A szilícium a D.I. periódusos rendszer IV. csoportjába tartozó kémiai elem. Mengyelejev. J. Gay-Lusac és L. Ternar fedezte fel 1811-ben. Sorozatszáma 14, atomtömege 28,08, atomtérfogata 12,04 10 -6 m 3 /mol. A szilícium egy metalloid, és a szén alcsoportjába tartozik. Oxigén vegyértéke +2 és +4. A természetben való bőség tekintetében a szilícium a második az oxigén után. Tömeghányada a földkéregben 27,6%. A földkéreg V.I. Vernadsky, több mint 97%-a szilícium-dioxidból és szilikátokból áll. Oxigén és szerves szilíciumvegyületek találhatók növényekben és állatokban is.
A mesterségesen előállított szilícium lehet amorf vagy kristályos. Az amorf szilícium a röntgendiffrakciós adatok szerint barna, finoman eloszlatott, erősen higroszkópos por, apró szilíciumkristályokból áll. A SiCl 4 cinkgőzzel való redukálásával nyerhető magas hőmérsékleten.
A kristályos szilícium acélszürke színű és fémes fényű. A kristályos szilícium sűrűsége 20 °C-on 2,33 g/cm3, a folyékony szilícium 1723-2,51, 1903K-on pedig 2,445 g/cm3. A szilícium olvadáspontja 1690 K, forráspontja - 3513 K. Az adatok szerint a szilícium gőznyomását T = 2500÷4000 K mellett a log p Si = -20130/ T + 7,736, kPa egyenlet írja le. Szilícium szublimációs hője 452610, olvadási hője 49790, párolgási hője 385020 J/mol.
A szilícium polikristályokat nagy keménység jellemzi (20°C-on HRC = 106). A szilícium azonban nagyon törékeny, ezért nagy a nyomószilárdsága (σ SZh B ≈690 MPa) és nagyon alacsony a szakítószilárdsága (σ B ≈ 16,7 MPa).
Szobahőmérsékleten a szilícium inert és csak fluorral reagál, illékony 81P4-et képezve. A savak közül csak salétromsavval reagál hidrogén-fluoriddal keverve. A szilícium azonban meglehetősen könnyen reagál lúgokkal. Egyik reakciója lúgokkal
Si + NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
hidrogén előállítására használják. Ugyanakkor a szilícium nagyszámú kémiailag erős vegyületet képezhet nemfémekkel. Ezen vegyületek közül meg kell jegyezni a halogenideket (SiX 4-től Si n X 2n+2-ig, ahol X halogén és n ≤ 25), ezek vegyes vegyületeit SiCl 3 B, SiFCl 3 stb., az Si 2 oxikloridokat. OCl 3, Si 3 O2Cl3 és mások, a Si 3 N 4, Si 2 N 3, SiN és az Si n H 2n+2 általános képletű hidridek, valamint a ferroötvözetek gyártásában előforduló vegyületek közül az illékony szulfidok SiS és SiS 2 és a tűzálló karbid SiC.
A szilícium fémekkel is képes vegyületeket - szilicideket - előállítani, amelyek közül a legfontosabbak a vas-, króm-, mangán-, molibdén-, cirkónium-, valamint ritkaföldfémek és alkálifémek szilicidjei. A szilíciumnak ezt a tulajdonságát - képességét, hogy fémekkel vegyileg nagyon erős vegyületeket és oldatokat tud előállítani - széles körben alkalmazzák az alacsony széntartalmú vasötvözetek gyártásában, valamint az alacsony forráspontú alkáliföldfémek (Ca, Mg, Ba) redukciójában, ill. nehezen redukálható fémek (Zr, Al stb.).
A szilícium és vas ötvözeteit P.V. Held és iskolája kiemelt figyelmet fordított a Fe-Si rendszernek a magas tartalmú ötvözetekhez kapcsolódó részére. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a Fe-Si diagramból (1. ábra) látható, hogy az ilyen összetételű ötvözetekben számos olyan átalakulás következik be, amelyek jelentősen befolyásolják a különböző minőségű ferroszilícium minőségét. Így a FeSi 2 -diszilicid csak alacsony hőmérsékleten stabil (< 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.
