozpúšťajte zložky zmesi. Opíšte postupnosť akcií.

Riešenie.

1) k zmesi sa pridal roztok kyseliny chlorovodíkovej.