Восстановительные свойства углерода и кремния. Реферат: Химические соединения на основе кремния и углерода. Способы получения кремния

Химический знак кремния Si, атомный вес 28,086, заряд ядра +14. , как и , располагается в главной подгруппе IV группы, в третьем периоде. Это аналог углерода. Электронная конфигурация электронных слоев атома кремния ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Строение внешнего электронного слоя

Структура внешнего электронного слоя аналогична структуре атома углерода.
встречается в виде двух аллотропных видоизменений - аморфного и кристаллического.
Аморфный - порошок буроватого цвета, обладающий несколько большей химической активностью, чем кристаллический. При обычной температуре реагирует с фтором:
Si + 2F2 = SiF4 при 400° - с кислородом
Si + O2 = SiO2
в расплавах - с металлами:
2Mg + Si = Mg2Si
Кристаллический кремний - твердое хрупкое вещество с металлическим блеском. Он обладает хорошей тепло- и электропроводностью, легко растворяется в расплавленных металлах, образуя . Сплав кремния с алюминием называется силумином, сплав кремния с железом - ферросилицием. Плотность кремния 2,4. Температура плавления 1415°, температура кипения 2360°. Кристаллический кремний - вещество довольно инертное и в химические реакции вступает с трудом. С кислотами, несмотря на хорошо заметные металлические свойства, кремний не реагирует, а со щелочами вступает в реакцию, образуя соли кремниевой кислоты и :
Si + 2КОН + Н2О = K2SiO2 + 2H2

■ 36. В чем сходство и в чем различие электронных структур атомов кремния и углерода?
37. Как объяснить с точки зрения электронной структуры атома кремния, почему металлические свойства более характерны для кремния, чем для углерода?
38. Перечислите химические свойства кремния.

Кремний в природе. Двуокись кремния

В природе кремний распространен очень широко. Примерно 25% земной коры приходится на кремний. Значительная часть природного кремния представлена двуокисью кремния SiO2. В очень чистом кристаллическом состоянии двуокись кремния встречается в виде минерала, называемого горным хрусталем. Двуокись кремния и двуокись углерода по химическому составу являются аналогами, однако двуокись углерода - это газ, а двуокись кремния - твердое вещество. В отличие от молекулярной кристаллической решетки СO2 двуокись кремния SiO2 кристаллизуется в виде атомной кристаллической решетки, каждая ячейка которой представляет собой тетраэдр с атомом кремния в центре и атомами кислорода по углам. Это объясняется тем, что атом кремния имеет больший радиус, чем атом углерода, и вокруг него могут разместиться не 2, а 4 кислородных атома. Различием в строении кристаллической решетки объясняется различие свойств этих веществ. На рис. 69 показаны внешний вид кристалла природного кварца, состоящего из чистой двуокиси кремния, и ее структурная формула.

Рис. 60. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б)

Кристаллическая двуокись кремния наиболее часто встречается в виде песка, который имеет белый цвет, если не загрязнен глинистыми примесями желтого цвета. Помимо песка, двуокись кремния часто встречается в виде очень твердого минерала - кремния (гидратированная двуокись кремния). Кристаллическая двуокись кремния, окрашенная в различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни - агат, аметист, яшму. Почти чистая двуокись кремния встречается также в виде кварца и кварцита. Свободной двуокиси кремния в земной коре 12%, в составе различных горных пород - около 43%. В общей сложности более 50% земной коры состоит из двуокиси кремния.
Кремний входит в состав самых различных горных пород и минералов - глины, гранитов, сиенитов, слюд, полевых шпатов и пр.

Твердая двуокись углерода, не плавясь, возгоняется при -78,5°. Температура плавления двуокиси кремния около 1.713°. Она весьма тугоплавка. Плотность 2,65. Коэффициент расширения двуокиси кремния очень мал. Это имеет очень большое значение при применении посуды из кварцевого стекла. В воде двуокись кремния не растворяется и с ней не реагирует, несмотря на , что это кислотный окисел и ему соответствует кремниевая кислота H2SiO3. Двуокись углерода в воде, как известно, растворима. С кислотами, кроме плавиковой кислоты HF, двуокись кремния не реагирует, со щелочами дает соли.

Рис. 69. Структурная формула двуокиси кремния (а) и кристаллы природного кварца (б).
При накаливании двуокиси кремния с углем происходит восстановление кремния, а затем его соединение с углеродом и образование карборунда по уравнению:
SiO2 + 2С = SiC + СО2. Карборунд обладает высокой твердостью, к кислотам устойчив, а щелочами разрушается.

■ 39. По каким свойствам двуокиси кремния можно судить о ее кристаллической решетке?
40. В виде каких минералов двуокись кремния встречается в природе?
41. Что такое карборунд?

