При действии соляной кислоты на силицид, магния Mg 2 Si получается кремневодород SiH 4 , аналогичный метану:
Mg 2 Si + 4НСl = 2MgCl 2 + SiH 4
Кремневодород SiH 4 - бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием двуокиси кремния и воды:
SiН 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2Н 2 O
Кроме SiH 4 , известен ряд других кремневодородов: Si 2 H 6 . Si 3 H 8 и т. д., которые носят общее название с и л а н о в. Силаны аналогичны углеводородам, но отличаются от них неустойчивостью. Очевидно, что связь между атомами кремния гораздо менее прочна, чем связь между атомами углерода, вследствие чего цепи -Si-Si-Si- и т. д. легко разрушаются. Неустойчива также и связь кремния с водородом, что указывает на значительное ослабление металлоидных свойств у кремния.
Хлористый SiCl 4 получается нагреванием смеси кремнезема с углем в струе хлора:
SiO 2 + 2C + 2Cl 2 = SiCl 4 + 2CO
или хлорированием технического кремния. Он представляет собой жидкость, кипящую при 57°. При действии воды S1CI 4 подвергается полному гидролизу с образованием кремневой и соляной кислот:
SiCl 4 + 3H 2 O = H 2 SiO 3 + 4HCl
Вследствие этой реакции при испарении SiCl 4 во влажном воздухе образуется густой дым; поэтому SiCl 4 применяется в качестве дымообразователя.
Фторивтый SiF 4 образуется при взаимодействии фтo-ристого водорода с кремнеземом:
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2Н 2 О
Это - бесцветный газ с резким запахом.
Если пропускать фтористый в воду, получается раствор кремнефтористоводородной кислоты H 2 SiFe:
3SiF 4 + 3H 2 О = 2H 2 SiF 6 + H 2 SiО 3
Из концентрированного раствора при охлаждении выделяются кристаллы состава H 2 SiF6 2Н 2 О.
Кремнефтористоводородная кислота H 2 SiF 6 относится к числу сильных кислот. Степень ее диссоциации в 0,1 н. растворе равна 75%. Даже в очень малых концентрациях она является силь ным дезинфицирующим средством. Соли кремнефториотоводородной кислоты - фторосиликаты в большинстве своем растворимы в воде. Фторосиликаты натрия и бария широко применяются для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. Фторосиликат натрия применяется также при изготовлении различных эмалей. Фторосиликаты магния и цинка используются для придания водонепроницаемости цементу.
Вы читаете, статья на тему Соединения кремния с водородом
Самая выдающаяся черта химии кремния - это преобладание в ней очень стойких кислородных соединений. Все другие его соединения не только нестойки, но и редки в земных условиях; вообще они образуются и бывают устойчивы лишь при совершенно особых условиях: при отсутствии кислорода и воды. До сих пор в лабораториях получено не больше нескольких сотен таких кремневых соединений , много меньше числа природных силикатов. Подобно углероду, кремний с кислородом образует два соединения: SiO и. Монооксид SiO в природе не встречается. Область термодинамической стабильности этого соединения лежит при высоких температурах, когда он находится в парообразном состоянии. Получить SiO можно восстановлением при 1350-1500°С:
Быстрым охлаждением (закалкой) паров SiO получают его в твердом состоянии. При медленном охлаждении SiO диспропорционирует.
Твердый оксид SiO представляет собой порошок темно-желтого цвета. Он не проводит электрического тока и является прекрасным изоляционным материалом. SiO медленно окисляется кислородом воздуха и легко растворяется в щелочах:
т.е. проявляет восстановительные свойства. Диоксид - наиболее характерное и устойчивое кислородное соединение кремния. Он образует три кристаллические модификации: кварц, тридимит и кристобалит. Кристалл кварца представляет собой гигантскую полимерную молекулу, состоящую из отдельных тетраэдров, в которых каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода осуществляет мостиковую трехцентровую связь, являясь общим угловым атомом для двух тетраэдров. Схематически в плоскостном изображении можно представить как:
Наряду с обычными -связями между атомами Si и O возникают еще и нелокализованные -связи, которые образуются по донорно-акцепторному механизму за счет свободных 3d -орбиталей атомов кремния, неподеленных 2p -электронных пар атомов кислорода.
