Общая характеристика свойств углерода и кремния. Презентация на тему "углерод и кремний"

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.

Краткий план урока по химии по теме " Положение углерода и кремния в ПСХЭ, строение их атомов. Углерод, аллотропия, физические и химические свойства" для 9 класса, обучающегося по УМК Рудзитиса в объеме 2 часа в неделю.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Урок 27

Положение углерода и кремния в ПСХЭ, строение их атомов. Углерод, аллотропия, физические и химические свойства

Цели урока:

1. Охарактеризовать положение углерода и кремния в ПСХЭ, строение их атомов, охарактеризовать аллотропические модификации углерода, его физические и химические свойства (предметный результат).

2. Продолжить развивать умение генерировать идеи, выявлять причинно-следственные связи, искать аналогии и работать в команде, пользоваться альтернативными источниками информации (метапредметный результат).

3. Формирование умений управлять своей учебной деятельностью, подготовка к осознанию выбора дальнейшей образовательной траектории (личностный результат).

Ход урока

1. Подготовка к восприятию нового материала (10 мин)

Опрос учащихся по домашнему заданию.

1. Изучение нового материала (20 мин)

Углерод и кремний находятся в IV группе главной подгруппе Периодической системы. Электронная и электронно-графическая формула. Валентность, степени окисления.

Аллотропия углерода: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Демонстрация «Кристаллические решетки алмаза и графита», «Ознакомление с различными видами топлива».

Химические свойства углерода :

I. С простыми веществами:

1. Горение углерода: а) 2С + O 2 (недост.) = 2СО, б) С + О 2 (изб.) = СО 2

2. С неметаллами: а) С + 2F 2 = CF 4 , б) C + S = CS 2 , в) C + H 2 = CH 4

3. С металлами: а) Сa + 2C = CaC 2 , б) 4Fe + 3C = Al 4 C 3

II. Со сложными веществами:

1. Восстанавливает Ме из их оксидов: 2СuO + C = 2Cu + CO 2

2. С водяным паром: С + H 2 O = CO + H 2 (выше 1200 0 С)

С + 2H 2 O = CO 2 + 2H 2 (около 1000 0 С)

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.

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.

В свободном состоянии углерод известен в виде алмаза, кристаллизующегося в кубической системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе. Такие формы его, как древесный уголь, кокс, сажа, имеют неупорядоченную структуру.

Рис. 117. Структура алмаза. Стрелки показывают связи между атомами в тетраэдрах.

Синтетически получены карбин и поликумулен - разновидности углерода, состоящие из линейных цепных полимеров типа... -C?C-C?C... или...=C=C=C=... Карбин обладает полупроводниковыми свойствами. При сильном нагревании без доступа воздуха он превращается в графит.

Алмаз - бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Он кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке. При этом одна половина атомов располагается в вершинах и центрах граней одного куба, а другая - в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp 3 -гибридизации и образуют трехмерную тетраэдрическую сетку, в которой они связаны друг с другом ковалентными связями*. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0.154 нм. Структура алмаза показана На рис. 117.

* Подобное тетраэдрическое расположение связей, образуемых атомом углерода, характерно также для передельных углеводородов и их производных (см. § 162).

Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема, - атомы углерода «упакованы» в алмазе очень плотно. С этим, а также с большой прочностью связи в углеродных тетраэдрах связано то, что по твердости алмаз превосходит все известные вещества. Поэтому его широко применяют в промышленности; почти 80% добываемых алмазов используются для технических целей. Его используют для обработки различных твердых материалов, для бурения горных пород. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время хрупок. Получающийся при измельчении алмаза порошок служит для шлифовки драгоценных камней и самих алмазов. Должным образом отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами.

Ввиду большой ценности алмазов было предпринято много попыток получить их искусственным путем из графита. Однако долгое время эти попытки кончались неудачей. Только в 1955 г., применив очень высокое давление (порядка 10 10 Па) и длительный нагрев при температуре около 3000°C, американским, а одновременно и шведским ученым удалось получить синтетические алмазы. В Советском Союзе также разработан метод получения синтетических алмазов, а в 1961 г. начато их промышленное производство. Кроме того, в 1969 г. в СССР синтезированы нитевидные кристаллы алмаза, причем их получают при обычном давлении.

Рис. 118. Структура графита.

Нитевидные кристаллы, или "усы", имеют структуру, практически лишенную дефектов, и обладают очень высокой прочностью.

При прокаливании в кислороде алмаз сгорает, образуя диоксид углерода. Если сильно нагреть алмаз без доступа воздуха, то он превращается в графит.

Графит представляет собой темно-серые кристаллы со слабым металлическим блеском. Он имеет слоистую решетку. Все атомы углерода находятся здесь в состоянии sp 2 -гибридизации: каждый из них образует три ковалентные?-связи с соседними атомами, причем углы между направлениями связей равны 120°C. В результате возникает плоская сетка, составленная из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся ядра атомов углерода; расстояние между соседними ядрами составляет 0,1415 нм.

