Общая характеристика свойств углерода и кремния

Углерод образует 5 аллотропных модификаций: кубический алмаз, гексагональный алмаз, графит и две формы карбина . Гексагональный алмаз найден в метеоритах (минерал лонсдейлит ) и получен искусственно при очень высоком давлении и длительном нагревании.

Алмаз – самый твердый из всех природных веществ – используют для резки стекла и для бурения горных пород. Алмаз – прозрачное, бесцветное, кристаллическое вещество, обладающее высокой светопреломляемостью. Алмазы образуют отдельные кристаллы, образующие кубическую гранецентрированную решетку – одна половина атомов в кристалле расположена в вершинах и центрах граней одного куба, а другая – в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. sp3-гибридизация . Атомы образует трехмерную тетраэдрическую сетку, где они связаны ковалентными связями.

Из простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, расположенных плотно друг к другу, отчего он прочный и твердый. Прочность связей в углеродных тетраэдрах (?-связи) обуславливает высокую химическую устойчивость алмаза. На него действует лишь F2и O2при 800 °C.

При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз переходит в графит. Графит – кристаллы темно-серого цвета, со слабым металлическим блеском, маслянистый на ощупь. sp3-гибридизация . Каждый атом образует по 3 ковалентных?-связи с соседними атомами под углом 120° – образуется плоская сетка, состоящая из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы С. Образовавшиеся слои С идут параллельно друг другу. Связи между ними слабые, их обеспечивают электроны, не участвующие в гибридизации орбиталей. Последние образуют?-связи. Связь атомов С в разных слоях носит частично металлический характер – обобществление электронов всеми атомами.

Графит обладает относительно высокой электро– и теплопроводностью, стоек к нагреванию. Из графита изготавливают карандаши.

Карбин получен синтетически? и?-формы (поликумулен ) каталитическим окислением ацетилена. Это твердые, черные вещества со стеклянным блеском. При нагревании без доступа воздуха переходят в графит.

Уголь – аморфный углерод – неупорядоченная структура графита – получается при нагревании углеродосодержащих соединений.

В природе имеется большие залежи угля.

Уголь имеет несколько сортов:

2) костяной уголь;

40. Оксиды углерода. Угольная кислота

Углерод с кислородом образует оксиды: СО, СО2, С3О2, С5О2, С6О9 и др. Оксид углерода (II) – СО . Физические свойства: угарный газ, без цвета и запаха, ядовит, в воде почти не растворим, растворим в органических растворителях, t кипения = -192 °C, t плавления = -205 °C. Химические свойства: несолеобразующий оксид. В обычных условиях малоактивен, при нагревании проявляет восстановительные свойства:

1) с кислородом: 2C+2O + O2 = 2C+4O2;

2) восстанавливает металлы из руд: C+2O + CuO = Сu + C+4O2;

3) с хлором (на свету): CO + Cl2 = COCl2(фосген);

4) с водородом: СО + Н2 = СН3ОН (метанол);

5) с серой: СО + S = СОS (сульфоксид углерода);

6) реагирует с расплавами щелочей: CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия);

7) с переходными металлами образует карбонилы: Ni + 4CO = Ni(CO)4, Fe + 5CO = Fe(CO)5.

СО легко соединяется с гемоглобином – Hb крови, образуя карбоксигемоглобин, препятствуя переносу О2 от легких к тканям: Hb + CO = HbCO.

При вдохе воздуха карбогемоглобин распадается на исходные продукты: HbCO?Hb + CO.

Получение:

1) в лаборатории – термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.):

2) в промышленности (в газогенераторах):

Оксид углерода (IV) СO2. Физические свойства: углекислый газ, без цвета и запаха, малорастворим в воде, тяжелее воздуха, t плавления = -78,5 °C, твердый CO2 – сухой лед, не поддерживает горение.

Получение:

1) в промышленности (обжиг известняка): CaCO3?CaO + CO2;

2) действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты: CaCO3(мрамор) + 2HCl =CaCl2 + H2O + CO2; NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Химические свойства: кислотный оксид, реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты:

При повышенной температуре проявляет окислительные свойства: С+4O2 + 2Mg = 2Mg+2O + C0.

Качественная реакция – помутнение известковой воды: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3(белый осадок) + H2O.