Недавно были получены новые модификации - стишовит и коусит. Последние получаются только под высоким давлением, а при нормальных условиях в метастабильном состоянии могут существовать неограниченно долго (как алмаз). Часто встречающаяся разновидность кварца в природе - горный хрусталь. Окрашенные разновидности кварца: марион (черный), топаз (дымчатый), аметист (фиолетовый), цитрин (желтый). Описаны также волокнистые модификации (халцедон и кварцин). Кроме того, на дне морей и океанов из водорослей и инфузорий образуется аморфный. В целом диоксид кремния - самый распространенный оксид в земной коре. Кварц, тридимит и кристобалит могут превращаться друг в друга, однако эти переходы сильно заторможены. Вследствие этого тридимит и кристобалит, несмотря на свою термодинамическую нестабильность, могут неограниченное время сохраняться при комнатной температуре и существовать в природе в виде самостоятельных минералов. Каждая из этих кристаллических модификаций, в свою очередь, может находиться в виде двух или большего числа взаимно превращающихся форм, из которых б-форма устойчива при комнатной, а в-форма - при более высокой температуре. Устойчивая при высокой температуре модификация - в-кристобалит - плавится при 1723°С. При быстром охлаждении расплавленного кремнезема образуется стекло.
Различные кристаллические модификации, как и безводный аморфный кремнезем, представляют собой неорганические гетероцепные полимеры. Во всех формах (кроме стешовита) структурным мотивом является кремнекислородный тетраэдр. Несмотря на одинаковый способ сочленения структурных мотивов , их пространственное расположение для различных модификаций различно. Поэтому, например, в-кристобалит имеет кубическую решетку, а в-тридимит - гексагональную. Между этими структурами такая же разница, как между сфалеритом и вюрцитом. Наиболее плотная модификация (стишовит) характеризуется необычной для кислородных соединений кремния координацией атомов. Здесь каждый атом кремния окружен шестью атомами кислорода. Поэтому структура стишовита образована сочетанием кремнекислородных октаэдров .
Химическая активность модификаций возрастает от кварца к кристобалиту и особенно кремнезему, полученному обезвоживанием геля кремниевой кислоты. Фтор, газообразный HF и плавиковая кислота энергично взаимодействуют с:
В первой реакции фтор вытесняет кислород из оксида кремния. Обе реакции протекают потому, что тетрафторид кремния - более прочное соединение, чем диоксид. Энтальпия образования последнего -910,9, а для Д=-1614,9 кДж/моль.
Кроме того, эти процессы сопровождаются возрастанием энтропии (слева - твердое вещество и газ, а справа - два газа). Поэтому свободная энергия Гиббса в результате этих взаимодействий сильно уменьшается.
В воде практически нерастворим. Не действуют на него кислоты и царская водка. В щелочных растворах, особенно при нагревании, легко растворяется:
Обычно реакцию получения силикатов проводят не в растворе, а путем спекания со щелочами, карбонатами и оксидами металлов:
Все эти реакции доказывают кислотную природу диоксида кремния. Химические свойства кварцевого стекла практически такие же, как и кристаллического.
Поскольку нерастворим в воде, кремниевую кислоту получают косвенным путем:
Образующаяся кремниевая кислота выделяется из раствора в виде студенистого осадка или остается в растворе в коллоидном состоянии. Состав ее отвечает со значениями и, меняющимися в зависимости от условий. Кислота с =1 и =1 называется метакремниевой, а у ортокремниевой =2. Все кислоты, для которых >1, называются поликремниевыми. В свободном состоянии эти кислоты выделить не удается. Их состав определяется по солям - силикатам. Все кремниевые кислоты очень слабые. Так, имеет 10. Поэтому растворимые в воде силикаты сильно гидролизованы:
Частично обезвоженная студнеобразная кремниевая кислота представляет собой твердую белую очень пористую массу, называемую силикагелем. Он обладает высокой адсорбционной способностью и энергично поглощает воду, масла, эфиры и т.д.
Водородные соединения кремния - кремневодороды или силаны - получают действием кислот на силициды активных металлов, например
Наряду с моносиланом выделяются водород и полисиланы, вплоть до гексасилана. Содержание других кремневодородов в продуктах разложения силицида магния закономерно увеличивается по мере уменьшения их молекулярной массы.
По структуре и физическим свойствам силаны похожи на углеводороды гомологического ряда метана. Известны все гомологи моносилана, вплоть до октасилана. Для получения практически наиболее важного моносилана используют реакции восстановления галогенидов кремния водородом или алюмогидридом лития:
Все силаны имеют характерный неприятный запах и токсичны. По сравнению с углеводородами силаны характеризуются большей плотностью и более высокими температурами плавления и кипения, но термически менее стойки. По химическим свойствам сильно резко отличаются от представителей гомологического ряда метана и напоминают бораны (диагональное сходство с бором).