Кремниевая кислота. Силикаты

Кремниевая кислота H2SiO3 является кислотой очень слабой и малоустойчивой. При нагревании она постепенно разлагается на воду и двуокись кремния:
H2SiO3 = H2O + SiO2

В воде кремниевая кислота практически нерастворима, но может легко давать .
Кремниевая кислота образует соли, которые называются силикатами. широко встречаются в природе. Природные - это довольно сложные . Состав их обычно изображается как соединение нескольких окислов. Если в состав природных силикатов входит окись алюминия, они называются алюмосиликатами. Таковы белая глина, (каолин) Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O, полевой шпат К2O · Al2O3 · 6SiO2, слюда
К2O · Al2O3 · 6SiO2 · 2Н2O. Многие природные в чистом виде являются драгоценными камнями, например аквамарин, изумруд и др.
Из искусственных силикатов следует отметить силикат натрия Na2SiO3 - один из немногих растворимых в воде силикатов. Его называют растворимым стеклом, а раствор - жидким стеклом.

Силикаты широко применяются в технике. Растворимым стеклом пропитывают ткани и древесину для предохранения их от воспламенения. Жидкое входит в состав огнеупорных замазок для склеивания стекла, фарфора, камня. Силикаты и являются основой в производстве стекла, фарфора, фаянса, цемента, бетона, кирпича и различных керамических изделий. В растворе силикаты легко гидролизуются.

■ 42. Что такое ? Чем они отличаются от силикатов?
43. Что такое жидкое и для каких целей оно применяется?

Стекло

Сырьем для производства стекла являются сода Na2CO3, известняк СаСO3 и песок SiO2. Все составные части стеклянной шихты тщательно очищают, смешивают и сплавляют при температуре около 1400°. В процессе сплавления протекают следующие реакции:
Na2CO3 + SiO2= Na2SiO3 + CO2

CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3+ CO2
Фактически в состав стекла входят силикаты натрия и кальция, а также избыток SO2, поэтому состав обычного оконного стекла: Na2O · CaO · 6SiO2. Стеклянную шихту нагревают при температуре 1500° до тех пор, пока полностью не удалится двуокись углерода. Затем охлаждают до температуры 1200°, при которой оно становится вязким. Как всякое аморфное вещество, стекло размягчается и затвердевает постепенно, поэтому оно является хорошим пластическим материалом. Вязкую стеклянную массу пропускают через щель, в результате чего образуется стеклянный лист. Горячий стеклянный лист вытягивают валками, доводя до определенных размеров и постепенно охлаждая током воздуха. Затем его обрезают по краям и разрезают на листы определенного формата.

■ 44. Приведите уравнения реакций, протекающих при получении стекла, и состав оконного стекла.

Стекло - вещество аморфное, прозрачное, в воде практически нерастворимо, но если измельчить его в мелкую пыль и смешать с небольшим количеством воды, в полученной смеси с помощью фенолфталеина можно обнаружить щелочь. При длительном хранении щелочей в стеклянной посуде избыток SiO2 в стекле очень медленно реагирует со щелочью и стекло постепенно утрачивает прозрачность.
Стекло стало известно людям более чем за 3000 лет до нашей эры. В древности получали стекла почти такого же состава, как и в настоящее время, но древние мастера руководствовались лишь собственной интуицией. В 1750 г. М. В. сумел разработать научные основы получения стекла. За 4 года М. В. собрал много рецептов изготовления разных стекол, особенно цветных. На построенной им стекольной фабрике было изготовлено большое количество образцов стекла, которые сохранились до наших дней. В настоящее время используются стекла разного состава, обладающие различными свойствами.

Кварцевое стекло состоит из почти чистой двуокиси кремния и выплавляется из горного хрусталя. Его очень важной особенностью является , что коэффициент расширения у него незначительный, почти в 15 раз меньше, чем у обычного стекла. Посуду из такого стекла можно раскалить докрасна в пламени горелки и после этого опустить в холодную воду; при этом никаких изменений со стеклом не произойдет. Кварцевое стекло не задерживает ультрафиолетовых лучей, а если окрасить его никелевыми солями в черный цвет, то оно будет задерживать все видимые лучи спектра, но для ультрафиолетовых лучей останется прозрачным.
На кварцевое стекло не действуют кислоты и , но щелочи его заметно разъедают. Кварцевое стекло более хрупко, чем обычное. Лабораторное стекло содержит около 70% SiО2, 9% Na2О, 5% К2О 8% СаО, 5% Аl2O3, 3% В2O3 (состав стекол приводится не для запоминания).

В промышленности находят применение стекла иен-ское и пирекс. Иенское стекло содержит около 65% Si02, 15% В2O3, 12% ВаО, 4% ZnO, 4% Аl2O3. Оно прочно, устойчиво к механическим воздействиям, имеет малый коэффициент расширения, устойчиво к щелочам.
Стекло пирекс содержит 81% SiO2, 12% В2O3, 4% Na2O, 2% Аl2O3, 0,5% As2O3, 0,2% К2O, 0,3% СаО. Оно обладает такими же свойствами, как иенское стекло, но в еще большей степени, особенно после закалки, зато менее устойчиво к щелочам. Из стекла пирекс изготовляют предметы домашнего обихода, подвергающиеся нагреванию, а также детали некоторых промышленных установок, работающие при низких и высоких температурах.

