ارائه با موضوع "کربن و سیلیکون". اصلاحات آلوتروپیک کربن روش های تهیه: آزمایشگاهی و صنعتی

کربن در حالت آزاد به شکل الماس که در سیستم مکعبی متبلور می شود و گرافیت که متعلق به سیستم شش ضلعی است شناخته می شود. اشکال آن مانند زغال چوب، کک، دوده ساختار نامنظم دارند.

برنج. 117. سازه الماس. فلش ها پیوندهای بین اتم ها را در چهار وجهی نشان می دهد.

کاربین و پلی کومولن به طور مصنوعی به دست می آیند - انواع کربن، متشکل از پلیمرهای زنجیره ای خطی از نوع ... -C?C-C?C... یا...=C=C=C=... کاربین دارای خواص نیمه هادی است. هنگامی که بدون دسترسی به هوا به شدت گرم می شود، به گرافیت تبدیل می شود.

الماس ماده ای بی رنگ و شفاف است که پرتوهای نور را به شدت می شکند. در یک شبکه مکعبی رو به مرکز متبلور می شود. در این حالت، نیمی از اتم ها در رئوس و مراکز وجه یک مکعب قرار دارد، و دیگری - در رئوس و مراکز صورت یک مکعب دیگر، نسبت به اولی در جهت فضایی آن جابجا شده است. مورب اتم های کربن در الماس در حالت هیبریداسیون sp 3 هستند و یک شبکه چهار وجهی سه بعدی را تشکیل می دهند که در آن توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می شوند*. فاصله بین اتم ها در چهار وجهی 0.154 نانومتر است. ساختار الماس در شکل نشان داده شده است. 117.

* آرایش چهار وجهی مشابهی از پیوندهای تشکیل شده توسط یک اتم کربن نیز مشخصه هیدروکربن های قابل تبدیل و مشتقات آنها است (نگاه کنید به § 162).

در بین تمام مواد ساده، الماس دارای حداکثر تعداد اتم در واحد حجم است - اتم های کربن بسیار محکم در الماس "بسته بندی" شده اند. این، و همچنین استحکام باند بالا در چهار وجهی کربن، دلیل این واقعیت است که الماس از نظر سختی نسبت به همه مواد شناخته شده برتر است. بنابراین، به طور گسترده ای در صنعت استفاده می شود. تقریبا 80 درصد از الماس های استخراج شده برای اهداف فنی استفاده می شود. برای پردازش مواد سخت مختلف و برای حفاری سنگ استفاده می شود. الماس اگرچه بسیار سخت است، اما شکننده است. پودر به دست آمده از آسیاب الماس برای صیقل دادن سنگ های قیمتی و خود الماس استفاده می شود. الماس های شفاف صیقلی شده برلیانت نامیده می شوند.

به دلیل ارزش زیاد الماس، تلاش های زیادی برای به دست آوردن مصنوعی از گرافیت صورت گرفته است. با این حال، برای مدت طولانی این تلاش ها با شکست به پایان رسید. تنها در سال 1955 با استفاده از فشار بسیار بالا (حدود 1010 پاسکال) و گرمایش طولانی مدت در دمای حدود 3000 درجه سانتیگراد، دانشمندان آمریکایی و همزمان سوئدی موفق به دستیابی به الماس مصنوعی شدند. اتحاد جماهیر شوروی نیز روشی برای تولید الماس مصنوعی ابداع کرد و در سال 1961 تولید صنعتی آنها آغاز شد. علاوه بر این، در سال 1969، کریستال های الماس نخ مانند در اتحاد جماهیر شوروی سنتز شدند و آنها در فشار معمولی به دست آمدند.

برنج. 118. ساختار گرافیت.

سبیل ها یا سبیل ها ساختاری دارند که عملاً عاری از عیب بوده و از استحکام بسیار بالایی برخوردارند.

وقتی الماس در اکسیژن گرم می شود، می سوزد و دی اکسید کربن تشکیل می دهد. اگر الماس را بیش از حد بدون دسترسی به هوا گرم کنید، به گرافیت تبدیل می شود.

گرافیت بلورهای خاکستری تیره با درخشندگی فلزی ضعیف است. دارای یک شبکه لایه لایه است. همه اتم‌های کربن در اینجا در حالت هیبریداسیون sp 2 هستند: هر یک از آنها سه پیوند کووالانسی با اتم‌های همسایه تشکیل می‌دهند و زوایای بین جهات پیوند برابر با 120 درجه سانتیگراد است. نتیجه یک شبکه مسطح متشکل از شش ضلعی های منظم است که در راس آن هسته های اتم های کربن قرار دارند. فاصله بین هسته های مجاور 0.1415 نانومتر است.

سه الکترون از هر اتم کربن در تشکیل پیوندهای α شرکت می کنند. چهارمین الکترون لایه بیرونی اوربیتال 2p را اشغال می کند که در هیبریداسیون دخالتی ندارد. چنین ابرهای الکترونی غیر هیبریدی از اتم‌های کربن عمود بر صفحه لایه جهت‌گیری می‌کنند و با همپوشانی روی یکدیگر، پیوندهای β غیرمحلی را تشکیل می‌دهند. ساختار گرافیت در شکل نشان داده شده است. 118.