Они легко окисляются на воздухе, т.е. являются восстановителями:
Силаны восстанавливают до, производные Fe(+3) до Fe(+2). Кроме того, что для силанов характерен гидролиз. В присутствии следов кислот и особенно щелочей силаны разрушаются:
Образование в процессе гидролиза силанов кремнезема или силикатов указывает на кислотную природу силанов.
Для кремния известны также немногие представители непредельных кремневодородов типа полисиленовиполисилинов. Все они - твердые вещества, неустойчивые к нагреванию и исключительно реакционноспособные. Они самовоспламеняются на воздухе и нацело разлагаются водой.
Галогениды кремния могут быть получены синтезом из простых веществ. Все они энергично взаимодействуют с водой:
Для фторида реакция обратима (поэтому растворяется в HF), а для остальных галогенидов - практически полностью смещена вправо. При нагревании галогенидов с кремнием выше 1000°С протекает реакция образования дигалогенидов: , которые при охлаждении диспропорционируют с выделением кремния. Эту реакцию можно использовать как транспортную для получения кремния высокой чистоты.
Из галогенидов кремния наибольшее значение имеют,и. Тетрахлорид кремния получают при хлорировании смеси угля и кварцевого песка (600-700°С):
Значительные количества в качестве побочного продукта улавливаются на суперфосфатных производствах, работающих на апатитовом сырье. Кроме того, он может быть получен нагреванием смеси кварцевого песка, фторида кальция и серной кислоты:
Тетрафторид кремния, присоединяя две формульные единицы HF, переходит в кремнефтористоводородную (гексафторкремниевую) кислоту:
В индивидуальном состоянии не выделена, по силе близка к серной кислоте. Соли ее - гексафторосиликаты - при нагревании разлагаются на и фториды металлов. В октаэдрической структуре ионов кремний находится в состоянии -гибридизации и его координационное число 6. Для других галогенов соединения аналогично состава неизвестны.
Трихлорсилан (или силикохлороформ) получают пропусканием тока сухого хлороводорода над кремнием (400-500°С). На воздухе он не воспламеняется, но горит при поджигании. Аналогичные трихлорсилану соединения кремния известны и для других галогенов. При восстановлении трихлорсилана получают кремний высокой чистоты.
Соединения с другими неметаллами
Дисульфид кремния получается при непосредственном взаимодействии компонентов. Образуется дисульфид также вытеснением кремнием водорода из в отсутствие воздуха при 1300°С:
Дисульфид кремния - белые шелковистые кристаллы. Водой дисульфид кремния разлагается на и. Известны также моносульфид кремния SiS. Он получается восстановлением дисульфида в вакууме при 900°С. Моносульфид представляет собой полимерные игольчатые кристаллы, разлагающиеся водой:
Нитрид кремния получают либо взаимодействием компонентов (при температуре выше 1300°С), либо из и. В последнем случае в качестве промежуточного продукта образуется имид кремния, который в процессе термического разложения превращается в нитрид:
Бесцветные кристаллы отличаются большой химической стойкостью. До 1000°С на него не действуют кислород, водород и водяной пар. Он не растворяется в кислотах и растворах щелочей. Только расплавы щелочей и горячая концентрированная плавиковая кислота медленно его разлагают.
Из соединений кремния с фосфором наиболее известны моно- и дифосфид: SiP и. Они получаются непосредственным взаимодействием компонентов в нужных стехиометрических количествах, отличаются химической стойкостью. Аналогичный состав имеют и арсениды кремния.
Оксид кремния (IV)
Соединения кремния с водородом и галогенами
При действии соляной кислоты на силицид магния Mg 2 Si получается кремневодород (силан) SiН 4 , подобный метану:
Mg 2 Si + 4 НС1 = 2 MgСl 2 + SiН 4
Силан SiН 4 - бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием диоксида кремния и воды:
SiН 4 + 2 О 2 = SiO 2 + 2 Н 2 О
Силан легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:
SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2
SiH 4 + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 4H 2
Хлорид кремния SiCl 4 получается нагреванием смеси диоксида кремния с углем в струе хлора:
SiO 2 + 2 С + 2 С1 2 = SiСl 4 + 2 CO
или хлорированием технического кремния. Он представляет собой жидкость, кипящую при 57 °С.