Разные качества стеклу придают некоторые добавки. Например, примеси окислов ванадия дают стекло, полностью задерживающее ультрафиолетовые лучи.
Получают также и стекло, окрашенное в различные цвета. Еще М. В. изготовил несколько тысяч образцов цветного стекла разной окраски и оттенков для своих мозаичных картин. В настоящее время методы окраски стекла детально разработаны. Соединения марганца окрашивают стекло в фиолетовый цвет, кобальта - в синий. , распыленное в массе стекла в виде коллоидных частиц, придает ему рубиновую окраску и т. д. Свинцовые соединения придают стеклу блеск, подобный блеску горного хрусталя, поэтому оно называется хрустальным. Такое стекло легко поддается обработке, огранке. Изделия из него очень красиво преломляют свет. При окраске этого стекла различными добавками получается цветное хрустальное стекло.

Если расплавленное стекло смешать с веществами, которые при разложении образуют большое количество газов, то последние, выделяясь, вспенивают стекло, образуя пеностекло. Такое стекло очень легкое, хорошо обрабатывается, является прекрасным электро- и тепло-изолятором. Оно было впервые получено проф. И. И. Китайгородским.
Вытягивая из стекла нити, можно получить так называемое стекловолокно. Если пропитать уложенное слоями стекловолокно синтетическими смолами, то получается очень прочный, не поддающийся гниению, прекрасно обрабатывающийся строительный материал, так называемый стеклотекстолит. Интересно, что чем тоньше стекловолокно, тем выше его прочность. Стекловолокно также применяется для изготовления спецодежды.
Стеклянная вата является ценным материалом, через который можно фильтровать сильные кислоты и щелочи, не фильтрующиеся через бумагу. Кроме того, стеклянная вата является хорошим теплоизолирующим веществом.

■ 44. От чего зависят свойства стекол разных видов?

Керамика

Из алюмосиликатов особенно важна белая глина - каолин, являющаяся основой для получения фарфора и фаянса. Производство фарфора - чрезвычайно древняя отрасль хозяйства. Родина фарфора - Китай. В России фарфор был получен впервые в XVIIIв. Д, И. Виноградовым.
Сырьем для получения фарфора и фаянса, помимо каолина, служат песок и . Смесь каолина, песка и воды подвергают тщательному тонкому размолу в шаровых мельницах, затем отфильтровывают избыток воды и хорошо вымешанную пластичную массу направляют на формовку изделий. После формовки изделия подвергают сушке и обжигу в туннельных печах непрерывного действия, где их сначала разогревают, затем обжигают и, наконец, охлаждают. После этого изделия проходят дальнейшую обработку - покрытие глазурью, нанесение рисунка керамическими красками. После каждой стадии изделия обжигают. В результате фарфор получается белым, гладким и блестящим. В тонких слоях он просвечивает. Фаянс порист и не просвечивает.

Из красной глины формуют кирпичи, черепицу, глиняную посуду, керамические кольца для насадки в поглотительных и промывных башнях разных химических производств, цветочные горшки. Их также обжигают, чтобы они не размягчались водой, стали механически прочными.

Цемент. Бетон

Соединения кремния служат основой для получения цемента - вяжущего материала, незаменимого в строительстве. Сырьем для получения цемента являются глина и известняк. Эту смесь обжигают в огромной наклонной трубчатой вращающейся печи, куда непрерывно загружают сырье. После обжига при 1200-1300° из отверстия, расположенного на другом конце печи, непрерывно выходит спекшаяся масса - клинкер. После размола клинкер превращается в . В состав цемента входят главным образом силикаты. Если смешать с водой до образования густой кашицы, а затем оставить на некоторое время на воздухе, то вступит в реакцию с веществами цемента, образуя кристаллогидраты и другие твердые соединения, что приводит к затвердеванию («схватыванию») цемента. Такой уже не переводится в прежнее состояние, поэтому до употребления цемент стараются беречь от воды. Процесс твердения цемента является длительным, и настоящую прочность он приобретает лишь через месяц. Правда, существуют разные сорта цемента. Рассмотренный нами обычный цемент называется силикатным, или портландцементом. Из глинозема, известняка и двуокиси кремния изготовляют быстро твердеющий глиноземистый цемент.

Если смешать цемент со щебнем или гравием, то получается бетон, являющийся уже самостоятельным строительным материалом. Щебень и гравий называются наполнителями. Бетон обладает высокой прочностью и выдерживает большие нагрузки. Он водостоек, огнестоек. При нагревании почти не теряет прочности, так как теплопроводность его очень мала. Бетон морозостоек, ослабляет радиоактивные излучения, поэтому его используют как строительный материал для гидротехнических сооружений, для защитных оболочек ядерных реакторов. Бетоном обмуровывают котлы. Если смешать цемент с пенообразователем, то образуется пронизанный множеством ячеек пенобетон. Такой бетон является хорошим звукоизолятором и еще меньше, чем обычный бетон, проводит тепло.

дорослей, поглощающих растворенный в воде кислород, поэтому гибнут рыбы и др. К тому же, анаэробное (т.е. без доступа O2 ) разложение останков организмов приводит к образованию веществ, которые превращают водоемы в болота.

Особенно опасна передозировка нитратов , т.к. с растениями, поглотившими их, нитраты попадают в живые организмы, где превращаются внитриты. Последние делают гемоглобин неспособным переносить кислород (поэтому возможна даже смерть), а также провоцируют раковые заболевания.