لایه های مجاور اتم های کربن در یک کریستال گرافیت در فاصله نسبتاً زیادی از یکدیگر (0.335 نانومتر) قرار دارند. این نشان دهنده استحکام پیوند کم بین اتم های کربن واقع در لایه های مختلف است. لایه های مجاور عمدتاً توسط نیروهای واندروالس به یکدیگر متصل می شوند، اما بخشی از اتصال ماهیت فلزی دارد، یعنی به دلیل "به اشتراک گذاری" الکترون ها توسط همه اتم های کریستال. این امر هدایت الکتریکی و هدایت حرارتی نسبتاً بالای گرافیت را نه تنها در جهت لایه ها، بلکه در جهت عمود بر آنها توضیح می دهد.

ساختار در نظر گرفته شده گرافیت باعث ناهمسانگردی قوی خواص آن می شود. بنابراین، هدایت حرارتی گرافیت در جهت صفحه لایه 4.0 J/(cm·s·K) و در جهت عمود 0.79 J/(cm·s·K) است. مقاومت الکتریکی گرافیت در جهت لایه ها 10 4 برابر کمتر از جهت عمود آن است.

لایه‌های مجزای اتم‌ها در یک کریستال گرافیت که نسبتاً ضعیف به یکدیگر متصل هستند، به راحتی از یکدیگر جدا می‌شوند.

این استحکام مکانیکی پایین گرافیت را توضیح می دهد. اگر یک تکه گرافیت را روی کاغذ بکشید، کریستال های ریز گرافیت که شبیه تکه های پوسته هستند به کاغذ می چسبند و یک خط خاکستری روی آن باقی می ماند. این اساس استفاده از گرافیت برای ساخت مداد است.

در هوا، گرافیت حتی با حرارت قوی مشتعل نمی شود، اما به راحتی در اکسیژن خالص می سوزد و به دی اکسید کربن تبدیل می شود.

گرافیت به دلیل رسانایی الکتریکی برای ساخت الکترود استفاده می شود. بوته های نسوز برای ذوب فلزات از مخلوط گرافیت و خاک رس ساخته می شوند. گرافیت مخلوط با روغن به عنوان یک روان کننده عالی عمل می کند، زیرا پوسته های آن، ناهمواری مواد را پر می کند، سطح صافی ایجاد می کند که لغزش را تسهیل می کند. گرافیت همچنین به عنوان تعدیل کننده نوترون در راکتورهای هسته ای استفاده می شود.

علاوه بر گرافیت طبیعی، از گرافیت مصنوعی در صنعت نیز استفاده می شود. این عمدتا از بهترین درجه های زغال سنگ به دست می آید. این تبدیل در دمای حدود 3000 درجه سانتیگراد در کوره های الکتریکی بدون دسترسی به هوا رخ می دهد. مواد مورد استفاده در صنایع شیمیایی بر پایه گرافیت طبیعی و به ویژه مصنوعی ساخته می شوند. به دلیل مقاومت شیمیایی بالایی که دارند برای آستر، لوله و ... استفاده می شود.

گرافیت از نظر ترمودینامیکی در طیف وسیعی از دماها و فشارها به ویژه در شرایط عادی پایدار است. در این راستا، هنگام محاسبه کمیت های ترمودینامیکی، گرافیت به عنوان حالت استاندارد کربن در نظر گرفته می شود. الماس از نظر ترمودینامیکی فقط در فشارهای بالا (بالاتر از 109 Pa) پایدار است. با این حال، سرعت تبدیل الماس به گرافیت تنها در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد قابل توجه است، تبدیل الماس به گرافیت به سرعت اتفاق می افتد.

کربن "بی شکل" (زغال سنگ). هنگامی که ترکیبات حاوی کربن بدون دسترسی به هوا گرم می شوند، یک توده سیاه به نام کربن "بی شکل" یا به سادگی زغال سنگ آزاد می کنند. چنین کربنی از کریستال های ریز با ساختار گرافیت نامنظم تشکیل شده است. زغال سنگ در بسیاری از فلزات مذاب مانند آهن، نیکل و پلاتین حل می شود. چگالی زغال سنگ از 1.8 تا 2.1 گرم بر سانتی متر مکعب است.

زغال‌سنگ‌ها بسته به ماده‌ای که از آن به‌دست می‌آیند و روش تولید آن‌ها، از نظر خصوصیات بسیار متفاوت هستند. علاوه بر این، آنها همیشه حاوی ناخالصی هایی هستند که به شدت بر خواص آنها تأثیر می گذارد. مهمترین درجات فنی زغال سنگ: کک، زغال چوب، زغال سنگ استخوان و دوده.

کک از تقطیر خشک زغال سنگ بدست می آید. این عمدتا در متالورژی برای ذوب فلزات از سنگ معدن استفاده می شود.

برنج. 119. دستگاهی برای نشان دادن جذب آمونیاک توسط زغال سنگ.

زغال چوب از گرم کردن چوب بدون هوا تولید می شود. در همان زمان، محصولات با ارزش تقطیر خشک - متیل الکل، اسید استیک و غیره به دست می آید. زغال چوب در صنعت متالورژی و آهنگری استفاده می شود.

زغال چوب به دلیل ساختار متخلخل خود ظرفیت جذب بالایی دارد.

