Углерод и кремний

С, Si степень окисления 2,4

R атома à

Восстановительные свойства ß

Нахождение в природе:

Углерод: уголь, нефть, газ, атмосфера (CO₂ 0,03%), известняк, мрамор мел (CaCO₃), MgCO₃-магнезит, CaCO₃ּMgCO₃ — доломит

Кремний: (2е место после кислорода по распространению, его значение в минеральном мире как у углерода в органическом) SiO₂, горный хрусталь, силикаты в горных породах (асбест, каолин, глины).

Получение: С- добыча полезных ископаемых;

Si - SiO₂+C+Fe→(эл. печь)ферросилиций (25% Fe), технический Si (2-5 % Fe)

SiO₂+Zn_пар→t ZnO₄+Si

SiO₂+Mg→t MgO+Si

Использование:

С – присуща аллотропия: графит,алмаз,карбид, фуллерен (60С, 70С),инертен,активность проявляет при ↑Т

С+(S, Cl₂, Me, O₂)→t (+) C+O₂→t CO₂; C+O_{2 нед}→CO+CO₂

СО+Н₂О

; CO₂: O=C=O (неполярная молекула)

Получение:

3+2HCl=CaCl₂+ H₂CO₃ (CO₂+H₂O)2CaCO₃

§ Растворение в Н₂О: CO₂+H₂O^→_←H₂CO₃

(Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O CaCO3↓+H2O+CO2→Ca(HCO3)2)

à лежит в основе разрушения горных пород и строит. камней

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

Na₂CO₃ – сода, (моющие ср-ва)

(CuOH)₂CO₃- малахит

Si- аморфный (химически более активная форма), кристаллический.

Si- полупроводник, под влиянием тепла валентные электроны могут стать электронами проводимости, обуславливая n-проводимость (negative) электронная, освободившиеся от электронов места обуславливают p-проводимость (positive). У химически чистого кремния n- и p-проводимость равны, однако пользуясь различными добавками можно изменять их соотношение: (Si(4e)+B(3e))—дефицит электронов, ↑p-проводимость; (Si(4e)+P(5e))— дефицит дырок, ↑n-проводимость.

При высоких t Si является очень сильным восстановителем, его применяют металлурги для удаления из расплавов Ме растворённого в нём О₂. Кремний стоек ко всем кислотам, кроме плавиковой, не устойчив к водным растворам щёлочи.



Si +4HF=SiF₄+2H₂↑

Si+2NaOH+H₂O=Na₂SiO₃+2H₂↑

O₂: SiO, SiO₂(наиболее распространён в природе); SiO₂+Si=2SiO.

в результате объединения тетраэдров образуются замкнутые кольца. Для разрушения SiO₂ надо разрушить очень много прочных связей Si-O. В зависимости от пространственного расположения тетраэдров SiO₄ существуют различные полиморфные состояния SiO₂: кварц^→_← тридимит ^→_← кристоболит(химическая активность ↑ от кварца к кристоболиту)

SiO₂+HF→SiF₄+H₂O

SiO₂+NaOH→Na₂SiO₃+H₂O

SiO₂+Na₂CO₄→ Na₂SiO₃+CO₂

Растворимы в воде.




(Na₂SiO₃+K₂ SiO₃)-канцелярский клей, применяют строители для укрепления слабых грунтов и для изготовления кислородного цемента.

Na2SiO3+H2O→← Na2SiO5+NaOH 2 SiO32-+H2O→← SiO52-+2OH-

pH>7

Na₂SiO₃+2HCl= Na₂SiO₅↓(очень слабая желеобразная кислота)+ 2NaCl

В зависимости от условий получения можно получить:

H₂SiO₃ (SiO₂∙H₂O)-метакремниевая кислота

H₂SiO₄ (SiO₂∙2H₂O)-ортокремневая кислота

H₂Si₂O₅ (2SiO₂∙H₂O)-диметокремневая кислота

Кремниевые кислоты поляризуются, их состав неизвестен. (x SiO₂∙yH₂O)

H₆Si₂O₇

C учётом поляризации:

Na₂SiO₃+H₂SO₄+H₂O→x SiO₂∙yH₂O+ Na₂SO₄

Если полученный гель кислоты промыть водой от Na₂SO₄ и высушить, то получатся прозрачные пластинки силикагеля. Это прекрасный поглотитель влаги, обладает ионно обменными свойствами, применяют как носитель катализатора.

Взаимодействия SiO₂+CaO (песок и известью). Эти процессы лежат в основе получения и применения цемента

CaSiO₃ (SiO₂∙H₂O)-метасиликат кальция

Ca₂SiO₄ (SiO₂∙2H₂O)-ортосиликат кальция

Ca₃SiO₅ (2SiO₂∙H₂O)-3х кальциевый силикат

Ca₃Si₂O₇ (SiO₂∙H₂O)- 3х кальциевый дисиликат

При наличии H₂O происходит гидролиз или гидратация.

CaSiO₃ +(n+1) H₂O →Ca(OH)₂+ SiO₂ ∙n H₂O гель

Ca₂SiO₄+m H₂O = CaSiO₄∙ m H₂O

В результате гидролиза получаются зёрна малорастворимого Ca(OH)₂, вокруг которых накапливается студенистый гидросиликат и кремниевые кислоты, полученная пастообразная масса затвердевает, схватывается, благодаря наличию молекул H₂O, которые склеивают полученные гидросиликаты.

Силикаты, содержащие Al, называются алюмосиликаты, в них Al заменяет часть кремния в тетраэдрах SiO_4.

Алюмосиликаты K⁺, Na⁺, Ca⁺ называют полевыми шпатами (50% земной массы): глины, граниты, слюда.

Некоторые алюмосиликаты обладают ионно обменными свойствами.

Стекло: SiO₂+Na₂CO₃+CaCO₃Na₂O∙CaO∙6SiO₂+CO₂

SiO₂ – кварцевое стекло, коэффициент линейного расширения = 0, раскалённое до красна на трескается в холодной воде, пропускают кварц, если добавить В₂О₃ или Na₂B₄O₇-оптическое стекло.

Применение:

· Стекловата, теплоизоляционный материал

· Стекло аморфно, но в результате некоторых добавок может закристаллизоваться, получают ситалл, применяют в качестве изоляторов в химической промышленности

· Глины: трудно растворимые осадочные породы, получаются в результате разрушения горных пород, содержат силикаты и алюмосиликаты, применяют в производстве цемента, керамики, фарфора. Керамика – изделия из глины с добавкой оксидов и карбидов некоторых металлов для прочности. Эмаль – тонкое стеклянное покрытие, предохраняет керамику от коррозии и придаёт декоративный вид.

· Цемент – получают спеканием глины с известняком (глина + известняк)(глина + CaO)+CO₂↑

(цемент + H₂O)→цементный раствор

цементный раствор+щебень (гравий)→бетон–чрезвычайно прочная конструкция.(бетон + Fe→железобетон)

фторосиликаты: SiO₂+4HF=SiF₄+2H₂O

SiF₄+4HF=H₂[SiF₆] – кремнистофтороводородная кислота, НF – слабая кислота.

Mg²⁺,Ca²⁺,Fe³⁺,Zn²⁺хорошо растворимы в воде, большое практическое применение в процессе флюатирования

Mg[SiFe]+2CaCO₃+nH₂O→MgF₂↓+CaF₂↓+SiO₂∙nH₂O (гель)+2СО₂↑

Таким образом предохраняют камни

SiO₂+C (кокс) SiC (карборунд – по структуре алмаз, половина атомов С заменена на кремний.)