Помимо использования в качестве сельскохозяйственных удобрений фосфаты идут также на приготовление моющих средств и как добавки в корм животным. В последнем случае для синтеза фосфата кальция применяют кислоту Н3 РО4 , полученную сжиганиемчистого фосфора (с последующей гидратацией Р2 О5 ), поскольку природные минералы содержат вредные для скота примеси, например фторидионы.

Глава 6. УГЛЕРОД И КРЕМНИЙ

6.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение

К p-элементам IV группы относятся углерод, кремний, германий, олово и свинец. Причем C – довольно распространенный элемент на Земле (0,14 %), а кремний (16,7 %) занимаетвторое место после кислорода. Аналогов кремния несопоставимо меньше (пример-

но по 10-4 %).

Атомы элементов данной группы в невозбужденном состоянии имеют электронную конфигурацию валентного слоя s2 p2 , а при возбуждении s1 p3 . Как следствие, они образуют соединения в степенях окисления +2, +4 и –4. Но только углерод достаточно устойчив в ст.ок. –4, чтобы находиться в ней в природе – в видеуглеводородов (поскольку лишь он имеет сравнительно высокое значение ЭО, равное 2,5, а у остальных – 1,9 и ниже).

Кроме того, С встречается на Земле и в виде простых веществ (в частности, в составе углей25 ). Природные же соединения аналогов углерода –сложные вещества , например: SnO2 (минерал касситерит) и PbS (т.н. свинцовый блеск).

Подчеркнем, что, хотя C и назван (в 1797 г.) углеродом (углерождающим ), но основные его природные запасы – не угли, акарбонаты (известняк, мрамор, мел и т.п.).

Кремний представлен на земле кислородными соединениями, которые составляют 58,3 % земной коры. Этокремнеземы SiO2 (песок, кварц26 , топаз, аметист),силикаты (асбест MgSiO3 , слюда, полевой шпат и др.). А также граниты, сиениты27 , т.е. спрессованные природой смеси песка, слюды и полевого шпата. В качестве микроэлемента кремний находится также в человеческом организме и играет важную биологическую роль, причем чем старше человек, тем меньше в нем Si.

Технический (т.е. сравнительно грязный) кремний в промышленности получают из природного оксида карботермически , как и его аналоги, но PbS предварительно обжигом переводят в PbO.

6.2. Структура и физические свойства простых веществ

Особенности углерода . Все простые вещества С образованы атомами углерода в возбужденном состоянии sp3 , а поскольку при этом еще и атомный радиус С достаточно мал, то -связь С–С

оказывается максимально прочной.

Кроме того, атомы углерода менее склонны, чем N, давать-перекрывания (из-за большего радиуса С). Поэтому частицы С2 хотя и существуют, но, в отличие от N2 , нестабильны. Напротив, гораз-

до более устойчивы гомоядерные полимеры , в которых атомы уг-

лерода имеют по четыре -связи. Это и простое вещество алмаз, и многочисленные органические соединения.

25 Содержание углерода в антраците 96 %, в буром угле – 72 %, а в сухой древе-

сине – 50 %.

26 К кварцам относится и горный хрусталь – размер некоторых его природных кристаллов достигает 2 м.

27 Из сиенита сложены знаменитые «Красноярские Столбы».

Однако атомы С могут формировать между собой и достаточно эффективные -перекрывания, причем в зависимости от кратности связи (к.с.) между атомами углерода, различают несколько аллотропных форм С: алмаз (к.с. = 1), графит (к.с. = 1,3), карбин (к.с. = 2) и др. Рассмотрим их подробнее.

Карбин. Данное простое вещество углерода имеет, как и пластическая сера,волокнистую структуру, но его волокна не зигзагообразные, алинейные .

Они имеют одинаковую форму –промежуточную между ша-

ром и гантелью. (На рис. 7, а и 8 одна из ГО для наглядности нарисована более жирной линией). Такой процесс смешивания s-орбитали и

одной p-орбитали называется sp-гибридизацией .

Рис. 7. Гибридизация орбиталей: а ) spб ) sp2 в ) sp3

Поскольку ГО имеют асимметричную форму, то они вбольшей степени перекрываются с орбиталями других атомов (при формировании -связи с ними, как показано на рис. 8), и поэтому обра-

зуют более прочныеХС.

Подчеркнем, что угол между осями двух -связей при spгибридизации равен 180°, т.к. гибридные орбитали из-за отрицательного заряда электронов, находящихся на них, взаимноотталкивают-

ся , т.е. стремятся кмаксимальной удаленности друг от друга. Как следствие, фрагмент из трех атомов получаетсялинейным (рис. 8). А поскольку в карбиневсе атомы углерода в цепях, образуя по две - связи, имеют sp-гибридизацию своих орбиталей, то эти цепи тожелинейны. Причем 2pz и 2py -орбитали каждого атома С в карбине участвуют в -перекрывании, давая двойные (или тройные) связи в цепи:

C C C (C C C).