При действии воды хлорид кремния подвергается полному гидролизу с образованием кремниевой и соляной кислот;
SiСl 4 + 3 Н 2 О = Н 2 SiO 3 + 4 НСl
Хлорид кремния применяется для синтеза кремнийорганических соединений.
Фторид кремния SiF 4 образуется при взаимодействии фтористого водорода с диоксидом кремния:
SiO 2 + 4 НF = SiF 4 + 2 Н 2 О
Это - бесцветный газ с резким запахом.
Как и хлорид кремния, в водных растворах SiF 4 гидролизуется:
SiF 4 + 3 Н 2 О = Н 2 SiO 3 + 4 НF
Образующийся фторороводород взаимодействует с SiF 4 . При этом получается гексафторокремниевая (или кремнефтористоводородная) кислота H 2 SiF 6:
3 SiF 4 + 3 Н 2 О ═ 2 H 2 SiF 6 + H 2 SiO 3
По силе гексафторокремниевая кислота близка к серной. Соли ее - кремнефториды, или фторосиликаты, в большинстве своем растворимы в воде; малорастворимы соли натрия, калия, рубидия, цезия, практически нерастворима соль бария. Сама кислота и все фторосиликаты ядовиты..
Наиболее стойким соединением кремния является диоксид кремния, или кремнезем, SiO 2 . Он встречается как в кристаллическом, так и в аморфном виде.
Кристаллический диоксид кремния находится в природе главным образом в виде минерала кварца.
Кристаллический диоксид кремния очень тверд, нерастворим в воде и плавится около 1610° С, превращаясь в бесцветную жидкость. По охлаждении этой жидкости получается прозрачная стекловидная масса аморфного диоксида кремния, по виду сходного со стеклом.
Аморфный диоксид кремния распространен в природе гораздо меньше, чем кристаллический. На дне морей имеются отложения тонкого пористого аморфного кремнезема, называемого трепелом или кизельгуром. Эти отложения образовались из SiO 2 , входившего в состав организмов диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.
1) SiO 2 – кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей, образуя соответствующие соли кремневой кислоты (силикаты):
SiO 2 + 2 NaOH ═ Na 2 SiO 3 + H 2 O
2) SiO 2 взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:
SiO 2 + K 2 O = K 2 SiO 3
SiO 2 + CaO = CaSiO 3
3) Будучи нелетучим оксидом, SiO 2 вытесняет углекислый газ из Na 2 CO 3 (при сплавлении):
SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2
4) Кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на диоксид кремния. Плавиковая же кислота легко вступает с ним в реакцию, образуя фторид кремния и воду:
SiO 2 + 4 HF ═ SiF 4 + 2 H 2 O
5) При температуре SiO 2 взаимодействует с газообразным HF и F 2 , образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):
SiO 2 + 4HF = SiF 4 + 2H 2 O
Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности. Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента. В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.
Элемент кремний и его свойства
Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.
Кристаллический кремний
Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском. Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры. Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.
Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.
Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.
Аморфный кремний
Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки. Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим. Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.
Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.
Химические свойства кремния
- Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:
Si + O2 → SiO2 (при температуре).
- При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:
2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).
- Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4.
- Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):
Si + 2F2 → SiF4.
- А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:
Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).
3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).
Si + C → SiC (2000°).
- Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:
Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.
Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?
Соединения кремния
Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.
При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.
Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3 SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.
Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.
Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.
Диоксид кремния
Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.
Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.
Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.
К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.
Химические свойства оксида кремния
Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:
- При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:
SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).
- Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:
SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).
- Или с карбонатными солями:
SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2 (при температуре).
- Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:
SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).
SiO2 + 2C → Si + 2CO (при температуре)
Кремниевая кислота
Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).
Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:
K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.
Силициды
Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.
Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.
Силикаты
Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.
К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.
Применение кремния
В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.
Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.
Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.
Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.
При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.
Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.
Заключение
Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.
Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!
Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.
Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.
С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.
Восстановительные свойства углерода
Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.
В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO 2:
При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:
При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS 2:
Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:
Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:
Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов
Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO 2:
Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля . Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:
При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда ):
Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:
Окислительные свойства углерода
Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.
Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:
а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:
Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:
| Карбиды активных металлов гидролизуются водой:
а также растворами кислот-неокислителей: При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде. |
Химические свойства кремния
Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.
Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.
Взаимодействие кремния с простыми веществами
неметаллами
При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:
С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:
Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:
С бромом – 620-700 о С:
С йодом – 750-810 о С:
Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:
При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:
С водородом кремний не реагирует.
металлами
Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:
Взаимодействие кремния со сложными веществами
С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:
Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:
Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода.