Угольная кислота – слабая, существует в водном растворе: CO2 + H2O = H2CO3.

Соли: средние – карбонаты (С О32-), кислые – бикарбонаты, гидрокарбонаты (НС03-).

Карбонаты и гидрокарбонаты превращаются друг в друга:

Качественная реакция – «вскипание» при действии сильной кислоты: Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2; CO32-+ 2H+= H2O + CO2.

Химический элемент

Углерод - химический элемент № \(6\). Он расположен в IVА группе Периодической системы.

C 6 + 6) 2 e) 4e

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \(+2\) или \(+4\).

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ . В земной коре распространены карбонаты (например, Ca CO 3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений , главным элементом которых является углерод.

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Простые вещества

Углерод образует несколько аллотропных видоизменений, из которых наиболее известны алмаз и графит .

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

Благодаря такому строению алмаз - самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700\) °С).

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

Из мельчайших частиц графита состоят сажа , древесный уголь и кокс . Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс - переработкой каменного угля.

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией .

Химические свойства

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные , и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

• Взаимодействие с металлами.

Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов :

4 Al 0 + 3 C 0 = t Al + 3 4 C − 4 3 .

В этой реакции углерод выступает как окислитель .

• Взаимодействие с водородом.

Тема – 20: Подгруппа углерода. Положение углерода в периодической системе. Аллотропия углерода.

Студент должен:

Знать:

· Особенности строения атом подгруппы углерода.

· Свойства, состав, получение и применений важнейших химических соединений.

Уметь:

· Характеризовать общие свойства подгруппы углерода.

· Составлять химические формулы водородных и кислородных соединений.

· Выполнять химические опыты, подтверждающие свойства изученных неметаллов.

20.1. Общая характеристика неметаллов (IV) группы

Главную подгруппу IV группы образуют элементы углерод (С), кремний (Si ), германий (Ge ), олово (Sn ), и свинец (Рb).

Электронная конфигурация внешнего электронного слоя атомов элементов этой подгруппы - ns 2 np 2 . В основ­ном (невозбужденном) состоянии на р-подуровне находятся два неспаренных электрона, которые обусловливают об­щую для всех элементов валентность, равную (II). При переходе атомов в возбужденное состояние число неспа­ренных электронов увеличивается до четырех, поэтому еще одна характерная валентность равна IV.

https://pandia.ru/text/80/150/images/image002_147.jpg" width="400" height="120">

Углерод и кремний проявляют в различных соедине­ниях как положительные, так и отрицательные степени окисления. Металлы Ge, Sn, Pb во всех соединениях про­являют положительные степени окисления, за исключе­нием водородных соединений GeH4, SnH4 и РЬН4, кото­рые весьма неустойчивы.

Из всей подгруппы только углерод образует устойчи­вое водородное соединение СН4.

Элементы главной подгруппы IV группы образуют высшие оксиды типа R02 и низшие оксиды типа RO. Характер этих оксидов различен:

20.2.Углерод

Электронная формула атома углерода - ls22s22p2. Элек­ронно - графическая формула внешнего слоя:

Возможные валентности: II, IV. Возможные степени окисления: -4, 0, +2, +4.

В большинстве своих соединений углерод имеет вален­тность IV и степень окисления +4.

Так как углерод обладает большой энергией иониза­ции и малой энергией сродства к электрону, для него не характерно образование ионных связей. Обычно углерод образует ковалентные малополярные связи.

Отличительной особенностью углерода является спо­собность его атомов соединяться друг с другом с образо­ванием углерод-углеродных цепей: линейных, разветвлен­ных и циклических:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image005_76.jpg" width="373" height="282">

Графит - мягкое темно-серое вещество с металличес­ким блеском. Кристаллическая решетка имеет слоистое строение (рис. 15).

В плоскости одного слоя атомы углерода связаны между собой прочными ковалентными связями между собой прочными ковалентными связями и образуют шестичленные кольца. Отдельные слои графита, составленные из бесконечного множества таких колец, связаны друг с дру­гом сравнительно слабо. Расстояние между слоями в кри­сталле графита больше расстояния между соседними ато­мами в одной плоскости в 2,5 раза.