Графит . В графитевсе атомы углерода образуют по 3 -связи с тремя соседними С, используя s-, px - и pz -орбитали (рис. 7,б ). А значит, имеем sp2 -гибридизацию, при которой углы между осями связей равны по 120°. Таким образом фрагмент из четырех атомов представляет собойплоский треугольник (см. рис. 9). Треугольные фрагменты, объединяясь между собой, даютплоский слой , составленный из шестиугольников, в которых углы как раз по 120°.

Итак, решетка графита построена из слоев. Они связаны между собой с помощью ММС. А четвертая орбиталь (py -) каждого атома С графита участвует вобщем -перекрывании со всеми атомами своего слоя. Этообщее -перекрывание обеспечивает pу -электронам почти такую же подвижность, как в металлах. Вследствие чего графит имеет серый, как многие М, цвет и проводит ток (но только вдоль слоев, а не перпендикулярно к ним).

В целом решетка графита прочная, благодаря чему он термостоек (т.пл. 3800 °С), поэтому из него делают огнеупорные изделия, например тигли. Но поскольку ММС между слоями значительно слабее , чем ХС в слое, то возможно довольно легкоеотслаивание графита. В частности, при надавливании им на бумагу, на ней остается его серый след. Поэтому графит (его название в переводе с нем. озна-

чает «пишущий») используют для изготовления карандашей, а также в технике в качестве твердой смазки между трущимися деталями.

Отметим, что многие простые соединения С (кокс, сажа, основное вещество угля и т.п.) являются мелкокристаллическими разновидностями графита.

Сравнительно недавно получены новые простые вещества C:

трубчатый углерод (его молекулы имеют вид трубок),фуллерены

(состоящие, например, из «шаров» С60 или С70 ) и др. И все они построены, как и графит, изтреугольников , ноне плоских , ибо в них атомы С имеют лишьприблизительно sp2 -гибридизацию орбиталей.

Алмаз . Самая прекрасная форма углерода – алмаз (прозрачное вещество, сильно преломляющее световые лучи). В нем все четыре орбитали С (s- и три p-) каждого атома углерода участвуют в - перекрываниях счетырьмя соседними атомами С. А значит, имеем sp3 -гибридизацию (рис. 7 в), при которой углы между связями≈109 0 , а пять атомов углерода, связанных указанным образом, образуюттетраэдр , т.е. объемную форму.

Как результат того, что каждый атом С в алмазе (кроме поверхностных) имеет по четыре -связи, тетраэдры оказываются соединенными между собойтолько химическими связями, и, значит, образуютстабильную координационную решетку. А поскольку -связи С–С максимально прочные (прочнее, напомним, лишь в молекуле Н2 ), то, как следствие, алмаз –самое твердое вещество из известных на Земле (само его название на арабском означает «твердейший»).

Благодаря столь высокой твердости применение алмазов в промышленности в 2-3 раза увеличивает мощность оборудования, а также срок его службы. Используют алмазы для резки стекла, шлифования твердых материалов, бурения горных пород и др. Причем почти половина применяемых образцов получены искусственно из графита.

Один из способов синтеза алмаза – действие на сильно нагретый графит сверхвысокого давления, которое сближает слои графита настолько, чтомежду ними формируются -связи (перекрыванием py - орбиталей).

При этом sp2 -гибридизация переходит в sp3 -, а, значит,слоистая решетка сменяетсякоординационной (как следствие, исчезают проводимость и «пачкающие» свойства), т.е. образуетсяалмаз. По твердости он как настоящий, но внешне не привлекателен (из-за примеси графита). Так что для украшений годятся лишь природные алмазы. Самый крупный из них весит 600 г.

Кремний - химический элемент IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Открыт в 1811 г. Ж. Гей-Люсаком и Л. Тернаром. Его порядковый номер 14, атомная масса 28,08, атомный объем 12,04 10 -6 м 3 /моль. Кремний - металлоид, принадлежит к подгруппе углерода. Его валентность по кислороду +2 и +4. По распространенности в природе кремний уступает только кислороду. Его массовая доля в земной коре составляет 27,6 %. Земная кора, по мнению В.И. Вернадского, более чем на 97 % состоит из кремнезема и силикатов. Кислородные и органические соединения кремния входят также в состав растений и животных.

Искусственно полученный кремнии может быть как аморфным, так и кристаллическим. Аморфный кремний - коричневый, тонко дисперсный, сильно гигроскопичный порошок, по рентгеноструктурным данным, состоит из мельчайших кристалликов кремния. Он может быть получен восстановлением при высоких температурах SiCl 4 парами цинка.

Кристаллический кремний имеет серо-стальной цвет и отличается металлическим блеском. Плотность кристаллического кремния при 20°С составляет 2,33 г/см 3 , жидкого кремния при 1723-2,51, а при 1903К — 2,445 г/см 3 . Температура плавления кремния - 1690 К, кипения - 3513 К. В соответствии с данными, давление паров кремния при Т = 2500÷4000 К описывается уравнением lg p Si = -20130/ Т + 7,736, кПа. Теплота возгонки кремния 452610, плавления 49790, испарения 385020 Дж/моль.