A > 55,5% Si-t tartalmazó ötvözetek hűtésekor a leboit T hőmérsékleten< 1213 К разлагается по эвтектоидной реакции
Fe 2 Si 5 → FeSi 2 + Si (2)
és ötvözetek 33,86-50,07% Si T-nél< 1255 К - по перитектоидной реакции
Fe 2 Si 5 + FeSi = 3 FeSi 2 (3)
A közbenső összetételű (50,15-55,5% Si) ötvözetek először 1255 K-on peritectoid (3), majd 1213 K-on eutektoid (2) átalakuláson mennek keresztül. A Fe 2 Si 5 e (2) és (3) reakciók szerinti átalakulása a szilicid térfogatának változásával jár együtt. Ez a változás különösen nagy a (2) reakció során - körülbelül 14%, ezért a leboitot tartalmazó ötvözetek elvesztik folytonosságukat, megrepednek, sőt összeomlanak. Lassú, egyensúlyi kristályosítással (lásd 1. ábra) a leboit felszabadulhat mind az FS75, mind az FS45 ötvözetek kristályosodása során.
A leboit eutektoid bomlásához kapcsolódó repedés azonban csak az egyik oka a szétesésnek. A második, látszólag fő ok az, hogy a szemcsehatárok mentén kialakuló repedések lehetőséget teremtenek arra, hogy az ezen határok mentén felszabaduló folyadékok - foszfor, arzén, alumínium-szulfidok és karbidok stb. - reagáljanak a levegő nedvességével olyan reakciókban, amelyek Ennek eredményeként H 2, PH 3, PH 4, AsH 4 stb. kerül a légkörbe, és a repedésekben laza oxidok, Al 2 O 3, SiO 2 és egyéb vegyületek vannak, amelyek szétrobbanják őket. Az ötvözetek szétesése megelőzhető, ha azokat magnéziummal módosítjuk, a szemcsét finomító (V, Ti, Zg stb.) vagy plasztikussá tevő elemek adalékaival ötvözzük. A szemcsefinomítás csökkenti a szennyeződések és vegyületeik koncentrációját a határain, és ugyanúgy befolyásolja az ötvözetek tulajdonságait, mint az ötvözetben lévő szennyeződések (P, Al, Ca) koncentrációjának általános csökkenése, amelyek hozzájárulnak a széteséshez. A Fe-Si ötvözetek termodinamikai tulajdonságait (keverési hő, aktivitás, szénoldhatóság) részletesen tanulmányozták, és megtalálhatók a munkákban. A szén Fe-Si ötvözetekben való oldhatóságára vonatkozó információkat a 2. ábra, a szilícium aktivitását az 1. táblázat tartalmazza.
1. ábra – A Fe-Si rendszer állapotdiagramja
Az oxigén szilícium vegyületek fizikai-kémiai tulajdonságait P.V. Geld és munkatársai. A Si-O rendszer fontossága ellenére diagramja még nem készült el. Jelenleg a szilícium két oxigénvegyülete ismert - a szilícium-dioxid SiO 2 és a monooxid SiO. A szakirodalomban vannak utalások a szilícium egyéb oxigénvegyületeinek - Si 2 O 3 és Si 3 O 4 - létezésére is, de ezek kémiai és fizikai tulajdonságairól nincs információ.
A természetben a szilíciumot csak a szilícium-dioxid SiO 2 képviseli. Ez a szilíciumvegyület más:
1) nagy keménység (a Mohs-skála szerint 7) és tűzállóság (T pl = 1996 K);
2) magas forráspont (T KIP = 3532 K). A szilícium-dioxid gőznyomása a (Pa) egyenletekkel írható le:
3) nagyszámú módosítás kialakítása:
A SiO 2 allotróp átalakulásainak sajátossága, hogy az anyag sűrűségében és térfogatában jelentős változásokkal járnak együtt, ami a kőzet repedését és zúzódását okozhatja;
4) nagy hajlam a hipotermiára. Ezért a gyors lehűlés eredményeként mind a folyékony olvadék (üveg), mind a β-krisztobalit és a tridimit magas hőmérsékletű módosulatainak szerkezete rögzíthető. Éppen ellenkezőleg, gyors melegítéssel a kvarc megolvasztható, megkerülve a tridimit és krisztobalit szerkezeteket. Ebben az esetben a SiO 2 olvadáspontja körülbelül 100 °C-kal csökken;
5) nagy elektromos ellenállás. Például 293 K-en ez 1 10 12 Ohm*m. A hőmérséklet növekedésével azonban a SiO 2 elektromos ellenállása csökken, és folyékony állapotban a szilícium-dioxid jó vezető;
6) magas viszkozitás. Így 2073 K-en a viszkozitás 1 10 4 Pa s, 2273 K-en pedig 280 Pa s.
