Химические соединения на основе кремния и углерода (стр. 3 из 3)

2.3.1 Карбиды, растворимые в воде и разбавленных кислотах

А. Карбиды, при растворении образующие C₂H₂ К этой группе относятся карбиды металлов первых двух главных групп; близки к ним и карбиды Zn, Cd, La, Се, Th состава MC₂ (LaC₂, CeC₂, ТhC₂.)

CaC₂+2H₂0=Ca (OH) ₂+C₂H_2,ThC₂+4H₂0=Th (OH) ₄+H₂C₂+H₂.

Б. Карбиды, при растворении образующие СН₄, например:

АНСз+ 12Н₂0=4Аl (ОН) з+ЗСН_4,Ве₂С+4Н₂0=2Ве (ОН) ₂+СН₄. По свойствам к ним близок Мn_зС:

Мn_зС+6Н₂0=ЗМn (ОН) ₂+СН₄+Н₂.

В. Карбиды, при растворении образующие смесь углеводородов и водород. К ним относятся большинство карбидов редкоземельных металлов.

2.3.2 Карбиды, нерастворимые в воде и в разбавленных кислотах

К этой группе относится большинство карбидов переходных металлов (W, Мо, Та и др.), а также SiC, B₄C.

Они растворяются вокислительных средах, например:

VC + 3HN0₃ + 6HF = HVF₆ + СO₂ + 3NO + 4Н₂0, SiC+4KOH+2C0₂=K₂Si0₃+K₂C0₃+2H₂0.

Рисунок 3. Икосаэдр B₁₂

Практически важными являются карбиды переходных металлов, а также карбиды кремния SiC и бора B₄C. SiC - карборунд - бесцветные кристаллы с решеткой алмаза, по твердости приближающийся к алмазу (технический SiC за счет примесей имеет темную окраску). SiC очень огнеупорен, теплопроводен и при высокой температуре электропроводен, химически чрезвычайно инертен; его можно разрушить только при сплавлении на воздухе со щелочами.

B₄C - полимер. Решетка карбида бора построена из линейно расположенных трех атомов углерода и групп, содержащих 12 атомов В, расположенных в форме икосаэдра (рис.3); твердость B4C превышает твердость SiC.

Глава 3. Соединения кремния

Отличие химии кремния от углерода в основном обусловлено большими размерами его атома и возможностью использования свободных Зй-орбиталей. Из-за дополнительного связывания (по донорно-акцепторному механизму) связи кремния с кислородом Si-О-Si и фтором Si-F (табл.17.23) более прочны, чем у углерода, а из-за большего размера атома Si по сравнению с атомом С связи Si-Н и Si-Si менее прочны, чем у углерода. Атомы кремния практически не способны давать цепи. Аналогичный углеводородам гомологический ряд кремневодородов SinH2n+2 (си-ланы) получен лишь до состава Si4Hio. Из-за большего размера у атома Si слабо выражена и способность к л-перекрыванию, поэтому не только тройные, но и двойные связи для него малохарактерны.

При взаимодействии кремния с металлами образуются силициды (Ca₂Si, Mg₂Si, BaSi₂, Cr₃Si, CrSi₂ и др.), похожие во многом на карбиды. Силициды не характерны для элементов I группы (кроме Li). Галогениды кремния (табл.5) более прочные соединения, чем галогениды углерода; вместе с тем водой они разлагаются.

Таблица 5. Прочность некоторых связей углерода и кремния

Связь	Энергия связи, кДж/моль	Связь	Энергия связи, к Д ж/моль
С-С	348	Si-Si	222
С-Н	414	Si-H	319
С-О	359	Si-О	445
C-F	487	Si-F	567
С-Сl	340	Si-Cl	382
С-Вг	285	Si-Br	310
С-I	214	Si-I	235
C-N	206	Si-N	330-350

Наиболее прочным галогенидом кремния является SiF₄ (разлагается только под действием электрического разряда), но так же, как и другие галогениды, подвергается гидролизу. При взаимодействии SiF₄ с HF образуется гексафторокремниевая кислота:

SiF₄+2HF=H₂ [SiF₆].

H₂SiF₆ по силе близка к H₂S0₄. Производные этой кислоты - фторосиликаты, как правило, растворимы в воде. Плохо растворимы фторосиликаты щелочных металлов (кроме Li и NH₄). Фторосиликаты используются как ядохимикаты (инсектициды).

Практически важным галогенидом является SiCO₄. Он используется для получения кремнийорганических соединений. Так, SiCL₄ легко взаимодействует со спиртами с образованием эфиров кремниевой кислоты HaSiO₃:

SiCl₄+4C₂H₅OH=Si (OC₂H₅) ₄+4HCl₄

Таблица 6. Галогениды углерода и кремния

Эфиры кремниевой кислоты, гидролизуясь, образуют силиконы - полимерные вещества цепочечного строения:

(R-органический радикал), которые нашли применение для получения каучуков, масел и смазок.

Сульфид кремния (SiS₂) n-полимерное вещество; при обычной температуре устойчив; разлагается водой:

SiS₂+ ЗН₂О = 2H₂S + H₂SiO₃.