برای مشاهده جذب گازها توسط زغال سنگ آزمایش زیر را انجام می دهیم. یک استوانه شیشه ای را با آمونیاک پر کنید و انتهای باز آن را در یک فنجان جیوه پایین بیاورید (شکل 119). سپس با گرم کردن یک تکه زغال روی مشعل، آن را در جیوه فرو کنید و زیر سوراخ سیلندر آمونیاک قرار دهید. زغال سنگ روی سطح جیوه در سیلندر شناور می شود و به دلیل جذب آمونیاک توسط زغال سنگ، جیوه بلافاصله شروع به بالا رفتن می کند.

کربن‌های فعال گازها را به‌خوبی جذب می‌کنند (ص 312). آنها برای جذب بخار مایعات فرار از مخلوط هوا و گاز، در ماسک های گاز و همچنین به عنوان کاتالیزور در برخی از صنایع شیمیایی استفاده می شوند.

زغال سنگ این توانایی را دارد که نه تنها گازها، بلکه مواد محلول را نیز جذب کند. این ملک در پایان قرن 18 توسط آکادمیک روسی T.E.

زغال استخوان از زغال کردن استخوان های بدون چربی ساخته می شود. حاوی 7 تا 11 درصد کربن، حدود 80 درصد فسفات کلسیم و سایر املاح است. زغال استخوانی قدرت جذب بسیار بالایی به خصوص در رابطه با رنگ های آلی دارد و برای حذف رنگ های مختلف از محلول ها استفاده می شود.

دوده خالص ترین کربن "بی شکل" است. در صنعت، با تجزیه حرارتی متان و همچنین با احتراق رزین، سقز و سایر مواد غنی از کربن با دسترسی ناکافی به هوا به دست می آید. کربن سیاه به عنوان رنگ سیاه (جوهر، جوهر چاپ) و همچنین در تولید لاستیک به عنوان جزء آن استفاده می شود.

<<< Назад

جلو >>>

عنصر شیمیایی

کربن- عنصر شیمیایی شماره \(6\). در گروه IV جدول تناوبی قرار دارد.

ج 6 6) 2 ه) 4e

لایه بیرونی اتم کربن شامل چهار الکترون ظرفیت است و چهار الکترون کمتر از اتمام است. بنابراین، در ترکیبات با فلزات، کربن با حالت اکسیداسیون \(-4\) مشخص می شود و هنگام تعامل با غیر فلزات الکترونگاتیو بیشتر، حالت های اکسیداسیون مثبت را نشان می دهد: \(+2\) یا \(+4\ ).

کربن در طبیعت هم به صورت مواد ساده و هم به صورت ترکیبات وجود دارد. هوا شامل دی اکسید کربن . در پوسته زمین رایج است کربنات ها (به عنوان مثال، Ca CO 3 گچ، مرمر، سنگ آهک را تشکیل می دهد). سوخت های فسیلی (زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، نفت، گاز طبیعی) شامل ترکیبات آلی که عنصر اصلی آن کربن است.

کربن اشاره دارد حیاتی عناصر، زیرا بخشی از مولکول های همه مواد آلی است.

مواد ساده

کربن چندین تغییر آلوتروپیک را تشکیل می دهد که شناخته شده ترین آنها هستند الماس و گرافیت .

الماس دارای یک شبکه کریستالی اتمی هر اتم کربن در الماس با چهار پیوند کووالانسی قوی به اتم های همسایه واقع در راس چهار وجهی متصل است.

به لطف این ساختار، الماس سخت ترین ماده طبیعی شناخته شده است. هر چهار الکترون ظرفیت روی هر اتم کربن در تشکیل پیوند شرکت می کنند، بنابراین الماس رسانای الکتریسیته نیست. این یک ماده کریستالی شفاف و بی رنگ است که نور را به خوبی می شکند.

گرافیت همچنین دارای یک شبکه کریستالی اتمی است، اما ساختار آن متفاوت است. شبکه گرافیت لایه لایه است. هر اتم کربن با پیوندهای کووالانسی قوی به سه اتم همسایه متصل است. لایه های مسطحی از شش ضلعی ها تشکیل می شود که اتصال ضعیفی به یکدیگر دارند. یک الکترون ظرفیت روی اتم کربن آزاد می ماند.

گرافیت ماده ای خاکستری تیره با درخشندگی فلزی است و در لمس چرب است. بر خلاف الماس، گرافیت مات است، رسانای الکتریسیته است و یک علامت خاکستری روی کاغذ بر جای می گذارد. گرافیت نقطه ذوب بسیار بالایی دارد (\(3700\) درجه سانتیگراد).

الماس و گرافیت قابل تبدیل هستند. هنگامی که به شدت بدون دسترسی به هوا گرم می شود، الماس سیاه می شود و به گرافیت تبدیل می شود. گرافیت را می توان در دمای بالا و فشار بالا به الماس تبدیل کرد.

آنها از ذرات ریز گرافیت تشکیل شده اند دوده , زغال چوبی و کک . دوده در اثر احتراق ناقص سوخت تشکیل می شود. زغال چوب با حرارت دادن چوب بدون دسترسی به هوا تولید می شود و کک از فرآوری زغال سنگ به دست می آید.

زغال چوب ساختاری متخلخل دارد و توانایی جذب گازها و مواد محلول را دارد. این خاصیت نامیده می شود جذب .

خواص شیمیایی

تغییرات آلوتروپیک کربن در واکنش های شیمیایی نیز می تواند آشکار شود اکسیداتیو , و مقوی خواص خواص اکسید کننده کربن نسبت به سایر غیر فلزات دوره دوم (نیتروژن، اکسیژن و فلوئور) کمتر مشخص است.

