Химические соединения на основе кремния и углерода (стр. 2 из 3)
Графит широко используется для изготовления тиглей. Стержни из графита применяются как электроды. Много графита идет на производство карандашей. Углерод и кремний применяются для производства различных сортов чугуна. В металлургии углерод используется как восстановитель, а кремний из-за большого сродства к кислороду-как раскислитель. Кристаллический кремний в особо чистом состоянии (не более 10-9 ат.% примеси) используется как полупроводник в различных устройствах и приборах, в том числе в качестве транзисторов и термисторов (приборов для очень тонких измерений температур), а также в фотоэлементах, работа которых основана на способности полупроводника при освещении проводить ток.
Глава 2. Химические соединения углерода
Для углерода характерны прочные ковалентные связи между собственными атомами (С-С) и с атомом водорода (С-Н), что нашло отражение в обилии органических соединений (несколько сот миллионов). Кроме прочных связей С-Н, С-С в различных классах органических и неорганических соединений, широко представлены связи углерода с азотом, серой, кислородом, галогенами, металлами (см. табл.5). Столь высокие возможности образования связей обусловлены малыми размерами атома углерода, позволяющими его валентным орбиталям 2s2, 2p2 максимально перекрываться. Важнейшие неорганические соединения описаны в таблице 3.
Среди неорганических соединений углерода уникальными по составу и строению являются азотсодержащие производные.
В неорганической химии широко представлены производные уксусной СНзСООН и щавелевой H2C2О4 кислот - ацетаты (типа М'СНзСОО) и оксалаты (типа MI2C2О4).
Таблица 3. Важнейшие неорганические соединения углерода.
2.1 Кислородные производные углерода
2.1.1 Степень окисления +2
Оксид углерода СО (угарный газ): по строению молекулярных орбиталей (табл.4).
СО аналогичен молекуле N2. Подобно азоту СО обладает высокой энергией диссоциации (1069 кДж/ моль), имеет низкую Тпл (69 К) и Ткип (81,5 К), плохо растворим в воде, инертен в химическом отношении. В реакции СО вступает лишь при высоких температурах, в том числе:
СО+Сl2=СОСl2 (фосген),
СО+Вг2=СОВг2,Сг+6СО=Сг (СО) 6-карбонил хрома,
Ni+4CO=Ni (CO) 4 - карбонил никеля
СО+Н20пар=НСООН (муравьиная кислота).
Вместе с тем молекула СО имеет большое сродство к кислороду:
СО +1/202 =С02+282 кДж/моль.
Из-за большого сродства к кислороду оксид углерода (II) используется как восстановитель оксидов многих тяжелых металлов (Fe, Co, Pb и др.). В лаборатории оксид СО получают обезвоживанием муравьиной кислоты
В технике оксид углерода (II) получают восстановлением С02 углем (С+С02=2СО) или окислением метана (2СН4+ЗО2= =4Н20+2СО).
Среди производных СО представляют большой теоретический и определенный практический интерес карбонилы металлов (для получения чистых металлов). [3,289]
Химические связи в карбонилах образуются в основном по донорно-акцепторному механизму за счет свободных орбиталей d-элемента и электронной пары молекулы СО, имеет место также л-перекрывание по дативному механизму (металл СО). Все карбонилы металлов - диамагнитные вещества, характеризующиеся невысокой прочностью. Как и оксид углерода (II), карбонилы металлов токсичны.Таблица 4. Распределение электронов по орбиталям молекулы СО
2.1.2 Степень окисления +4
Диоксид углерода С02 (углекислый газ). Молекула С02 линейна. Энергетическая схема образования орбиталей молекулы С02 приведена на рис.2. Оксид углерода (IV) может взаимодействовать с аммиаком по реакции.
При нагревании этой соли получают ценное удобрение - карбамид СО (МН2) 2:
Мочевина разлагается водой
CO (NH2) 2+2HaO= (МН4) 2СОз.
Рисунок 2. Энфгетическая диаграмма образования молекулярных орбиталей С02.
В технике оксид СО2 получают разложением карбоната кальция или гидрокарбоната натрия:
В лабораторных условиях его обычно получают по реакции (в аппарате Киппа)
СаСОз+2НС1=СаС12+С02+Н20.
Важнейшими производными С02 являются слабая угольная кислота Н2СОз и ее соли: MI2СОз и MIНСОз (карбонаты и гидрокарбонаты соответственно).
Большинство карбонатов нерастворимо в воде. Растворимые в воде карбонаты подвергаются значительному гидролизу:
COз2-+H20 COз-+OH - (I ступень).Из-за полного гидролиза из водных растворов нельзя выделить карбонаты Cr3+, ai3+, Ti4+, Zr4+ и др.