Иными словами, каждый атом углерода в кристалли­ческой решетки графита образует 3 прочные ковалентные связи с атомами углерода в том же слое, на что зат­рачивает три валентных электрона. Четвертый электрон является относительно свободным. Эти свободные элект­роны принимают участие в образовании связей между слоями, обобществляясь всеми атомами кристалла по типу металлической связи. Таким образом, кристаллическую решетку графита можно считать переходной между атом­ной и металлической решетками. Этим объясняются срав­нительно высокие электро - и теплопроводность графита.

С некоторыми оговорками (ввиду наличия примесей) к аллотропным модификациям углерода можно отнести и так называемый аморфный углерод, важнейшими пред­ставителями которого являются сажа, кокс и древесный уголь . Из древесного угля путем его обработки перегре­тым паром при высокой температуре получают активи­рованный уголь.

Искусственно получают еще одну аллотропную моди­фикацию углерода - карбин. Это порошок черного цвета с вкраплениями более крупных частиц. В карбине атомы углерода соединяются друг с другом в длинные линейные цепи двух типов: с чередованием тройных и одинарных связей... - С = С-С = С - С = С- ...и с непрерывной системой двойных связей... = С = С = С = С = ... .В последние годы небольшие количества карбина обнару­жены в природе.

20.2.2. Химические свойства углерода

При обычной температуре углерод проявляют малую химическую активность. При нагревании реакционная способность увеличивается, особенно у графита и аморф­ного углерода.

Имея на внешнем электронном слое 4 электрона, ато­мы углерода могут их отдавать, проявляя при этом вос­становительные свойства:

С0 - 4ё → С+4

С другой стороны, атомы углерода могут принимать недостающие до октета 4 электрона, проявляя при этом окислительные свойства:

С0 + 4ё → С-4.

Так как у углерода невысокая электроотрицательность (по сравнению с галогенами, кислородом, азотом и дру­гими активными неметаллами), то окислительные свой­ства его выражены значительно слабее.

1. Углерод как восстановитель

При взаимодействии с простыми веществами, образо­ванными более электроотрицательными неметаллами, углерод проявляет восстановительные свойства.

а) Предварительно нагретый углерод горит на воздухе
с выделением большого количества тепла, образуя оксид
углерода (CO2), или углекислый газ:

С + 02 = С02 + Q (T° = -394 кДж/моль).

При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II), или угарный газ СО:

2С + 02 → 2СО.

б) Раскаленный углерод взаимодействует с серой и ее
парами, образуя дисульфид серы CS2 (сероуглерод):

С + 2S = CS2 - Q (это эндотермическая реакция)

Сероуглерод представляет собой летучую (Ткип = 46 °С) бесцветную жидкость с характерным запахом; является прекрасным растворителем жиров, масел, смол и т. д.

в) Из галогенов углерод наиболее легко взаимодействует
с фтором:

С + 2F2 = CF4 тетрафторуглерод

г) С азотом углерод непосредственно не взаимодействует.
Углерод выступает в роли восстановителя по отноше­нию к сложным веществам:

а) при пропускании водяного пара через раскаленный
уголь образуется смесь углерода (II) с водородом (водя­ной газ)

б) при высокой температуре углерод восстанавливает
металлы из их оксидов:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image008_58.jpg" height="12">реакции показывают, что углерод по своей восстановительной способности близок к металлам.

2. Углерод как окислитель

Окислительные свойства углерод проявляет по отно­шению к металлам и водороду.

а) Существует огромное количество углеводородов СхНу, т.е. соединений углерода с водородом. Однако не­посредственное взаимодействие простых веществ С и Н2 Протекает с большим трудом при высоких температурах и давлении, в присутствии катализатора (платины или никеля). В результате этой обратимой реакции образует­ся простейший углерод - метан.

б) Несколько легче углерод взаимодействует с метал­лами, образуя карбиды металлов:

1
Са + 2С° = СаС2 карбид кальция

Карбиды металлов активно взаимодействуют с водой и кислотами.