• تعامل با فلزات.

کربن در دمای بالا با فلزات واکنش داده و تشکیل می شود کاربیدها :

4 Al 0 3 C 0 = t Al 3 4 C − 4 3 .

در این واکنش کربن به عنوان عمل می کند اکسید کننده .

• برهمکنش با هیدروژن

موضوع – 20: زیر گروه کربن. موقعیت کربن در جدول تناوبی آلوتروپی کربن

دانش آموز باید:

بدانید:

· ویژگی های ساختاری اتم زیرگروه کربن.

· خواص، ترکیب، تهیه و کاربردهای مهم ترین ترکیبات شیمیایی.

قادر بودن به:

· خصوصیات کلی زیر گروه کربن را مشخص کنید.

· فرمول های شیمیایی ترکیبات هیدروژن و اکسیژن را ترسیم کنید.

· انجام آزمایشات شیمیایی تایید کننده خواص غیرفلزهای مورد مطالعه.

20.1. مشخصات عمومی غیر فلزات (IV)گروه ها

زیر گروه اصلی گروه IV را عناصر تشکیل می دهند کربن (C)، سیلیکون (سی), ژرمانیوم (GE), قلع (Sn), و رهبری(Pb).

پیکربندی الکترونیکی لایه الکترونی بیرونی اتم های عناصر این زیر گروه است ns2 n.p.2 . که درحالت پایه (تحریک نشده) در زیرسطح p شامل دو الکترون جفت نشده است که ظرفیت مشترک همه عناصر را برابر با (II) تعیین می کند. وقتی اتم‌ها به حالت برانگیخته تغییر می‌کنند، تعداد الکترون‌های جفت نشده به چهار افزایش می‌یابد، بنابراین ظرفیت مشخصه دیگر IV است.

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

کربن و سیلیکون هر دو مثبت و وحالت های اکسیداسیون منفی فلزات Ge، Sn، Pb در همه ترکیبات حالت اکسیداسیون مثبت را نشان می دهند، به استثنای ترکیبات هیدروژنی GeH4، SnH4 و PbH4 که بسیار ناپایدار هستند.

از کل زیر گروه، تنها کربن یک ترکیب هیدروژنی پایدار CH4 را تشکیل می دهد.

عناصر زیر گروه اصلی گروه IV اکسیدهای بالاتر از نوع R02 و اکسیدهای پایین تر از نوع RO را تشکیل می دهند. ماهیت این اکسیدها متفاوت است:

20.2. کربن

فرمول الکترونیکی اتم کربن ls22s22p2 است. فرمول گرافیکی الکترونیکی لایه بیرونی:

ظرفیت های احتمالی: II، IV. حالت های اکسیداسیون احتمالی: -4، 0، +2، +4.

کربن در بیشتر ترکیبات خود دارد ظرفیتIVو حالت اکسیداسیون +4.

از آنجایی که کربن دارای انرژی یونیزاسیون بالا و انرژی میل الکترونی کم است، با تشکیل پیوندهای یونی مشخص نمی شود. به طور معمول، کربن پیوندهای کووالانسی با قطب پایین تشکیل می دهد.

یکی از ویژگی های متمایز کربن توانایی اتم های آن برای ترکیب شدن با یکدیگر است زنجیره های کربن-کربن:خطی، منشعب و حلقوی:

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

گرافیت- یک ماده خاکستری تیره نرم با درخشندگی فلزی. شبکه کریستالی دارای ساختار لایه ای است (شکل 15).

در صفحه یک لایه، اتم های کربن توسط پیوندهای کووالانسی قوی به یکدیگر متصل شده و حلقه های شش عضوی را تشکیل می دهند. لایه‌های منفرد گرافیت که از تعداد نامتناهی از این حلقه‌ها تشکیل شده‌اند، نسبتاً ضعیف به یکدیگر متصل هستند. فاصله بین لایه ها در یک کریستال گرافیت 2.5 برابر بیشتر از فاصله بین اتم های همسایه در همان صفحه است.

به عبارت دیگر، هر اتم کربن در شبکه کریستالی گرافیت 3 پیوند کووالانسی قوی با اتم های کربن در یک لایه تشکیل می دهد که به سه الکترون ظرفیت نیاز دارد. الکترون چهارم نسبتاً آزاد است. این الکترون‌های آزاد در تشکیل پیوندهای بین لایه‌ها شرکت می‌کنند و با توجه به نوع پیوند فلزی، بین تمام اتم‌های کریستال مشترک هستند. بنابراین، شبکه کریستالی گرافیت را می توان انتقالی بین شبکه های اتمی و فلزی در نظر گرفت. این امر هدایت الکتریکی و گرمایی نسبتاً بالای گرافیت را توضیح می دهد.

با کمی احتیاط (به دلیل وجود ناخالصی) بهتغییرات آلوتروپیک کربن شامل به اصطلاح کربن آمورف،که مهمترین نمایندگان آن هستند دوده، ککو زغال چوبی .از زغال چوب، با تصفیه آن با بخار فوق گرم در دمای بالا، به دست می آید کربن فعال.