В образовании?-связей участвуют три электрона каждого атома углерода. Четвертый электрон внешнего слоя занимает 2p-орбиталь, не участвующую в гибридизации. Такие негибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя и, перекрываясь друг с другом, образуют делокализованные?-связи. Структура графита показана на рис. 118.

Соседние слои атомов углерода в кристалле графита находятся на довольно большом расстоянии друг от друга (0,335 нм); это указывает на малую прочность связи между атомами углерода, расположенными в разных слоях. Соседние слои связаны между собой в основном силами Ван-дер-Ваальса, но частично связь имеет металлический характер, т. е. обусловлена «обобществлением» электронов всеми атомами кристалла. Этим объясняется сравнительно высокая электрическая проводимость и теплопроводность графита не только в направлении слоев, но и в перпендикулярном к ним направлении.

Рассмотренная структура графита обусловливает сильную анизотропию его свойств. Так, теплопроводность графита в направлении плоскости слоев равна 4.0 Дж/(см·с·К), а в перпендикулярном направлении составляет 0,79 Дж/(см·с·К). Электрическое сопротивление графита в направлении слоев в 10 4 раз меньше, чем в перпендикулярном направлении.

Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга.

Этим объясняется малая механическая прочность графита. Если провести куском графита по бумаге, то мельчайшие кристаллики графита, имеющие вид чешуек, прилипают к бумаге, оставляя на ней серую черту. На этом основано применение графита для изготовления карандашей.

На воздухе графит не загорается даже при сильном накаливании, но легко сгорает в чистом кислороде, превращаясь в диоксид углерода.

Благодаря электрической проводимости графит применяется для изготовления электродов. Из смеси графита с глиной делают огнеупорные тигли для плавления металлов. Смешанный с маслом графит служит прекрасным смазочным средством, так как чешуйки его, заполняя неровности материала, создают гладкую поверхность, облегчающую скольжение. Графит применяют также в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

Кроме природного, в промышленности находит применение искусственный графит. Его получают главным образом из лучших сортов каменного угля. Превращение происходит при температурах около 3000°C в электрических печах без доступа воздуха. На основе естественного и, особенно, искусственного графита изготовляют материалы, применяемые в химической промышленности. Благодаря их высокой химической стойкости они используются для футеровки, изготовления труб и др.

Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, в частности при обычных условиях. В связи с этим при расчетах термодинамических величин в качестве стандартного состояния углерода принимается графит. Алмаз термодинамически устойчив лишь при высоких давлениях (выше 10 9 Па). Однако скорость превращения алмаза в графит становится заметной лишь при температурах выше 1000°C при 1750°C превращение алмаза в графит происходит быстро.

«Аморфный» углерод (уголь). При нагревании углеродсодержащих соединений без доступа воздуха из них выделяется черная масса, называемая «аморфным» углеродом или просто углем. Такой углерод состоит из мельчайших кристалликов с разупорядоченной структурой графита. Уголь растворяется во многих расплавленных металлах, например в железе, никеле, платине. Плотность угля колеблется от 1,8 до 2,1 г/см 3 .

Угли существенно различаются по своим свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Кроме того, они всегда содержат примеси, сильно влияющие на их свойства. Важнейшие технические сорта угля: кокс, древесный уголь, костяной уголь и сажа.

Кокс получается при сухой перегонке каменного угля. Применяется он главным образом в металлургии при выплавке металлов из руд.

Рис. 119. Прибор для демонстрации поглощения аммиака углем.

Древесный уголь получается при нагревании дерева без доступа воздуха. При этом улавливают ценные продукты сухой перегонки - метиловый спирт, уксусную кислоту и др. Древесный уголь применяется в металлургической промышленности, в кузнечном деле.

Благодаря пористому строению, древесный уголь обладает высокой адсорбционной способностью.

Чтобы наблюдать адсорбцию газов углем, произведем следующий опыт. Наполним аммиаком стеклянный цилиндр и опустим открытый конец его в чашку с ртутью (рис. 119). Затем, прокалив на горелке кусочек древесного угля, погрузим его в ртуть и подведем под отверстие цилиндра с аммиаком. Уголь всплывает на поверхность ртути в цилиндре, и ртуть сейчас же начинает подниматься вверх вследствие поглощения аммиака углем.

Особенно хорошо поглощают газы активные угли (стр. 312). Они применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха и газовых смесей, в противогазах, а также в качестве катализатора в некоторых химических производствах.

Уголь обладает способностью адсорбировать не только газы, но и растворенные вещества. Это его свойство открыл в конце XVIII века русский академик Т. Е. Ловиц.

Костяной уголь получается путем обугливания обезжиренных костей. Он содержит от 7 до 11% углерода, около 80% фосфата кальция и другие соли. Костяной уголь отличается очень большой поглотительной способностью, особенно по отношению к органическим красителям, и служит для удаления из растворов различных красящих веществ.

Сажа представляет собой наиболее чистый «аморфный» углерод. В промышленности ее получают термическим разложением метана, а также сжиганием при недостаточном доступе воздуха смолы, скипидара и других богатых углеродом веществ. Сажа применяется в качестве черной краски (тушь, типографская краска), а также в производстве резины как ее составная часть.

<<< Назад

Вперед >>>