20.3. Общая характеристика кремния

Кремний является аналогом углерода. Электронная конфигурация атома кремния:

Строениеhttps://pandia.ru/text/80/150/images/image010_52.jpg" width="150 height=57" height="57">

Как и углерод, кремний является неметаллом и про-, являет в своих соединениях и положительные, и отрица­тельные степени окисления, наиболее характерными яв­ляются следующие: -4 (силан SiH4, силициды металлов Mg2Si, Ca2Si и др.);

О (простое вещество Si) +4 (оксид кремния (IV), кремниевая кислота H2Si03 и ее соли - силикаты, галогениды кремния (IV) SiF, и др.) Наиболее устойчива для кремния степень окисления +4.

20.3.1. Нахождение в природе

Кремний - один из самых распространенных в земной коре элементов (более 25 % массы). Главная часть земной коры состоит из силикатных пород, представляющих со­бой соединения кремния с кислородом и рядом других элементов. Природные силикаты - это довольно сложные вещества. Их состав обычно изображается как соединение нескольких оксидов. Соединения, в состав которых вхо­дит оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Та­ковы: белая глина А1203 2Si02 2Н20, полевой шпат К20 А1203 6 Si 02, слюда К20 А1203 6 Si 02 Н20.

Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями , например, аквамарин, изумруд, топаз и другие.

Значительная часть природного кремния представле­на оксидом кремния (IV) Si02. Свободного Si02 в земной коре около 12 %, в виде горных пород 43 %. В общей сложности более 50 % земной коры состоит из оксида кремния (IV)

Очень чистый кристаллический Si02 известен в виде минералов горного хрусталя и кварца. Кварц распростра­нен в виде песка и твердого минерала кремня (гидратиро-ванного оксида кремния (IV), или кремнезема).

Оксид кремния (IV), окрашенный различными приме­сями, образует драгоценные и полудрагоценные камниагат, аметист, яшму. В свободном виде кремний в приро­де не встречается.

20.3.2. Получение

В промышленности для получения кремния использу­ют чистый песок Si02. В электрических печах при высо­кой температуре происходит восстановления кремния из его оксида коксом (углем):

Si02 + 2C = Si + 2CO

В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий:

Si02 + 2Mg I Si + 2MgO

3Si02 + 4A1 =° 3Si + 2A1203

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом или цинком:

Электропроводка" href="/text/category/yelektroprovodka/" rel="bookmark">электропровод­ностью . Кристаллический кремний получают перекрис­таллизацией аморфного кремния. Аморфный кремний является более реакционноспособным, чем химически довольно инертный кристаллический кремний. Кристал­лический кремний - полупроводник, его электропровод­ность возрастает при освещении и нагревании.

20.3.4. Химические свойства

По химическим свойствам кремний во многом схож с углеродом, что объясняется одинаковой структурой внеш­него электронного слоя. При обычных условиях кремний довольно инертен, что обусловлено прочностью его крис­таллической решетки. Непосредственно при комнатной температуре он взаимодействует только с фтором. При температуре 400-600 °С кремний реагирует с хлором и бромом, а в кислороде измельченный кремний сгорает. С азотом и углеродом кремний реагирует при очень высо­ких температурах. Во всех указанных реакциях кремний играет роль восстановителя.

https://pandia.ru/text/80/150/images/image013_31.jpg" width="355 height=108" height="108">

В технике карборунд получают в электрических печах из смеси песка и кокса:

Карборунд имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен че­тырьмя атомами углерода и наоборот. Ковалентные свя­зи между атомами очень прочны. Поэтому по твердости карборунд близок к алмазу. В технике карборунд приме­няют для изготовления точильных камней и шлифоваль­ных кругов.

Кремний как восстановитель взаимодействует и с не­которыми сложными веществами, например, с фтороводородом:

С другими галогеноводородами он в реакцию не всту­пает.

На холоду кремний реагирует со смесью азотной и плавиковой (HF) кислот:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image016_27.jpg" width="230" height="38 src=">

Силан - ядовитый газ с неприятным запахом, легко самовоспламеняется на воздухе:

SiH4 + 202 = Si02 + 2Н20

20.3.4. Оксид кремния (IV ). Кремниевая кислота и ее соли

Оксид кремния (IV) Si02 (диоксид кремния, кремне­зем, ангидрид кремниевой кислоты) - твердое тугоплав­кое вещество (температура плавления 1713 °С), нераство­римое в воде; из всех кислот только фтороврдородная кис­лота постепенно разлагает его:

Si02 + 4HF = SiF4T + 2Н20

Как кислотный океид Si02 при нагревании или сплав­лении реагирует с основными оксидами, щелочами и не­которыми солями (например, карбонатами) с образова­нием кремниевойкислоты - силикатов.