یکی دیگر از اصلاحات آلوتروپیک کربن به طور مصنوعی به دست می آید - کارابیناین یک پودر سیاه است باپراکنده با ذرات بزرگتر در کاربین، اتم های کربن در دو نوع زنجیره خطی بلند به یکدیگر متصل می شوند: باپیوندهای سه گانه و تک متناوب ... - C = C-C = C - C = C- ... و با سیستم پیوسته پیوندهای دوگانه ... = C = C = C = C = .... در سال های اخیر، مقدار کمی کاربین در طبیعت یافت می شود.

20.2.2. خواص شیمیایی کربن

در دماهای معمولی، کربن فعالیت شیمیایی کمی از خود نشان می دهد. هنگامی که گرم می شود، واکنش پذیری افزایش می یابد، به خصوص برای گرافیت و کربن آمورف.

اتم‌های کربن با داشتن 4 الکترون در لایه بیرونی الکترون، می‌توانند آنها را از بین ببرند و به نمایش بگذارند خواص ترمیمی:

C0- 4е → C+4

بااز سوی دیگر، اتم‌های کربن می‌توانند 4 الکترون از دست رفته در هشت را بپذیرند، در حالی که نشان می‌دهند. خواص اکسید کننده:

C0 + 4е→ S-4.

از آنجایی که کربن دارای الکترونگاتیوی پایینی است (در مقایسه با باهالوژن ها، اکسیژن، نیتروژن و سایر غیر فلزات فعال)، سپس خواص اکسید کننده آن بسیار کمتر مشخص می شود.

1. کربن به عنوان یک عامل کاهنده

هنگام تعامل بامواد ساده‌ای که توسط نافلزات الکترونگاتیو بیشتر تشکیل می‌شوند، کربن خواص کاهشی از خود نشان می‌دهد.

الف) کربن از پیش گرم شده در هوا می سوزد
بامقدار زیادی گرما آزاد می کند و یک اکسید تشکیل می دهد
کربن (CO2) یا دی اکسید کربن:

C + 02 = CO2 + Q (T° = -394 kJ/mol).

در صورت کمبود اکسیژن، مونوکسید کربن (II) یا مونوکسید کربن CO تشکیل می شود:

2C + 02 → 2СО.

ب) کربن داغ برهم کنش دارد باخاکستری و او
به صورت جفت، دی سولفید گوگرد CS2 (دی سولفید کربن) را تشکیل می دهند:

C + 2S = CS2 - Q (این یک واکنش گرماگیر است)

دی سولفید کربن یک مایع بی رنگ فرار (Bp = 46 درجه سانتیگراد) با بوی مشخص است. یک حلال عالی برای چربی ها، روغن ها، رزین ها و غیره است.

ج) از بین هالوژن ها، کربن راحت ترین واکنش را نشان می دهد
با فلوئور:

C + 2F2 = تترا فلوئوروکربن CF4

د) کربن مستقیماً با نیتروژن برهمکنش ندارد.
کربن به عنوان یک عامل کاهنده در رابطه با مواد پیچیده عمل می کند:

الف) هنگام عبور بخار آب از گرم
زغال سنگ مخلوطی از کربن (II) با هیدروژن (گاز آب) تولید می کند.

ب) در دماهای بالا کربن کاهش می یابد
فلزات از اکسیدهای آنها:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image008_58.jpg" height="12">واکنش ها نشان می دهد که کربن از نظر توانایی کاهشی به فلزات نزدیک است.

2. کربن به عنوان یک عامل اکسید کننده

کربن در رابطه با فلزات و هیدروژن خواص اکسید کننده ای از خود نشان می دهد.

الف) مقدار زیادی هیدروکربن CxHy وجود دارد، یعنی. ترکیبات کربن با هیدروژن با این حال، برهمکنش مستقیم مواد ساده C و H2 به سختی در دما و فشار بالا، در حضور یک کاتالیزور (پلاتین یا نیکل) رخ می دهد. در نتیجه این واکنش برگشت پذیر، ساده ترین کربن - متان - تشکیل می شود.

ب) کربن تا حدودی راحت تر با فلزات برهمکنش می کند و کاربیدهای فلزی را تشکیل می دهد:

1
Ca + 2C° = CaC2 کاربید کلسیم

کاربیدهای فلزی به طور فعال با آب و اسیدها تعامل دارند.

20.3. مشخصات کلی سیلیکون

سیلیکون آنالوگ کربن است. پیکربندی الکترونیکی اتم سیلیکون:

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

مانند کربن، سیلیسیم یک غیر فلز است و در ترکیبات خود حالت اکسیداسیون مثبت و منفی را نشان می دهد که معمول ترین آنها عبارتند از: -4 (سیلان SiH4، سیلیسیدهای فلزی Mg2Si، Ca2Si، و غیره).

O (ماده ساده Si) +4 (اکسید سیلیکون (IV)، اسید سیلیسیک H2Si03 و نمک های آن - سیلیکات ها، هالیدهای سیلیکون (IV) SiF و غیره) پایدارترین حالت اکسیداسیون برای سیلیکون +4 است.

20.3.1. بودن در طبیعت

سیلیکون یکی از رایج ترین عناصر در پوسته زمین است (بیش از 25 درصد جرم). قسمت اصلی پوسته زمین را سنگ های سیلیکات تشکیل می دهد که ترکیبات سیلیسیم با اکسیژن و تعدادی عناصر دیگر است. سیلیکات های طبیعی مواد کاملا پیچیده ای هستند. ترکیب آنها معمولاً به صورت ترکیبی از چندین اکسید به تصویر کشیده می شود. ترکیباتی که حاوی اکسید آلومینیوم هستند آلومینوسیلیکات نامیده می شوند. اینها هستند: خاک رس سفید A1203 2Si02 2N20، فلدسپات K20 A1203 6سی02، میکا K20 A1203 6 سی02 H20.