Поликристаллы кремния отличаются высокой твердостью (при 20°С HRC = 106). Однако кремний очень хрупок, поэтому имеет высокую прочность при сжатии (σ СЖ В ≈690 МПа) и очень низкое сопротивление разрыву (σ В ≈ 16,7 МПа).

При комнатной температуре кремний инертен, реагирует только со фтором, образуя летучий 81Р4. Из кислот реагирует только с азотной в смеси с плавиковой кислотой. Со щелочами, однако, кремний реагирует довольно легко. Одна из его реакции со щелочами

Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

используется для получения водорода. Вместе с этим с неметаллами кремний способен давать большое количество химически прочных соединений. Из подобных соединений необходимо отметить галогениды (от SiX 4 до Si n X 2n+2 , где X - галоген, а n ≤ 25), их смешанные соединения SiCl 3 B, SiFCl 3 и др., оксихлориды Si 2 OCl 3 , Si 3 O 2 Cl 3 и др., нитриды Si 3 N 4 , Si 2 N 3 , SiN и гидриды с общей формулой Si n H 2n+2 , а из соединений, встречающихся при производстве ферросплавов, - летучие сульфиды SiS и SiS 2 и тугоплавкий карбид SiC.

Кремний способен также давать соединения с металлами - силициды, наиболее важными из них являются силициды железа, хрома, марганца, молибдена, циркония, а также РЗМ и ЩЗМ. Это свойство кремния - способность давать химически очень прочные соединения и растворы с металлами - широко используется в технике производства низкоуглеродистых ферросплавов, а также при восстановлении легкокипящих щелочноземельных (Са, Mg, Ва) и трудновосстановимых металлов (Zr, Al и др.).

Сплавы кремния с железом изучены П.В. Гельдом и его школой, особое внимание было обращено на часть системы Fe-Si, относящуюся к сплавам с его высоким содержанием. Это связано с тем, что, как видно из диаграммы Fe-Si (рисунок 1), в сплавах этого состава происходит целый ряд превращений, значительно влияющих на качество ферросилиция различных марок. Так, дисилицид FeSi 2 стабилен только при низких температурах (< 918 или 968 °С, см. рисунок 1). При высоких температурах устойчива его высокотемпературная модификация - лебоит. Содержание кремния в этой фазе колеблется в пределах 53-56 %. В дальнейшем лебоит будем обозначать химической формулой Fe 2 Si 5 , что практически соответствует максимальной концентрации кремния в лебоите.

При охлаждении сплавов с содержанием > 55,5 % Si лебоит при Т < 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции

Fe 2 Si 5 → FeSi 2 +Si (2)

а сплавов 33,86-50,07 % Si при Т < 1255 К - по перитектоидной реакции

Fe 2 Si 5 + FeSi = ЗFeSi 2 (3)

Cплавы промежуточного состава (50,15-55,5 % Si) сначала при 1255 К претерпевают перитектоидное (3), а затем при 1213 К - эвтектоидное (2) превращения. Эти превращения Fe 2 Si 5 по реакциям (2) и (3) сопровождаются изменениями объема силицида. Особенно велико подобное изменение в ходе реакции (2) - примерно 14 %, поэтому сплавы, содержащие лебоит, теряют сплошность, растрескиваются и даже рассыпаются. При медленной, равновесной кристаллизации (см. рисунок 1) лебоит может выделяться при кристаллизации как сплава ФС75, так и ФС45.

Однако растрескивание, связанное с эвтектоидным распадом лебоита, лишь одна из причин рассыпания. Второй причиной, по-видимому главной, является то, что образование трещин по границам зерна создает возможность ликватам, выделяющимся по этим границам - фосфору, мышьяку, сульфидам и карбидам алюминия и др., - реагировать с влагой воздуха по реакциям, в результате которых в атмосферу выделяются H 2 , PH 3 , PH 4 , AsH 4 и т.п., а в трещинах — рыхлые оксиды Al 2 O 3 , SiO 2 и другие соединения, распирающие их. Предотвратить рассыпание сплавов можно их модифицированием магнием, легированием добавками элементов, измельчающих зерно (V, Ti, Zг и др.) или делающих его более пластичным. Измельчение зерна уменьшает на его границах концентрацию примесей и их соединений и влияет на свойства сплавов так же, как общее понижение в сплаве концентрации примесей (P, Al, Ca), способствующих рассыпанию. Термодинамические свойства сплавов Fe-Si (теплота смешения, активность, растворимость углерода) изучены подробно, их можно найти в работах. Сведения о растворимости углерода в сплавах Fe-Si приведены на рисунке 2, об активности кремния - в таблице 1.

Рисунок 1. — Диаграмма состояния системы Fe-Si

Физико-химические свойства кислородных соединений кремния изучал П.В. Гельд с сотрудниками. Несмотря на важность системы Si-O, ее диаграмма до сих пор не построена. В настоящее время известны два кислородных соединения кремния - кремнезем SiO 2 и монооксид SiO. В литературе имеются также указания о существовании и других кислородных соединений кремния - Si 2 O 3 и Si 3 O 4 , однако сведения об их химических и физических свойствах отсутствуют.