Полученные искусственным путем силикаты натрия и калия - растворимое стекло - сильно гидролизованы. Их концентрированный раствор, называемый жидким стеклом, имеет сильнощелочную реакцию. Жидкое стекло применяется для изготовления несгораемых тканей, про­питки деревянных изделий, в качестве клея и т. д.

Кремниевая кислота H2Si03 относится к очень сла­бым кислотам. В воде она практически нерастворима, но легко образует коллоидные растворы. Ее можно полу­чить из растворов силикатов действием на них более силь­ных кислот: соляной, серной, уксусной и даже угольной. H2Si03 выпадает из раствора в виде студенистого осадка:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image018_25.jpg" width="170" height="28 src=">

20.3.5. Медико-биологическое значение углерода и кремния

Углерод. Является основой для всех органических со­единений, это органоген номер один. Входит в состав клеток и тканей, всех биологически активных соедине­ний. В организме гидрокарбонаты натрия и калия с уголь­ной кислотой образуют буферную систему, участвующую в поддержании КОС (кислотно-основного состояния орга­низма). Гидрокарбонат натрия (питьевая сода) применя­ется как антацидное средство. Активированный уголь как сорбирующее средство применяют при метеоризме, пи­щевых отравлениях, а также при отравлениях алкалои­дами и солями тяжелых металлов.

Кремний входит в состав клеток эпителиальной и со­единительной тканей, печени, надпочечника, хрустали­ка глаза. Нарушение обмена кремния связывают с воз­никновением гипертонии, ревматизма, гепатита и др.

Краткая сравнительная характеристика элементов углерода и кремния представлена в таблице 6.

Таблица 6

Сравнительная характеристика углерода и кремния

Критерии сравнения	Углерод – С	Кремний – Si
положение в периодической системе химических элементов	, 2-ой период, IV группа, главная подгруппа	, 3-ий период, IV группа, главная подгруппа
электронная конфигурация атомов
валентные возможности	II – в стационарном состоянии IV – в возбужденном состоянии
возможные степени окисления	, , , , ,	,
высший оксид	, кислотный	, кислотный
высший гидроксид	– слабая нестойкая кислота	() или – слабая кислота, имеет полимерную структуру
водородное соединение	– метан (углеводород)	– силан, неустойчив

Углерод . Для углерода-элемента характерна аллотропия. Углерод существует в форме следующих простых веществ: алмаз, графит, карбин, фуллерен, из которых термодинамически устойчивым является только графит. Уголь и сажу можно рассматривать как аморфные разновидности графита.

Графит тугоплавок, мало летуч, при обычной температуре химически инертен, представляет собой непрозрачное, мягкое вещество, слабо проводящее ток. Структура графита слоистая.

Аламаз – чрезвычайно твердое, химически инертное (до 900 °С) вещество, не проводит тока и плохо проводит тепло. Структура алмаза тетраэдрическая (каждый атом в тетраэдре окружен четырьмя атомами и т.д.). Поэтому алмаз – простейший полимер, макромолекула которого состоит из одних атомов углерода.

Карбин имеет линейную структуру ( –карбин, полиин) или ( – карбин, полиен). Представляет собой черный порошок, обладает полупроводниковыми свойствами. Под действием света электропроводность карбина увеличивается, а при температуре карбин превращается в графит. Химически более активен, чем графит. Синтезирован в начале 60-х годов XX в., позже был обнаружен в некоторых метеоритах.

Фуллерен – аллотропная модификация углерода, образованная молекулами , имеющими конструкцию типа “футбольный мяч”. Были синтезированы молекулы , и другие фуллерены. Все фуллерены представляют собой замкнутые структуры из атомов углерода в гибридном состоянии. Негибридизованные электроны связей делокализованы как в ароматических соединениях. Кристаллы фуллерена относятся к молекулярному типу.

Кремний . Для кремния не характерно связей, не характерно существование в гибридном состоянии. Поэтому существует только одна устойчивая аллотропная модификация кремния, кристаллическая решетка которой подобна решетке алмаза. Кремний – твердое (по шкале Мооса твердость равна 7), тугоплавкое (), очень хрупкое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском при стандартных условиях – полупроводник. Химическая активность зависит от размеров кристаллов (крупнокристаллический менее активен, чем аморфный).