Ez utóbbi szerint N.V. A Solomin azzal magyarázható, hogy a SiO 2 a szerves polimerekhez hasonlóan képes olyan láncok kialakítására, amelyek 2073 K-on 700, 2273 K-n pedig 590 SiO 2 molekulából állnak;
7) nagy termikus stabilitás. Az elemekből SiO 2 képződésének Gibbs-energiáját, figyelembe véve azok aggregált állapotát az adatoknak megfelelően, nagy pontossággal írják le az egyenletek: 
Ezek az adatok, amint az a 2. táblázatból is látható, némileg eltérnek a szerzők adataitól. Termodinamikai számításokhoz kéttagú egyenletek is használhatók:
A szilícium-monoxid SiO-t 1895-ben Potter fedezte fel elektromos kemencék gázfázisában. Mostanra megbízhatóan megállapították, hogy a SiO kondenzált fázisokban is létezik. P.V. kutatása szerint. Gelda, az oxid alacsony sűrűségű (2,15 g/cm 3) és nagy elektromos ellenállású (10 5 -10 6 Ohm*m). A kondenzált oxid törékeny, keménysége a Mohs-skálán ~5, nagy illékonysága miatt az olvadáspont kísérletileg nem határozható meg. O. Kubasevszkij szerint 1875 K, Berezsnij szerint 1883 K. A SiO olvadási hője többszöröse, mint a ΔH 0 SiO2, az adatok szerint 50242 J/mol. Nyilvánvalóan a volatilitás miatt túlbecsülik. Üveges törésű, színe fehértől csokoládéig változik, ami valószínűleg a légköri oxigén általi oxidációnak köszönhető. A friss SiO törés általában borsószerű színű, zsíros fényű. Az oxid csak magas hőmérsékleten, SiO(G) formájában termodinamikailag stabil. Lehűléskor az oxid aránytalanná válik a reakció szerint
2SiO (G) = SiO (L) + SiO 2 (6)
A SiO forráspontja nagyjából a következő egyenletből becsülhető meg:
A szilícium-oxid gáz termodinamikailag nagyon stabil. Kialakulásának Gibbs-energiája az egyenletekkel írható le (lásd 2. táblázat):
amiből jól látható, hogy a SiO-hoz hasonlóan a CO-hoz hasonlóan a kémiai szilárdsága a hőmérséklet emelkedésével növekszik, így számos anyag számára kiváló redukálószer.
A termodinamikai elemzéshez kéttagú egyenletek is használhatók:
A SiO 2 feletti gázok összetételét az I.S. Kulikov. A hőmérséklettől függően a SiO 2 feletti SiO tartalmat a következő egyenletek írják le:
A szilícium-karbid a SiO-hoz hasonlóan a SiO 2 redukciója során keletkező köztes vegyületek egyike. A karbid magas olvadáspontú.
Nyomástól függően 3033-3103 K-ig ellenáll (3. ábra). Magas hőmérsékleten a szilícium-karbid szublimál. Azonban a Si (G), Si 2 C (G), SiC 2 (G) gőznyomása a karbid felett T-nél< 2800К невелико, что следует из уравнения
A karbid kétféle változatban létezik - köbös alacsony hőmérsékletű β-SiC és hatszögletű magas hőmérsékletű α-SiC. A vasötvözet kemencékben általában csak β-SiC található. Amint az adatok felhasználásával végzett számítások megmutatták, a Gibbs-képződési energiát a következő egyenletek írják le:
amelyek markánsan eltérnek az adatoktól. Ezekből az egyenletekből az következik, hogy a karbid 3194 K-ig hőálló. Fizikai tulajdonságait tekintve a keményfém nagy keménységgel (~ 10), nagy elektromos ellenállással (1273 K-en p≈0,13 ⋅ 10 4 μOhm ⋅ m) különböztethető meg. megnövekedett sűrűség (3,22 g /cm 3) és nagy ellenállás redukáló és oxidáló atmoszférában egyaránt.