بسیاری از سیلیکات های طبیعی در شکل خالص خود سنگ های قیمتی هستند، به عنوان مثال، آکوامارین، زمرد، توپاز و غیره.

بخش قابل توجهی از سیلیکون طبیعی توسط اکسید سیلیکون (IV) Si02 نشان داده شده است. Si02 آزاد در پوسته زمین حدود 12 درصد، به صورت سنگ 43 درصد. در مجموع، بیش از 50 درصد از پوسته زمین از اکسید سیلیکون (IV) ساخته شده است.

Si02 کریستالی بسیار خالص به شکل کریستال سنگی و کانی های کوارتز شناخته می شود. کوارتز به شکل ماسه و چرت معدنی سخت (اکسید سیلیکون هیدراته (IV) یا سیلیس رایج است.

اکسید سیلیکون (IV) رنگ شده با ناخالصی های مختلف، سنگ های قیمتی و نیمه قیمتی را تشکیل می دهد: عقیق، آمیتیست و یاس. سیلیکون به صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد.

20.3.2. اعلام وصول

در صنعت از ماسه خالص Si02 برای تولید سیلیکون استفاده می شود. در کوره های الکتریکی در دماهای بالا، سیلیکون از اکسید آن با کک (زغال سنگ) احیا می شود:

Si02 + 2C = Si + 2CO

در آزمایشگاه، منیزیم یا آلومینیوم به عنوان عوامل کاهنده استفاده می شود:

Si02 + 2Mg I Si + 2MgO

3Si02 + 4A1 =° 3Si + 2A1203

خالص ترین سیلیکون با احیای تتراکلرید سیلیکون با هیدروژن یا روی به دست می آید:

سیم کشی الکتریکی" href="/text/category/yelektroprovodka/" rel="bookmark">رسانایی الکتریکی. سیلیکون کریستالی از تبلور مجدد سیلیکون آمورف به دست می آید. سیلیکون آمورف نسبت به سیلیکون کریستالی نسبتاً بی اثر شیمیایی واکنش پذیرتر است. سیلیکون کریستالی بلوری نیمه هادی، هدایت الکتریکی آن با روشنایی و گرمایش افزایش می یابد.

20.3.4. خواص شیمیایی

خواص شیمیایی سیلیکون از بسیاری جهات شبیه کربن است که با ساختار یکسان لایه الکترونیکی بیرونی توضیح داده می شود. در شرایط عادی، سیلیکون کاملاً بی اثر است که به دلیل استحکام شبکه کریستالی آن است. مستقیماً در دمای اتاق فقط با فلوئور واکنش می دهد. در دمای 400-600 درجه سانتی گراد، سیلیکون با کلر و برم واکنش می دهد و سیلیکون خرد شده در اکسیژن می سوزد. سیلیکون در دماهای بسیار بالا با نیتروژن و کربن واکنش می دهد. در تمام این واکنش ها، سیلیکون بازی می کند نقش یک مرمت کننده

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

در فناوری، کربوراندوم در کوره های الکتریکی از مخلوط ماسه و کک تولید می شود:

کربوراندوم دارای یک شبکه کریستالی الماس مانند است که در آن هر اتم سیلیکون توسط چهار اتم کربن احاطه شده است و بالعکس. پیوندهای کووالانسی بین اتم ها بسیار قوی هستند. بنابراین کربوراندوم از نظر سختی نزدیک به الماس است. در فناوری، از کربوراندوم برای ساختن سنگ های تیزکننده و چرخ های سنگ زنی استفاده می شود.

سیلیکون، به عنوان یک عامل کاهنده، همچنین با برخی از مواد پیچیده، به عنوان مثال، هیدروژن فلوراید، تعامل دارد:

با سایر هالیدهای هیدروژن واکنش نمی دهد.

در سرما، سیلیکون با مخلوطی از اسیدهای نیتریک و هیدروفلوریک (HF) واکنش می دهد:

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

سیلان گازی سمی با بوی نامطبوع است که به راحتی خود به خود در هوا مشتعل می شود.

SiH4 + 202 = Si02 + 2H20

20.3.4. اکسید سیلیکون (IV). اسید سیلیسیک ونمک او

اکسید سیلیکون (IV) Si02 (دی اکسید سیلیکون، سیلیس، انیدرید اسید سیلیسیک) یک ماده جامد، نسوز (نقطه ذوب 1713 درجه سانتیگراد)، نامحلول در آب است. از بین تمام اسیدها، فقط اسید هیدروفلوئوریک به تدریج آن را تجزیه می کند:

Si02 + 4HF = SiF4T + 2H20

چگونه اکسید اسیدی Si02، هنگامی که گرم یا ذوب می شود، با اکسیدهای بازی، قلیاها و برخی نمک ها (مثلاً کربنات ها) واکنش می دهد و اسید سیلیسیک تشکیل می دهد - سیلیکات ها

سیلیکات های سدیم و پتاسیم تولید شده به طور مصنوعی - شیشه محلول- بسیار هیدرولیز شده محلول غلیظ آنها، به نام شیشه مایع،واکنش بسیار قلیایی دارد. شیشه مایع برای ساخت پارچه های نسوز، اشباع محصولات چوبی، به عنوان چسب و و غیره.