Реакционная способность углерода зависит от аллотропной модификации. Углерод в виде алмаза и графита довольно инертен, устойчив к действию кислот, щелочей, что позволяет изготавливать из графита тигли, электроды и т.д. Более высокую реакционную способность углерод проявляет в виде угля и сажи.

Кристаллический кремний достаточно инертен, в аморфной форме – более активен.

Основные виды реакций, отражающих химические свойства углерода и кремния, приведены в таблице 7.

Таблица 7

Основные химические свойства углерода и кремния

реакция с	углерод	реакция с	кремний
простыми веществами	кислородом		кислородом
галогенами		галогенами
серой		углеродом
водородом		водородом	не реагирует
металлами		металлами
сложными веществами	оксидами металлов		щелочами
водяным паром		кислотами	не реагирует
кислотами

Вяжущие материалы

Вяжущие материалы – минеральные или органические строительные материалы, применяемые для изготовления бетонов, скрепления отдельных элементов строительных конструкций, гидроизоляции и др .

Минеральные вяжущие материалы (МВМ)– тонкоизмельченные порошкообразные материалы (цементы, гипс, известь и др.), образущие при смешивании с водой (в отдельных случаях – с растворами солей, кислот, щелочей) пластичную удобоукладываемую массу, затвердевающую в прочное камневидное тело и связывающую частицы твердых заполнителей и арматуру в монолитное целое.

Твердение МВМ осуществляется вследствие процессов растворения, образования пересыщенного раствора и коллоидной массы; последняя частично или полностью кристаллизуется.

Классификация МВМ:

1. гидравлические вяжущие материалы:

При смешивании с водой (затворении) твердеют и продолжают сохранять или наращивать свою прочность в воде. К ним относятся различные цементы и гидравлическая известь. При твердении гидравлической извести происходит взаимодействие СаО с водой и углекислым газом воздуха и кристаллизация образующегося продукта. Применяют в строительстве наземных, подземных и гидротехнических сооружений, подвергающихся постоянному воздействию воды.

2. воздушные вяжущие материалы:

При смешивании с водой твердеют и сохраняют прочность только на воздухе. К ним относятся воздушная известь, гипсово-ангидритные и магнезиальные воздушные вяжущие.

3. кислотоупорные вяжущие материалы:

Состоят в основном из кислотоупорного цемента, содержащего тонкоизмельченную смесь кварцевого песка и ; их затворяют, как правило, водными растворами силиката натрия или калия, они длительно сохраняют свою прочность при воздействии кислот. При твердении осуществляется реакция . Применяют для производства кислотоупорных замазок, строительных растворов и бетонов при строительстве химических предприятий.

4. вяжущие материалы автоклавного твердения:

Состоят из известково-кремнеземистых и известково-нефелиновых вяжущих (известь, кварцевый песок, нефелиновый шлам) и твердеют при обработке в автоклаве (6-10 ч, давление пара 0,9-1,3 МПа). К ним относят также песчанистые портландцементы и другие вяжущие на основе извести, зол и малоактивных шламов. Применяют в производстве изделий из силикатных бетонов (блоки, силикатный кирпич и др.).

5. фосфатные вяжущие материалы:

Состоят из специальных цементов; их затворяют фосфорной кислотой с образованием пластичной массы, постепенно затвердевающей в монолитное тело, и сохраняющей свою прочность при температурах выше 1000 °С. Обычно используют титанофосфатный, цинкофосфатный, алюмофосфатный и др. цементы. Применяют для изготовления огнеупорной футеровочной массы и герметиков для высокотемпературной защиты металлических деталей и конструкций в производстве огнеупорных бетонов и др.

Органические вяжущие материалы (ОВМ)– вещества органического происхождения, способные переходить из пластичного состояния в твердое или малопластичное в результате полимеризации или поликонденсации.

По сравнению с МВМ они менее хрупки, имеют большую прочность при растяжении. К ним относятся продукты, образующиеся при переработке нефти (асфальт, битум), продукты термического разложения древесины (деготь), а также синтетические термореактивные полиэфирные, эпоксидные, феноло-формальдегидные смолы. Применяют в строительстве дорог, мостов, полов производственных помещений, рулонных кровельных материалов, асфальтополимерныбетонов и др.