Практически важными являются Ка2СОз (сода), К2СОз (поташ) и СаСОз (мел, мрамор, известняк). Гидрокарбонаты в отличие от карбонатов растворимы в воде. Из гидрокарбонатов практическое применение находит NaHCО3 (питьевая сода). Важными основными карбонатами являются 2СиСОз-Си (ОН) 2, РЬСО3 Х ХРЬ (ОН) 2.
Свойства галогенидов углерода приведены в табл.6. Из галогенидов углерода самое большое значение имеет-бесцветная, достаточно токсичная жидкость. В обычных условиях ССІ4химически инертен. Его применяют как невоспламеняющийся и негорючий растворитель смол, лаков, жиров, а также для получения фреона CF2CІ2 (Ткип= 303 К):
Другой используемый в практике органический растворитель - сероуглерод CSa (бесцветная, летучая жидкость с Ткип=319 К) – реакционно способное вещество:
CS2+302=C02+2S02+258 ккал/моль,
CS2+3Cl2=CCl4-S2Cl2,CS2+2H2 0==C02+2H2S, CS2+K2S=K2CS3 (соль тиоугольной кислоты Н2СSз).
Пары сероуглерода ядовиты. [8,463-464]
2.2 Азотсодержащие производные углерода
Циановодородная (синильная) кислота HCN (H-C = N) - бесцветная легко подвижная жидкость, кипящая при 299,5 К. При 283 К она затвердевает. HCN и ее производные чрезвычайно ядовиты. HCN можно получить по реакции 
В воде синильная кислота растворяется; при этом она слабо диссоциирует
HCN=H++CN-, К=6,2.10-10.
Соли синильной кислоты (цианиды) в некоторых реакциях напоминают хлориды. Например СН---ион с ионами Ag+ дает плохо растворимый в минеральных кислотах белый осадок цианида серебра AgCN. Цианиды щелочных и щелочноземельных металлов растворимы в воде. Из-за гидролиза их растворы пахнут синильной кислотой (запах горького миндаля). Цианиды тяжелых металлов плохо растворимы в воде. CN--сильный лиганд, важнейшими комплексными соединениями являются K4 [Fe (CN) 6] и Кз [Ре (СN) 6].
Цианиды - непрочные соединения, при длительном воздействии содержащегося в воздухе СO2 цианиды разлагаются
2KCN+C02+H20=K2C03+2HCN.
(CN) 2 - дициан (N=C-C=N) –
бесцветный ядовитый газ; с водой взаимодействует с образованием циановой (HOCN) и синильной (HCN) кислот:
(HCN) кислот:
(CN) 2+H20==HOCN+HCN.
В этой, как и в реакции, приведенной ниже, (CN) 2 похож на галоген:
СО+ (CN) 2=CO (CN) 2 (аналог фосгена).
Циановая кислота известна в двух таутомерных формах:
H-N=C=O==H-0-C=N.Изомером является кислота H-0=N=C (гремучая кислота). Соли HONC взрывают (используются как детонаторы). Родановодородная кислота HSCN - бесцветная, маслянистая, летучая, легко затвердевающая (Тпл=278 К) жидкость. В чистом состоянии очень неустойчива, при ее разложении выделяется HCN. В отличие от синильной кислоты HSCN достаточно сильная кислота (К=0,14). Для HSCN характерно таутомерное равновесие:
H-N = С = S=H-S-C =N.
SCN - ион кроваво-красного цвета (реактив на ион Fe3+). Производные от HSCN соли-роданиды - легко получить из цианидов путем присоединения серы:
KCN+S=KSCN.
Большинство роданидов растворимо в воде. Нерастворимы в воде соли Hg, Au, Ag, Си. Ион SCN-, как и CN-, склонен давать комплексы типа Мз1 M" (SCN) 6, где M''Cu, Mg и некоторые другие. Диродан (SCN) 2-светло-желтые кристаллы, плавящиеся - 271 К. Получают (SCN) 2 по реакции
2AgSCN+Br2==2AgBr+ (SCN) 2.
Из других азотсодержащих соединений следует указать цианамид
и его производное - цианамид кальция CaCN2 (Ca=N-C=N), который используется в качестве удобрения [4,464].
2.3 Карбиды металлов
Карбидами называют продукты взаимодействия углерода с металлами, кремнием и бором. Карбиды по растворимости разделяются на два класса: карбиды, растворимые в воде (или в разбавленных кислотах), и карбиды, нерастворимые в воде (или в разбавленных кислотах).