В природе кремний представлен только кремнеземом SiO 2 . Это соединение кремния отличается:

1) высокой твердостью (по шкале Мооса 7) и тугоплавкостью (T пл = 1996 К);

2) высокой температурой кипения (Т КИП = 3532 К). Давление паров кремнезема может бьггь описано уравнениями (Па):

3) образованием большого количества модификаций:

Особенностью аллотропных превращений SiO 2 является то, что они сопровождаются значительными изменениями плотности и объема вещества, что может вызвать растрескивание и измельчение породы;

4) высокой склонностью к переохлаждению. Поэтому имеется возможность в результате быстрого охлаждения зафиксировать структуру как жидкого расплава (стекло), так и высокотемпературных модификаций в-кристобалита и тридимита. Наоборот, при быстром нагревании можно расплавить кварц, минуя структуры тридимита и кристобалита. Температура плавления SiO 2 при этом понижается примерно на 100 °С;

5) высоким электросопротивлением. Например, при 293 К оно составляет 1 10 12 Ом*м. Однако с повышением температуры электросопротивление SiO 2 понижается, а в жидком состоянии кремнезем — неплохой проводник;

6) высокой вязкостью. Так, при 2073 К вязкость равна 1 10 4 Па с, а при 2273 К - 280 Па с.

Последнее, по мнению Н.В. Соломина, объясняется тем, что SiO 2 , подобно органическим полимерам, способен образовывать цепочки, которые при 2073 К состоят из 700, а при 2273 К — из 590 молекул SiO 2 ;

7) высокой термической устойчивостью. Энергия Гиббса образования SiO 2 из элементов с учетом агрегатного их состояния в соответствии с данными с высокой точностью описывается уравнениями:

Эти данные, как видно из таблицы 2, несколько отличаются от данных авторов. Для термодинамических расчетов могут использоваться и двухчленные уравнения:

Монооксид кремния SiO обнаружен в 1895 г. Поттером в газовой фазе электропечей. В настоящее время надежно установлено, что SiO существует и в конденсированных фазах. По исследованиям П.В. Гельда, оксид отличается невысокой плотностью (2,15 г/см 3), высоким электросопротивлением (10 5 -10 6 Ом*м). Конденсированный оксид хрупок, его твердость по шкале Мооса ∼ 5. Температуру плавления вследствие высокой его летучести экспериментально определить не удалось. По данным О. Кубашевского, она равна 1875 К, по мнению Бережного, - 1883 К. Теплота плавления SiO в несколько раз выше ΔH 0 SiO2 по данным она равна 50242 Дж/моль. По-видимому, вследствие летучести она завышена. Имеет стекловидный излом, его цвет изменяется от белого до шоколадного, что связано, вероятно, с его окислением кислородом воздуха. Свежий излом SiO обычно имеет гороховатый цвет с жирным блеском. Термодинамически стабилен оксид только при высоких температурах в виде SiO (Г) . При охлаждении оксид диспропорционирует по реакции

2SiO (Г) = SiO (Ж) + SiO 2 (6)

Температуру кипения SiO можно ориентировочно оценить из уравнения:

Газообразный оксид кремния термодинамически очень стоек. Энергию Гиббса его образования можно описать уравнениями (см. таблицу 2):

из которых видно, что химическая прочность SiO подобно CO с ростом температуры повышается, что делает его прекрасным восстановителем для многих веществ.

Для термодинамического анализа можно использовать и двухчленные уравнения:

Состав газов над SiO 2 оценивался И.С. Куликовым. В зависимости от температуры содержание SiO над SiO 2 описывается уравнениями:

Карбид кремния, как и SiO, является одним из промежуточных соединений, образующихся в ходе восстановления SiO 2 . Карбид отличается высокой температурой плавления.

В зависимости от давления он стоек вплоть до 3033-3103 К (рисунок 3). При высоких температурах карбид кремния сублимирует. Однако давление паров Si (Г) , Si 2 C (Г) , SiC 2(Г) над карбидом при Т < 2800К невелико, что следует из уравнения

Карбид существует в виде двух модификаций - кубической низкотемпературной β-SiC и гексагональной высокотемпературной α-SiC. В ферросплавных печах обычно встречается лишь β-SiC. Как показали расчеты с использованием данных, энергия Гиббса образования описывается уравнениями:

которые заметно отличаются от данных. Из этих уравнений следует, что карбид термически стоек до 3194 К. По физическим свойствам карбид отличается высокой твердостью (~ 10), высоким электросопротивлением (при 1273К p≈0,13 ⋅ 10 4 мкОм ⋅ м), повышенной плотностью (3,22 г/см 3) и высокой стойкостью как в восстановительной, так и в окислительной атмосфере.

По внешнему виду чистый карбид бесцветен, обладает полупроводниковыми свойствами, которые сохраняются и при высоких температурах. Технический карбид кремния содержит примеси и поэтому окрашен в зеленый или черный цвет. Так, зеленый карбид содержит 0,5-1,3 % примесей (0,1-0,3 % C, 0,2-1,2 % Si + SiO 2 , 0,05-0,20 % Fe 2 O 3 , 0,01- 0,08 % Al 2 O 3 и др.). В черном карбиде содержание примесей более высокое (1-2 %).

