Углерод – основа органических, биоорганических соединений и многих полимеров

Большинство соединений углерода относятся к органическим веществам, но в этой работе мы уделим внимание, так называемым, неорганическим соединениям углерода. К ним относятся – простые вещества (природные графит, алмаз и синтетически полученный карбин), оксиды углерода, угольная кислота и ряд солей, образованных уксусной кислотой.

Относительная атомная масса углерода – 12,01, плотность (графита)- 2,27 г/см3,

температура плавления tпл = 3370 °C (сгорает), температура кипения tкип = 4200 °C.

2. Особенности строения атомов углерода.

Разнообразие и многочисленность соединений углерода объясняется строением его атома. В атоме углерода на его внешних четырех атомных орбиталях имеется четыре электрона. И все четыре атомные орбитали принимают участие в образовании химических связей.

В частности графит и алмаз – аллотропные модификации с атомными кристаллическими решетками, которые различны по своей структуре. Отсюда различия физических и химических свойств.

В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка.

Известно, что алмаз – самое твердое вещество в природе.

В графите соединены между собой три атома, лежащие в одной плоскости. Следовательно, образование этих связей происходит с участием трех атомных орбиталей с тремя электронами. Каждый атом соединен с тремя другими, лежащими в той же плоскости. На образование этих связей затрачивается по три АО с тремя электронами. Четвертая орбиталь с одним электроном располагается перпендикулярно плоскости. Эти оставшиеся атомные орбитали всей сетки перекрываются между собой, образуя зону молекулярных орбиталей. Эта зона занята наполовину, что обеспечивает графиту, в отличие от алмаза, хорошую металлическую электропроводность.

3. Физические свойства.

Здесь в первую очередь, конечно, следует отметить высокую прочность простых соединений углерода.

Энергия связи между атомами углерода в простых и сложных веществах, в том числе и в алмазе, и в графите очень велика. О твердости алмаза уже говорили. Прочна связь между атомами и в графитовой сетке.

Например, прочность графита на разрыв волокна значительно превышает прочность железа и технической стали.

Тугоплавкость – еще одно уникальное свойство графита, т.к. температура плавления графита tпл выше 3500° С. В природе графит – самое тугоплавкое простое вещество.

Большая электрическая проводимость графита объясняется отсутствием на его поверхности каких-либо продуктов взаимодействия с окружающей средой, таких как оксиды на металлах.

Кроме того графит обладает способностью оказывать смазывающее действие на трущиеся поверхности. Объясняется это тем, что в кристалле графита атомы углерода прочно связаны между собой в плоских сетках, а связь между сетками слабая и имеет межмолекулярную природу (как в веществах с молекулярными решетками). Вследствие чего уже небольшие механические усилия вызывают смещение сеток относительно друг друга. Это обусловливает действие графита, как смазки.

4. Химические свойства углерода и его соединений.

Одно из главных химических свойств углерода – это сильные восстановительные свойства. Только при сравнительно низких температурах, углерод химически инертен.

Рассмотрим подробнее химические свойства углерода:

- горение в кислороде С+О2=СО2+Q;

- взаимодействие с оксидом углерода С+СО2=2СО;

- восстановление металлов из оксидов 3С+Fe2O3=3CO2+4Fe.

4.1.Оксид углерода.

Оксид углерода является продуктом полного сгорания углерода и содержащих его веществ.

В соединениях с кислородом углерод, в зависимости от условий, проявляет валентности +2 и +4.

При температуре обычного пламени при горении углеродосодержащих веществ (дрова, уголь, природный газ метан, спирт и др.) протекает реакция:

С + О2 = СО2

Если же создать условия для повышения температуры, к примеру, уменьшить теплоотвод (внутри толстого слоя горящего угля, в том числе в доменной печи), то протекают реакции:

С +О2 = 2СО

СО2 + С = 2СО

Так же образуется в случаях:

- окисления биохимических процессов, дыхания, гниения,

- сгорания метана

CH4+O2=CO2+2H2O

- взаимодействия кислот с карбонатами

CaCO3+2HCI=CaCI2+CO2+H2O

- термического разложения карбонатов и гидрокарбонатов:

CaCO3=CaO+CO2

2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O

Оксид углерода – тяжелее воздуха, это газ без запаха, цвета и вкуса.

1.При растворении взаимодействует с водой, образуя уксусную кислоту:

СО2+Н2О=Н2СО3

2.Реагирует с основными оксидами:

CO2+CaO=CaCO3

3. Реагирует с основаниями:

CO2+Ca(OH)2=CaCO3+H2O

4.2.Угольная кислота.

Слабая двухосновная кислота, которая образуется при растворении оксида углерода СО2 в воде.

Угольная кислота дает два ряда солей:

- водорастворимые гидрокарбонаты (NaHCO 3 – питьевая сода, Na 2 CO 3 – сода, K 2 CO 3 – поташ),

- нерастворимые (MgCO 3, CaCO 3).

Реакции образования гидрокарбонатов и карбонатов:

CO2+NaOH=NaHCO3

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O

Соли угольной кислоты подвергаются гидролизу.

Угольная кислота вытесняется из солей более сильными кислотами:

CaCO3+2HCI=CaCI2+CO2+H2O

5.Применение углерода и его соединений.

В промышленности углерод (графит) часто используется в качестве смазки.

Кроме того на основе графита изготавливают так называемые композиционные материалы, в частности углепластики, в которых волокна графита находятся на матрице из эпоксидной смолы.