A tiszta karbid színtelen megjelenésű, és félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek magas hőmérsékleten is megmaradnak. A műszaki szilícium-karbid szennyeződéseket tartalmaz, ezért zöld vagy fekete színű. Így a zöld karbid 0,5-1,3% szennyeződést tartalmaz (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 stb.). A fekete karbid magasabb szennyeződést tartalmaz (1-2%).
A szenet redukálószerként használják a szilíciumötvözetek gyártásában. Ez a fő anyag is, amelyből a szilíciumot és ötvözeteit olvasztó elektromos kemencék elektródái és bélései készülnek. A szén meglehetősen gyakori a természetben, a földkéreg tartalma 0,14%. A természetben szabad állapotban, valamint szerves és szervetlen vegyületek (főleg karbonátok) formájában egyaránt megtalálható.
A szénnek (grafitnak) hatszögletű köbös rácsa van. A grafit röntgensűrűsége 2,666 g/cm3, piknometriás - 2,253 g/cm3. Magas olvadáspont (~ 4000 °C) és forráspont (~ 4200 °C) jellemzi, amelyek a hőmérséklet növekedésével nőnek az elektromos ellenállással (873 K-n p≈9,6 μOhm⋅m, 2273 K-n p≈ 15,0 μOhm⋅m) , elég tartós. Ideiglenes ellenállása a bajuszokon 480-500 MPa lehet. Azonban az elektródgrafit σ in = 3,4÷17,2 MPa. A grafit keménysége a Mohs-skálán ~ 1.
A szén kiváló redukálószer. Ennek az az oka, hogy az egyik oxigénvegyületének (CO) erőssége a hőmérséklet emelkedésével nő. Ez nyilvánvaló a keletkezésének Gibbs-energiájából, amely, amint az adatok felhasználásával végzett számításainkból kiderül, jól leírható, mint egy háromtagú.
és kéttagú egyenletek:
A szén-dioxid CO 2 termodinamikailag csak 1300 K-ig erős. A CO 2 képződés Gibbs-energiáját a következő egyenletek írják le:
A szilícium leírása és tulajdonságai
Szilícium - elem, negyedik csoport, harmadik periódus az elemtáblázatban. 14-es atomszám. Szilícium formula- 3s2 3p2. 1811-ben elemként határozták meg, és 1834-ben a korábbi „szicília” helyett az orosz „szilícium” nevet kapta. 1414°C-on olvad, 2349°C-on forr.
Hasonlít a molekulaszerkezetre, de keménységében rosszabb. Meglehetősen törékeny, hevítve (legalább 800°C-ra) műanyaggá válik. Infravörös sugárzással áttetsző. A monokristályos szilícium félvezető tulajdonságokkal rendelkezik. Egyes jellemzők szerint szilícium atom hasonló a szén atomszerkezetéhez. Szilícium elektronok azonos vegyértékszámmal rendelkeznek, mint a szénszerkezetnél.
Munkások a szilícium tulajdonságai bizonyos tartalmak tartalmától függenek benne. A szilícium különböző típusú vezetőképességgel rendelkezik. Különösen ezek a „lyuk” és „elektronikus” típusok. Az első előállításához bórt adnak a szilíciumhoz. Ha hozzáteszed foszfor, szilícium elsajátítja a második típusú vezetőképességet. Ha a szilíciumot más fémekkel együtt hevítjük, akkor a reakció során „szilicideknek” nevezett speciális vegyületek képződnek. magnézium szilícium«.
Az elektronikai igényekhez használt szilíciumot elsősorban felső rétegeinek jellemzői alapján értékelik. Ezért külön figyelmet kell fordítani a minőségükre, mivel ez közvetlenül befolyásolja az általános teljesítményt. A legyártott készülék működése tőlük függ. A felső szilíciumrétegek legelfogadhatóbb jellemzőinek elérése érdekében ezeket különféle kémiai módszerekkel kezelik vagy besugározzák.