В качестве восстановителя при производстве сплавов кремния применяют углерод. Он же является основным веществом, из которого изготавливают электроды и футеровки электропечей, выплавляющих кремний и его сплавы. Углерод довольно распространен в природе, его содержание в земной коре составляет 0,14 %. В природе он встречается как в свободном состоянии, так и в виде органических и неорганических соединений (в основном карбонатов).

Углерод (графит) имеет гексагональную кубическую решетку. Рентгеновская плотность графита 2,666 г/см 3 , пикнометрическая — 2,253 г/см 3 . Он отличается высокими температурами плавления (~ 4000 °С) и кипения (~ 4200 °С), повышающимся с ростом температуры электросопротивлением (при 873 К p≈9,6 мкОм⋅м, при 2273 К p≈ 15,0 мкОм⋅м), довольно прочен. Его временное сопротивление на усах может составить 480-500 МПа. Однако электродный графит имеет σ в = 3,4÷17,2 МПа. Твердость графита по шкале Мооса ~ 1.

Углерод - прекрасный восстановитель. Это связано с тем, что прочность одного из его кислородных соединений (СО) повышается с ростом температуры. Это видно из энергии Гиббса его образования, которая, как показали наши расчеты с использованием данных, хорошо описывается как трехчленным

так и двухчленными уравнениями:

Диоксид углерода СO 2 термодинамически прочен лишь до 1300 К. Энергия Гиббса образования CO 2 описывается уравнениями:

При нормальных условиях аллотропные модификации углерода – графит и алмаз – довольно инертны. Но при повышении t активно вступают в химические реакции с простыми и сложными веществами.

Химические свойства углерода

Так как электроотрицательность углерода невысока, то простые вещества являются хорошими восстановителями. Легче окисляется мелкокристаллический углерод, труднее – графит, ещё труднее – алмаз.

Аллотропные модификации углерода окисляются кислородом (горят) при определённых температурах воспламенения: графит воспламеняется при 600 °С, алмаз – при 850-1000 °С. Если кислород находится в избытке, образуется оксид углерода(IV), если в недостатке – оксид углерода(II):

С + О2 = СО2

2С + О2 = 2СО

Углерод восстанавливает оксиды металлов. При этом получают металлы в свободном виде. Например, при прокаливании оксида свинца с коксом выплавляется свинец:

PbO + C = Pb + CO

восстановитель: C0 – 2e => C+2

окислитель: Pb+2 + 2e => Pb0

Окислительные свойства углерод проявляет и по отношению к металлам. При этом он образует разного рода карбиды. Так, с алюминием проходит реакции при высокой температуре:

3C + 4Al = Al4C3

C0 + 4e => C-4 3

Al0 – 3e => Al+3 4

Химические свойства соединений углерода

1) Так как прочность монооксида углерода велика, то он вступает в химические реакции при высоких температурах. При значительном нагревании проявляются высокие восстановительные свойства монооксида углерода. Так, он вступает в реакцию с оксидами металлов:

CuO + CO => Cu + CO2

При повышенной температуре (700 °С) он воспламеняется в кислороде и горит голубым пламенем. По этому пламени можно узнать, что в результате реакции образуется углекислый газ:

CO + O2 => CO2

2) Двойные связи в молекуле диоксида углерода достаточно прочны. Для их разрыва требуется значительная энергия (525,6 кДж/моль). Поэтому диоксид углерода довольно инертен. Реакции, в которые он вступает, часто происходят при высоких температурах.

Диоксид углерода проявляет кислотные свойства в реакции с водой. При этом образуется раствор угольной кислоты. Реакция происходит обратимо.

Диоксид углерода как кислотный оксид реагирует со щелочами и основными оксидами. При пропускании углекислого газа через раствор щёлочи может образоваться либо средняя, либо кислая соль.

3) Угольная кислота обладает всеми свойствами кислот и взаимодействует со щелочами и основными оксидами.

Химические свойства кремния

Кремний более активен, чем углерод, и окисляется кислородом уже при 400 °С. Окислять кремний могут другие неметаллы. Эти реакции обычно идут при более высокой температуре, чем с кислородом. В таких условиях кремний взаимодействует с углеродом, в частности с графитом. При этом образуется карборунд SiC– очень твёрдое вещество, уступающее по твёрдости только алмазу.

Кремний может быть и окислителем. Это проявляется в реакциях с активными металлами. Например:

Si + 2Mg = Mg2Si

Более высокая активность кремния по сравнению с углеродом проявляется в том, что он, в отличие от углерода, вступает в реакции с щелочами:

Si + NaOH + H2O => Na2SiO3 + H2

Химические свойства соединений кремния

1) Прочные связи между атомами в кристаллической решётке диоксида кремния объясняют невысокую химическую активность. Реакции, в которые вступает этот оксид, происходят при высоких температурах.

Оксид кремния является кислотным оксидом. Как известно, в реакцию с водой он не вступает. Его кислотная природа проявляется в реакции со щелочами и основными оксидами:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

Реакции с основными оксидами проходят при высоких температурах.

Окислительные свойства оксид кремния проявляет слабо. Он восстанавливается некоторыми активными металлами.