Углерод в своих соединениях проявляет валентность II и IV. Двухвалентный углерод находится в своей основной электронной конфигурации, а IV-валентный находится в возбужденной конфигурации. При переходе в возбужденное состояние электрон с 2s-орбитали занимает вакантное место на 2р-орбитали. При образовании химической связи происходит гибридизация электронных облаков. Углерод может проявлять степени окисления от -4 до +4. К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды, угольная кислота, её соли - карбонаты и гидрокарбонаты и карбиды.

В неорганических соединениях углерод проявляет степень окисления +4, +2, и несколько отрицательных степеней окисления в карбидах. Одной из особенностей атомов углерода является его способность образовывать цепочки неограниченной длины. Из-за этого и существует огромное число органических соединений.

Аллотропия углерода

Для углерода простого вещества характерная аллотропия . Вопрос об аллотропии углерода очень спорный, потому что открываются все новые и новые аллотропные модификации углерода. Уголь и сажа аллотропной модификацией углерода сейчас уже не считаются, так как они не имеют четкой молекулярной структуры. Подробно рассмотрим графит и алмаз. Рис. 2-5. Эти вещества отличаются друг от друга не только по внешнему виду, но и по своим свойствам. Причиной отличия алмаза от графита является различие в кристаллических решетках этих веществ.

В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в sp3-гибридизации и образует 4 равноценные «сигма» σ -связи с атомами углерода. Эти связи направлены к вершинам тетраэдра. Симметричность и прочность С-С связи в кристалле алмаза обуславливает его исключительную прочность и отсутствие электронной проводимости.

В кристалле графита каждый атом углерода находится в sp2-гибридизации и образует 3 равноценные σ-связи с соседними атомами углерода в одной плоскости под углом 1200. В этой плоскости образуется слой, состоящий из шестичленных колец. Кроме того каждый атом углерода имеет один неспаренный электрон, находящийся на не гибридизованной р-орбитали, перпендикулярной плоскости слоя. Эти электроны образуют общую систему π-связей. Связь между слоями осуществляется за счет относительно слабых межмолекулярных сил. И эти связи между слоями гораздо менее прочны, чем связи между атомами внутри слоя. Это обуславливает способность графита легко расслаиваться, его мягкость, металлический блеск, электропроводность и большую по сравнению с алмазом химическую активность.

Можно осуществлять переходы между различными аллотропными модификациями углерода. Графит при температуре около 20000С и огромном давлении до 50 тыс. атм. под действием никелевого катализатора может частично переходить в алмаз. Такие алмазы пригодны только для технических целей, так как они очень мелкие и содержат большое количество примесей и дефектов.

Реакционно-способными модификациями углерода являются уголь и сажа. Для углерода характерна окислительно-восстановительная двойственность.

Углерод - восстановитель

С + О2СО2 (6000С - 7000С)

2С + О2 СО (более 10000С)

C(кокс) + СuO Cu + CO

2C(кокс) + SnO2 Sn + 2CO

C + H2O ⇄ CO + H2

При нагревании углерод реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами.

С + 2H2SO4 CO2 + 2SO2 + 2H2O

С + 4HNO3 CO2 + 4NO2 + 2H2O

Углерод - окислитель

С + Н2 CH4 (10МПа)

С + Si SiC (10000С - 12000С) (карбид кремния или карборунд)

Образование карбидов

При высокой температуре уголь взаимодействует с металлами, образуя карбиды.

2С + Сa CaC2 (ацетиленид)

3С + 4Al Al4C3 (метанид)

CaC2 + 2Н2О = Сa(OH)2 + C2H2

Al4C3 + 12Н2О = 4Al(OH)3 + 3CH4

Оксид углерода (II )

Это вещество молекулярного строения. Связь ковалентная полярная - тройная. Две общие электронные пары образованы по обменному механизму, а третья - по донорно-акцепторному. Молекулы СО содержат активную неподеленную электронную пару. Рис. 6. Она может выступать как донор этой электронной пары. Поэтому оксид углерода (II) может активно взаимодействовать с металлами.