اسید سیلیسیک H2Si03 اشاره دارد اسیدهای بسیار ضعیفاو در آب است عملا نامحلول،اما به راحتی محلول های کلوئیدی تشکیل می دهد. می توان آن را از محلول های سیلیکات ها با اثر اسیدهای قوی تر روی آنها به دست آورد: کلریدریک، سولفوریک، استیک و حتی کربنیک. H2Si03 از محلول به شکل یک رسوب ژلاتینی رسوب می کند:

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

20.3.5. اهمیت پزشکی و بیولوژیکی کربن و سیلیکون

کربن.این پایه برای همه ترکیبات آلی است، ارگانوژن شماره یک است. بخشی از سلول ها و بافت ها، همه ترکیبات فعال بیولوژیکی. در بدن، بی کربنات سدیم و پتاسیم بااسید کربنیک یک سیستم بافری را تشکیل می دهد که در حفظ نقش دارد سی بی اس(حالت اسیدی و باز بدن). بی کربنات سدیم (جوش شیرین) به عنوان ضد اسید استفاده می شود. کربن فعال به عنوان جاذب برای نفخ، مسمومیت های غذایی و همچنین مسمومیت با آلکالوئیدها و نمک های فلزات سنگین استفاده می شود.

سیلیکونبخشی از سلول های اپیتلیال و بافت همبند، کبد، غده فوق کلیوی و عدسی چشم است. نقض متابولیسم سیلیکون با بروز فشار خون بالا، روماتیسم، هپاتیت و غیره همراه است.

توصیف مقایسه ای مختصری از عناصر کربن و سیلیکون در جدول 6 ارائه شده است.

جدول 6

ویژگی های مقایسه ای کربن و سیلیکون

معیارهای مقایسه	کربن - C	سیلیکون – Si
موقعیت در جدول تناوبی عناصر شیمیایی	، دوره دوم، گروه چهارم، زیر گروه اصلی	، دوره سوم، گروه چهارم، زیر گروه اصلی
پیکربندی الکترونی اتم ها
احتمالات ظرفیت	II – در حالت ساکن IV – در حالت برانگیخته
حالت های اکسیداسیون احتمالی	, , , , ,	,
اکسید بالاتر	، اسیدی	، اسیدی
هیدروکسید بالاتر	- اسید ناپایدار ضعیف	() یا – اسید ضعیف، ساختار پلیمری دارد
اتصال هیدروژنی	- متان (هیدروکربن)	- سیلان، ناپایدار

کربن. عنصر کربن با آلوتروپی مشخص می شود. کربن به شکل مواد ساده زیر وجود دارد: الماس، گرافیت، کاربین، فولرن که تنها گرافیت از نظر ترمودینامیکی پایدار است. زغال سنگ و دوده را می توان از انواع گرافیت بی شکل در نظر گرفت.

گرافیت نسوز، کمی فرار، در دماهای معمولی از نظر شیمیایی بی اثر است و ماده ای مات و نرم است که جریان ضعیفی را هدایت می کند. ساختار گرافیت لایه لایه است.

آلاماز ماده ای بسیار سخت و از نظر شیمیایی بی اثر (تا دمای 900 درجه سانتیگراد) است، جریان را هدایت نمی کند و گرما را ضعیف هدایت می کند. ساختار الماس چهار وجهی است (هر اتم در یک چهار وجهی با چهار اتم و غیره احاطه شده است). بنابراین الماس ساده ترین پلیمر است که ماکرومولکول آن فقط از اتم های کربن تشکیل شده است.

کاربین دارای ساختار خطی (- carbyne, polyyne) یا (- carbyne, polyene) است. این یک پودر سیاه است و خاصیت نیمه هادی دارد. تحت تأثیر نور، هدایت الکتریکی کاربین افزایش می یابد و در دما کاربین به گرافیت تبدیل می شود. از نظر شیمیایی فعال تر از گرافیت است. در اوایل دهه 60 قرن بیستم سنتز شد و بعدها در برخی از شهاب سنگ ها کشف شد.

فولرن یک تغییر آلوتروپیک کربن است که توسط مولکول‌هایی که ساختاری از نوع «فوتبالی» دارند تشکیل می‌شود. مولکول ها و سایر فولرن ها سنتز شدند. تمام فولرن ها ساختارهای بسته اتم های کربن در حالت هیبریدی هستند. الکترون های پیوند هیبرید نشده مانند ترکیبات آروماتیک جابجا می شوند. بلورهای فولرن از نوع مولکولی هستند.

سیلیکون. سیلیکون با پیوند مشخص نمی شود و در حالت ترکیبی وجود ندارد. بنابراین، تنها یک اصلاح آلوتروپیک پایدار سیلیکون وجود دارد که شبکه کریستالی آن شبیه به الماس است. سیلیکون سخت است (سختی 7 در مقیاس Mohs)، نسوز ( ، یک ماده بسیار شکننده به رنگ خاکستری تیره با درخشندگی فلزی در شرایط استاندارد - یک نیمه هادی. فعالیت شیمیایی به اندازه بلورها بستگی دارد (کریستال های بزرگ کمتر از بی شکل ها فعال هستند).