Összetett "kén-szilícium" szilícium-szulfidot képez, amely könnyen kölcsönhatásba lép vízzel és oxigénnel. Ha oxigénnel reagál, 400 ° C feletti hőmérsékleti körülmények között kiderül szilícium-dioxid. Ugyanezen a hőmérsékleten klórral és jóddal, valamint brómmal való reakciók lehetségesek, amelyek során illékony anyagok - tetrahalogenidek - képződnek.
A szilíciumot és a hidrogént nem lehet közvetlen érintkezéssel kombinálni, erre vannak közvetett módszerek. 1000°C-on reakcióba léphet nitrogénnel és bórral, ami szilícium-nitrid és -borid keletkezését eredményezi. Ugyanezen a hőmérsékleten a szilícium szénnel való kombinálásával előállítható szilícium-karbid, az úgynevezett „carborundum”. Ez a készítmény szilárd szerkezetű, kémiai aktivitása lassú. Csiszolóanyagként használják.
Kapcsolatban vas, szilícium speciális keveréket képez, ez lehetővé teszi ezen elemek megolvasztását, ami ferroszilícium kerámiát állít elő. Ráadásul az olvadáspontja sokkal alacsonyabb, mint ha külön olvasztják őket. 1200°C feletti hőmérsékleten a képződés az elemből indul ki szilícium-oxid, bizonyos feltételek mellett is kiderül szilícium-hidroxid. A szilícium maratásakor lúgos vízbázisú oldatokat használnak. Hőmérsékletük legalább 60°C legyen.
Szilícium lelőhelyek és bányászat
Az elem a második legnagyobb mennyiségben előforduló elem a bolygón anyag. Szilícium a földkéreg térfogatának csaknem egyharmadát teszi ki. Csak az oxigén gyakoribb. Főleg szilícium-dioxid fejezi ki, egy olyan vegyület, amely lényegében szilícium-dioxidot tartalmaz. A szilícium-dioxid fő származékai a kovakő, a különféle homok, a kvarc és a mező. Utánuk jönnek a szilícium szilikátvegyületei. A natívság ritka jelenség a szilícium esetében.
Szilícium alkalmazások
Szilícium, kémiai tulajdonságok amely meghatározza alkalmazási körét, több típusra oszlik. Kevésbé tiszta szilíciumot kohászati szükségletekre használnak: például adalékanyagokhoz alumínium, szilícium aktívan megváltoztatja tulajdonságait, deoxidálószereket stb. Aktívan módosítja a fémek tulajdonságait azáltal, hogy hozzáadja őket összetett. Szilíciumötvözi őket, megváltoztatva a működést jellemzők, szilícium Nagyon kis mennyiség is elég.
Ezenkívül jobb minőségű származékokat állítanak elő nyers szilíciumból, különösen mono- és polikristályos szilíciumból, valamint szerves szilíciumból - ezek a szilikonok és a különféle szerves olajok. A cementgyártásban és az üvegiparban is felhasználták. Nem kerülte meg a téglagyártást a porcelángyárak sem nélkülözhetik.
A szilícium a jól ismert szilikátragasztó része, amelyet javítási munkákhoz használnak, korábban pedig irodai szükségletekre használták, amíg praktikusabb helyettesítői nem jelentek meg. Egyes pirotechnikai termékek szilíciumot is tartalmaznak. Hidrogén állítható elő belőle és vasötvözeteiből a szabad levegőn.
Mire használják a jobb minőséget? szilícium? Tányérok A napelemek szilíciumot is tartalmaznak, természetesen nem technikai jellegűek. Ezekhez az igényekhez ideális tisztaságú szilícium vagy legalább a legmagasabb tisztaságú műszaki szilícium szükséges.