3.1 Кислородные соединения кремния

Важнейшим кислородным соединением кремния является диоксид кремния SiO₂ (кремнезем), имеющий несколько кристаллических модификаций.

Низкотемпературная модификация (до 1143 К) называется кварцем. Кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами. Природные разновидности кварца: горный хрусталь, топаз, аметист. Разновидностями кремнезема являются халцедон, опал, агат,. яшма, песок. [5, 322]

Кремнезем химически стоек; на него действуют лишь фтор, плавиковая кислота и растворы щелочей. Он легко переходит в стеклообразное состояние (кварцевое стекло). Кварцевое стекло хрупко, химически и термически весьма стойко. Отвечающая SiO₂ кремниевая кислота не имеет определенного состава. Обычно кремниевую кислоту записывают в виде xH₂O-ySiO₂. Выделены кремниевые кислоты: H₂SiO₃ (H₂O-SiO₂) - метакремниевая (три-оксокремниевая), H₄Si0₄ (2H₂0-Si0₂) - ортокремниевая (тетра-оксокремниевая), H₂Si2O₅ (H₂O * SiO₂) - диметакремниевая.

Кремниевые кислоты - плохо растворимые вещества. В соответствии с менее металлоидным характером кремния по сравнению с углеродом H₂SiO₃ как электролит слабее Н₂СОз. [4,467 - 468]

Отвечающие кремниевым кислотам соли-силикаты-в воде нерастворимы (кроме силикатов щелочных металлов). Растворимые силикаты гидролизуются по уравнению

2SiOз²-+H₂0=Si₂O₅²-+20H-.

Концентрированные растворы растворимых силикатов называют жидким стеклом. Обычное оконное стекло-силикат натрия и кальция-имеет состав Na₂0-CaO-6Si0₂. Его получают по реакции

Известно большое разнообразие силикатов (точнее, оксосиликатов). В строении оксосиликатов наблюдается определенная закономерность: все состоят из тетраэдров Si0₄, которые через атом кислорода соединены друг с другом. Наиболее распространенными сочетаниями тетраэдров являются (Si₂O₇^6-), (Si₃O₉) ^6-, (Si₄0_l2) ^8-, (Si₆O₁₈^12-), которые как структурные единицы могут объединяться в цепочки, ленты, сетки и каркасы (рис 4).

Важнейшими природными силикатами являются, например, тальк (3MgO * H₂0-4Si0₂) и асбест (SmgO*H₂O*SiO₂). Как и для SiO₂, для силикатов характерно стеклообразное (аморфное) состояние. При управляемой кристаллизации стекла можно получить мелкокристаллическое состояние (ситаллы). Ситаллы характеризуются повышенной прочностью.

Кроме силикатов в природе широко распространены алюмосиликаты. Алюмосиликаты - каркасные оксосиликаты, в которых часть атомов кремния заменена на трехвалентный Аl; например Na₁₂ [ (Si, Al) 0₄] ₁₂.

Для кремниевой кислоты характерно коллоидное состояниепри воздействии на ее соли кислот H₂SiO₃ выпадает не сразу. Коллоидные растворы кремниевой кислоты (золи) при определенных условиях (например, при нагревании) можно перевести в прозрачную, однородную студнеобразную массу-гель кремниевой кислоты. Гели - высокомолекулярные соединения с пространственной, весьма рыхлой структурой, образованной молекулами Si0₂, пустоты которой заполнены молекулами H₂O. При обезвоживании гелей кремниевой кислоты получают силикагель - пористый продукт, обладающий высокой адсорбционной способностью.

Рисунок 4. Строение силикатов.

Выводы

Рассмотрев в своей работе химические соединения на основе кремния и углерода, я пришла к выводу, что углерод, являясь не очень распространённым количественно элементом есть важнейшим составляющим земной жизни, существуют его соединения в воздухе, нефти а также в таких простых веществах как алмаз и графит. Одной из важнейших характеристик углерода есть прочные ковалентные связи между атомами, а также атомом водорода. Важнейшими неорганическими соединениями углерода являются: оксиды, кислоты, соли, галогениды, азотосодержащие производные, сульфиды, карбиды.

Говоря о кремнии необходимо отметить большие количества его запасов на земле, он является основой земной коры и встречается в огромном многообразии силикатов, песка и т.д. В настоящее время использование кремния из-за его качеств полупроводника возврастает. Он используется в электронике при производстве компьютерных процессоров, микросхем и чипов. Соединения кремния с металлами образуют силициды, важнейшим кислородным соединением кремния есть оксид кремния SiO_{2 (}кремнезем) В природе есть большое разнообразие силикатов - это тальк, асбест, также распространены алюмосиликаты.

Список литературы

1. Большая советская энциклопедия. Третье издание. Т.28. - М.: Советская энциклопедия, 1970.

2. Жиряков В.Г. Органическая химия.4-е изд. - М., "Химия", 1971.

3. Краткая химическая энциклопедия. - М. "Советская энциклопедия", 1967.

4. Общая химия / Под ред. Е.М. Соколовской, Л.С. Гузея.3-е изд. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.

5. Мир неживой природы. - М., "Наука", 1983.

6. Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органическая химия. Учебник.4-е изд. - М.: "Химия", 1989.