Fe + 5CO Fe(CO)5 карбонил железа.

Карбонилы металлов - это комплексные неорганические соединения. Например, при нагревании карбонилы легко разлагаются, и таким образом можно получать высокочистые металлы. Они интересны и своими химическими свойствами.

При обычных условиях оксид углерода (II ) - это газ, без цвета и запаха, плохо растворим в воде. Угарный газ очень ядовит. Размер молекулы СО близок размером к молекуле кислорода, поэтому он может взаимодействовать с гемоглобином, давая карбоксигемоглобин. И такой комплекс уже не может переносить кислород, и значит, нарушается транспорт кислорода в крови.

Оксид углерода (II) - это несолеобразующий оксид . При обычных условиях он не взаимодействует ни с кислотами , ни с основаниями . Но при нагревании и под давлением может реагировать со щелочью .

СО + КОН ⇆ НСООК (формиат калия)

Угарный газ обладает ярко выраженными восстановительными свойствами. Восстановительные свойства выражены даже сильнее, чем у водорода. При нагревании он способен восстанавливать металлы из их оксидов. На этом основана выплавка чугуна из железных руд в домнах.

Fe2O3 + 3CO Fe + 3CO2

CO + O2 = CO2 (7000C)

Получение в лаборатории

Углекислый газ и угольная кислота

Углекислый газ СО2 - это вещество молекулярного строения. При обычных условиях - это газ без цвета и запаха, значительно тяжелее воздуха, плохо растворим в воде. При t=-780С твердый углекислый газ сублимируется. На этом основано его использование в качестве удобного хладагента. Его называют «сухой лёд».

Химические свойства оксида углерода ( IV )

Углекислый газ СО2 - это кислотный оксид . Но только небольшая его часть, менее 1%, взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты.

СО2 + Н2О → Н2СО3

Оксид углерода (IV) взаимодействует со щелочами с образованием карбонатов или гидрокарбонатов.

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

CO2+ NaOH = NaHCO3

Взаимодействует с основными оксидами с образованием солей.

MgO + CO2 = MgCO3

Для СО2 нехарактерны окислительные свойства. Один из немногих случаев, когда он проявляет окислительные свойства, - когда горящий магний продолжает гореть в углекислом газе

СО2 + 2Mg 2MgO + C

Качественная реакция на углекислый газ - это помутнение известковой воды, вследствие образования нерастворимых карбонатов.

Сa(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ H2O, но при пропускании избытка углекислого газа, карбонат переходит в растворимый гидрокарбонат, и осадок исчезает.

CaCO3↓+ СО2+ Н2О = Сa(HCO3)2

Получение СО2в лаборатории

На мел или мрамор действуют сильными кислотами.

CaCO3↓+2HCl = СО2+ Н2О+ CaCl2

Соли угольной кислоты - карбонаты и гидрокарбонаты

Соли угольной кислоты - карбонаты и гидрокарбонаты - вещества ионного строения, белого цвета, если ион металла не окрашен. Растворимые карбонаты подвергаются в водных растворах гидролизу по аниону с образованием щелочной среды.

Na2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOH

В быту при приготовлении теста часто проводится реакция гашения соды:

NaHCO3 + CH3COOH = CH3COONa + CO2 + H2O

Карбонаты разлагаются при нагревании

CaCO3↓ CaO + CO2

Различные карбонаты встречаются в природе и имеют тривиальные названия. См. рис. 7. Многие карбонаты имеют важное практическое значение.

Кальцинированную соду применяют при производстве стекла, мыла, моющих средств, красителей, для обработки руд при получении некоторых металлов.

Питьевая сода широко используется в пищевой промышленности, медицине, быту. Питьевая сода входит в состав препаратов для огнетушителей.

Поташ применяют в производстве стекла, мыла, в фотографии.

Карбонат кальция является основным компонентом природных материалов: известняка, мела и мрамора. Эти вещества используются в строительстве. Известняк вносят в почву для снижения её кислотности и улучшения структуры.

Источники

http://www.youtube.com/watch?t=5&v=N4MlI_xeUis

http://www.youtube.com/watch?t=12&v=CRi0G8RM9lY

источник презентации - http://ppt4web.ru/khimija/uglerod.html

конспект http://interneturok.ru/ru/school/chemistry/11-klass