Úgynevezett "elektronikus szilícium" amely majdnem 100% szilíciumot tartalmaz, sokkal jobb a teljesítménye. Ezért előnyben részesítik az ultraprecíz elektronikus eszközök és összetett mikroáramkörök gyártásánál. Előállításuk minőségi termelést igényel áramkör, szilícium amiért csak a legmagasabb kategória kellene. Ezeknek az eszközöknek a működése attól függ, hogy mennyi szilíciumot tartalmaz nem kívánt szennyeződések.
A szilícium fontos helyet foglal el a természetben, és a legtöbb élőlénynek folyamatosan szüksége van rá. Számukra ez egyfajta építőkompozíció, mert rendkívül fontos a mozgásszervi rendszer egészsége szempontjából. Naponta egy ember legfeljebb 1 g-ot szív fel szilíciumvegyületek.
A szilícium káros lehet?
Igen, mert a szilícium-dioxid rendkívül hajlamos a porképződésre. Irritáló hatással van a test nyálkahártyájára, és aktívan felhalmozódhat a tüdőben, szilikózist okozva. Ebből a célból a szilíciumelemek feldolgozásához kapcsolódó gyártásban légzőkészülék használata kötelező. Jelenlétük különösen fontos, ha szilícium-monoxidról van szó.
Szilikon ára
Mint ismeretes, minden modern elektronikai technológia a távközléstől a számítástechnikáig a szilícium felhasználásán alapul, kihasználva annak félvezető tulajdonságait. Más analógjait sokkal kisebb mértékben használják. A szilícium és származékai egyedülálló tulajdonságai még évekig páratlanok. A 2001-es árcsökkenés ellenére szilícium, értékesítés gyorsan normalizálódott. És már 2003-ban a kereskedelmi forgalom évi 24 ezer tonnát tett ki.
A legújabb technológiákhoz, amelyek a szilícium szinte kristálytisztaságát igénylik, műszaki analógjai nem alkalmasak. Komplex tisztítórendszerének köszönhetően pedig jelentősen megnő az ár. A polikristályos szilícium elterjedtebb, ennek monokristályos prototípusa valamivel kevésbé keresett. Ugyanakkor a félvezetőkhöz felhasznált szilícium részesedése a kereskedelmi forgalom oroszlánrészét teszi ki.
A termékek ára a tisztaságtól és a rendeltetéstől függően változhat szilícium, vásárolni amely 10 centtől indulhat kilogrammonként nyers nyersanyagra, és akár 10 dollárig és afeletti is lehet az „elektronikus” szilícium esetében.
A szén és a szilícium elemek rövid összehasonlító leírását a 6. táblázat tartalmazza.
6. táblázat
A szén és a szilícium összehasonlító jellemzői
| Összehasonlítási kritériumok | szén – C | Szilícium – Si |
| helyét a kémiai elemek periódusos rendszerében | , 2. periódus, IV csoport, fő alcsoport | , 3. periódus, IV csoport, fő alcsoport |
| az atomok elektronkonfigurációja |  |
|
| vegyértéklehetőségek | II – álló állapotban IV – gerjesztett állapotban | |
| lehetséges oxidációs állapotok |  , ,
, , ,
|  ,
|
| magasabb oxid | , savas | , savas |
| magasabb hidroxid | – gyenge instabil sav | () vagy – gyenge sav, polimer szerkezetű |
| hidrogén csatlakozás | - metán (szénhidrogén) | – szilán, instabil |
Szén. A szénelemre az allotrópia jellemző. A szén a következő egyszerű anyagok formájában létezik: gyémánt, grafit, karbin, fullerén, amelyek közül csak a grafit termodinamikailag stabil. A szén és a korom a grafit amorf fajtáinak tekinthető.
A grafit tűzálló, enyhén illékony, közönséges hőmérsékleten kémiailag inert, átlátszatlan, lágy anyag, amely gyengén vezeti az áramot. A grafit szerkezete réteges.
Az alamaz rendkívül kemény, kémiailag inert (900 °C-ig) anyag, nem vezet áramot és rosszul vezeti a hőt. A gyémánt szerkezete tetraéderes (a tetraéderben minden atomot négy atom vesz körül, stb.). Ezért a gyémánt a legegyszerűbb polimer, amelynek makromolekulája csak szénatomokból áll.