واکنش پذیری کربن به اصلاح آلوتروپیک بستگی دارد. کربن به شکل الماس و گرافیت کاملاً بی اثر، مقاوم در برابر اسیدها و قلیاها است که ساخت بوته، الکترود و غیره از گرافیت را ممکن می سازد. کربن واکنش پذیری بالاتری را به شکل زغال سنگ و دوده نشان می دهد.

سیلیکون کریستالی کاملاً بی اثر است.

انواع اصلی واکنش هایی که خواص شیمیایی کربن و سیلیکون را منعکس می کنند در جدول 7 آورده شده است.

جدول 7

خواص شیمیایی پایه کربن و سیلیکون

واکنش با	کربن	واکنش با	سیلیکون
مواد ساده	اکسیژن		اکسیژن
هالوژن ها		هالوژن ها
خاکستری		کربن
هیدروژن		هیدروژن	واکنش نشان نمی دهد
فلزات		فلزات
مواد پیچیده	اکسیدهای فلزی		قلیایی ها
بخار آب		اسیدها	واکنش نشان نمی دهد
اسیدها

مواد سیمانی

مواد سیمانی – مصالح ساختمانی معدنی یا آلی مورد استفاده برای ساخت بتن، چسباندن عناصر منفرد سازه های ساختمان، عایق رطوبتی و غیره..

چسب های معدنی(MVM) – مواد پودری ریز آسیاب شده (سیمان، گچ، آهک و غیره) که با مخلوط شدن با آب (در برخی موارد با محلول‌های نمک، اسیدها، قلیایی‌ها) توده‌ای پلاستیکی و قابل کار تشکیل می‌دهند که به بدنه‌ای مانند سنگ بادوام تبدیل می‌شود و به هم متصل می‌شود. ذرات سنگدانه های جامد و تقویت به یک کل یکپارچه.

سخت شدن MVM به دلیل فرآیندهای انحلال، تشکیل محلول فوق اشباع و جرم کلوئیدی رخ می دهد. دومی به طور جزئی یا کامل متبلور می شود.

طبقه بندی MVM:

1. کلاسورهای هیدرولیک:

هنگامی که با آب مخلوط می شوند (اختلاط) سفت می شوند و به حفظ یا افزایش استحکام خود در آب ادامه می دهند. از جمله سیمان های مختلف و آهک هیدرولیک می باشد. هنگامی که آهک هیدرولیک سخت می شود، CaO با آب و دی اکسید کربن موجود در هوا برهم کنش می کند و محصول حاصل متبلور می شود. آنها در ساخت سازه های روی زمین، زیرزمینی و هیدرولیک در معرض قرار گرفتن دائمی در معرض آب استفاده می شوند.

2. چسب های هوا:

هنگامی که با آب مخلوط می شوند، سفت می شوند و فقط در هوا استحکام خود را حفظ می کنند. اینها شامل آهک هوادهی، انیدریت گچ و باندهای هوادهی منیزیم است.

3. بایندرهای مقاوم در برابر اسید:

آنها عمدتاً از سیمان مقاوم در برابر اسید شامل مخلوطی ریز آسیاب شده از ماسه کوارتز و. آنها به عنوان یک قاعده با محلول های آبی سیلیکات سدیم یا پتاسیم مهر و موم می شوند، آنها در معرض اسیدها برای مدت طولانی استحکام خود را حفظ می کنند. در طول سخت شدن، یک واکنش رخ می دهد. برای تولید بتونه های مقاوم در برابر اسید، ملات و بتن در ساخت کارخانه های شیمیایی استفاده می شود.

4. بایندرهای سخت کننده اتوکلاو:

آنها از بایندرهای کالک سیلیسی و کلک نفلین (آهک، ماسه کوارتز، لجن نفلین) تشکیل شده و هنگام پردازش در اتوکلاو (6-10 ساعت، فشار بخار 0.9-1.3 مگاپاسکال) سخت می شوند. اینها همچنین شامل سیمان پرتلند شنی و سایر چسباننده های مبتنی بر آهک، خاکستر و لجن کم فعال است. در تولید محصولات بتن سیلیکات (بلوک، آجر ماسه آهکی و غیره) استفاده می شود.

5. اتصال دهنده های فسفات:

از سیمان های ویژه تشکیل شده است. آنها با اسید فسفریک مهر و موم شده اند تا یک توده پلاستیکی تشکیل دهند که به تدریج به یک جسم یکپارچه سخت می شود و در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ می کند. معمولا از تیتانوفسفات، روی فسفات، آلومینوفسفات و سایر سیمان ها استفاده می شود. برای ساخت توده پوشش نسوز و درزگیرها برای حفاظت در دمای بالا از قطعات و سازه های فلزی در تولید بتن نسوز و غیره استفاده می شود.

بایندرهای ارگانیک(OBM) – موادی با منشاء آلی که در نتیجه پلیمریزاسیون یا چند متراکم شدن می توانند از حالت پلاستیکی به حالت جامد یا با پلاستیسیته پایین تبدیل شوند.

در مقایسه با MVM، ترد کمتری دارند و استحکام کششی بیشتری دارند. اینها شامل محصولات تشکیل شده در طی پالایش نفت (آسفالت، قیر)، محصولات تجزیه حرارتی چوب (قطر)، و همچنین رزین های پلی استر ترموست مصنوعی، اپوکسی، فنل فرمالدئید است. از آنها در ساخت جاده ها، پل ها، کف اماکن صنعتی، مصالح سقف نورد شده، بتن پلیمری آسفالتی و غیره استفاده می شود.