Коррозионная стойкость графита используется в судостроении.

Эти композиционные материалы широко применяются в авиационной и космической технике. Ведь помимо прочности они легкие. Достаточно сравнить плотность

графита, р=2,3 г/см3,с плотностью “легкого” алюминия, р=2,7г/см3, и тем более

железа, р=7,9г/см3, чтобы убедиться в ценности этого свойства.

И, конечно, всем известно, что алмазы используются в ювелирной промышленности для изготовления всевозможных украшений, а так же широко применяются в различных отраслях промышленности, где используется их свойство высокой прочности.

10. Кремний. Диоксид кремни, кремниевые кислоты. Силикаты, их гидролиз и гидратация. Стекло и стекломатериалы. Ситаллы.

Кремний — элемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium). Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода.

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Двуокись или диоксид кремния - это наиболее устойчивое и характерное соединение кремния с кислородом. Химическая формула SiO2. Свободная двуокись кремния (кремневый ангидрид, кремнезем) в природных условиях встречается в виде минерала кварца, из которого состоит обычный песок, а также кристобалита и тридимита. Земная кора на 43% состоит из горных пород, в состав которых входит химически связанная двуокись кремния. Крупные кристаллы диоксида кремния называют горным хрусталем, окрашенные - аметистом. Мелкокристаллические дисперсные соединения двуокиси кремния - агат, яшма и другие минералы.

Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты. Известны соли метакремниевой кислоты Н₂ SiO₃ (SiO₂•H₂ О) — силикаты, ортокремниевой кислоты H ₄SiO₄ (SiO₂•2H ₂O) — ортосиликаты и других кислот с различным числом SiO₂•nH ₂О. Гидраты кремнезема с содержанием более 2Н ₂О на каждую молекулу SiO₂ в индивидуальном состоянии, по-видимому, не существуют, однако известны многие их соли. В воде кремниевые кислоты образуют коллоидные растворы. Соли кремниевых кислот применяют в производстве бумаги, в текстильной промышленности, для обработки воды, как связующие материалы. Гели кремниевых кислот (силикагели) используют как адсорбенты и как отбеливающие материалы. Соли кремниевых кислот называют силикатами (силикаты широко распространены в природе).

Силикаты - это соли кремниевых кислот, а также минералы, содержащие кремний. Силикат образуется путем соединения диоксида кремния и оксида другого химического элемента.

Кристаллическая решетка силикатов состоит из так называемых кремнекислородных тетраэдров, представляющих собой атом кремния, соединенный с четырьмя атомами кислорода. Силикаты имеют ионную структуру, поэтому не могут классифицироваться по составу анионной части. По строению кристаллической решетки силикаты и алюмосиликаты подразделяются на островные (оливин, гранат), кольцевые, (берилл, турмалин, изумруд) цепочечные (энстатит, бронзит, ферросилит), ленточные (роговая обманка), слоистые (каолинит, серпентин, слюды) и самые распространенные - каркасные (кварц, полевой шпат).

Большинство силикатов представляют собой тугоплавкие, химически пассивные материалы, практически не растворяющиеся в воде. При различной температуре они могут находиться в твердом, жидком (расплавленном) или газообразном состоянии, а также способны образовывать коллоидные системы.

Гидролиз силикатов:

Следует отметить, что большинство силикатов не имеет постоянного состава. Из всех силикатов растворимы в воде только силикаты натрия и калия. Растворы этих силикатов в воде называют растворимым стеклом. Из-за гидролиза эти растворы характеризуются сильно щелочной средой. Для гидролизованных силикатов характерно образование не истинных, а коллоидных растворов. При подкислении растворов силикатов натрия или калия выпадает студенистый белый осадок гидратированных кремниевых кислот.

Гидратация силикатов:

….

Стекло́ — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Физико-химически — неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно — аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.). Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол.

Стекломатериалы могут изготавливаться в виде кручёных нитей, лент, ровингов, стеклотканей и пр.. Обязательные требования к стекломатериалам устанавливаются ГОСТами, а специальные – заказчиком. Например, это могут быть стекломатериалы, которые будут использоваться в особых производственных условиях.

Эксплуатационные свойства, которыми характеризуются готовые стекломатериалы, в немалой степени связаны с химическим составом стекловолокон. Кроме того, стекломатериалы отличаются высокой теплостойкостью, диэлектричностью и механической прочностью. Обладают стекломатериалы и незначительной тепловой проводимостью, а также небольшим коэффициентом термического расширения.

Наконец, стекломатериалы имеют высокую химическую стойкость. Благодаря этому стекломатериалы прекрасно справляются с негативным воздействием окружающей среды и разнообразных веществ, оказывающих на них деструктивное влияние.

Ситаллы — стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллизацией стекол и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе.

Ситаллы обладают малой плотностью (они легче алюминия), высокой механической прочностью, особенно на сжатие, твердостью, жаропрочностью, термической стойкостью, химической устойчивостью и другими ценными свойствами. Ситаллы имеют большинство положительных свойств, которые есть у стекла, в том числе и технологичность.

Существуют ситаллы со специальными свойствами: прозрачные, магнитные, полупроводниковые, радиопрозрачные и другие.

Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих прочности и термостойкости (корпуса приборов, шкалы, образцовые меры, подложки микросхем и др.). Являются перспективными строительными и конструкционными материалами (обтекатели ракет и сверхзвуковых управляемых снарядов, химически стойкая аппаратура, мостостроительные конструкции и др.).