A karbin lineáris szerkezetű ( – karbin, polién) vagy ( – karbin, polién). Ez egy fekete por, és félvezető tulajdonságokkal rendelkezik. Fény hatására a karbin elektromos vezetőképessége nő, és hőmérsékleten 
a karbin grafittá alakul. Kémiailag aktívabb, mint a grafit. A 20. század 60-as éveinek elején szintetizálták, majd néhány meteoritban fedezték fel.
A fullerén a szén allotróp módosulata, amelyet „futball” típusú szerkezetű molekulák alkotnak. Molekulákat és más fulleréneket szintetizáltak. Minden fullerén hibrid állapotú szénatomok zárt szerkezete. A nem hibridizált kötéselektronok delokalizálódnak, mint az aromás vegyületekben. A fullerén kristályok molekuláris típusúak.
Szilícium. A szilíciumra nem jellemző a kötés, nem jellemző, hogy hibrid állapotban létezik. Ezért a szilíciumnak egyetlen stabil allotróp módosulata van, amelynek kristályrácsa hasonló a gyémánthoz. A szilícium kemény (a Mohs-skálán, keménysége 7), tűzálló ( 
), nagyon törékeny, sötétszürke színű anyag, normál körülmények között fémes fényű - félvezető. A kémiai aktivitás a kristályok méretétől függ (a nagyméretű kristályok kevésbé aktívak, mint az amorfok).
A szén reakcióképessége az allotróp módosulástól függ. A gyémánt és grafit formájú szén meglehetősen közömbös, savakkal és lúgokkal szemben ellenálló, ami lehetővé teszi tégelyek, elektródák stb. készítését grafitból. A szén nagyobb reakciókészséget mutat szén és korom formájában.
A kristályos szilícium meglehetősen inert, amorf formában aktívabb.
A szén és a szilícium kémiai tulajdonságait tükröző főbb reakciótípusokat a 7. táblázat tartalmazza.
7. táblázat
A szén és a szilícium alapvető kémiai tulajdonságai
| reakcióval | szén | reakcióval | szilícium | ||
| egyszerű anyagok | oxigén |  | oxigén |  | |
| halogének |  | halogének |  | ||
| szürke |  | szén |  | ||
| hidrogén |  | hidrogén | nem reagál | ||
| fémek |  | fémek |  | ||
| összetett anyagok | fém-oxidok |  | lúgok | ||
| vízpára |  | savak | nem reagál | ||
| savak |
Cementáló anyagok
Cementáló anyagok – ásványi vagy szerves építőanyagok betongyártáshoz, épületszerkezetek egyes elemeinek rögzítéséhez, vízszigeteléshez stb..
Ásványi kötőanyagok(MVM)– finomra őrölt porszerű anyagok (cement, gipsz, mész stb.), amelyek vízzel (esetenként sók, savak, lúgok oldataival) keverve plasztikus, megmunkálható masszát képeznek, amely tartós kőszerű testté megkeményedik és megköt szilárd aggregátumok részecskéi és megerősítése monolitikus egésszé.
Az MVM megkeményedése az oldódási folyamatok, a túltelített oldat és a kolloid tömeg képződése miatt következik be; ez utóbbi részben vagy teljesen kikristályosodik.
MVM besorolás:
1. hidraulikus kötőanyagok:
Vízzel keverve (keverve) megkeményednek, és továbbra is megtartják vagy növelik szilárdságukat vízben. Ide tartoznak a különféle cementek és hidraulikus mész. Amikor a hidraulikus mész megkeményedik, a CaO kölcsönhatásba lép a levegőben lévő vízzel és szén-dioxiddal, és a keletkező termék kristályosodik. Folyamatos vízhatásnak kitett föld feletti, földalatti és hidraulikus építmények építésénél használják.
2. levegő megkötő anyagok:
Vízzel keverve megkeményednek és csak levegőn tartják meg erejüket. Ide tartoznak a levegőztetett mész, a gipsz-anhidrit és a magnézium-dioxiddal levegőztetett kötőanyagok.
3. saválló kötőanyagok:
Főleg saválló cementből állnak, amely finomra őrölt kvarchomok keveréket és; Általában vizes nátrium- vagy kálium-szilikát oldattal vannak lezárva, és savakkal érintkezve hosszú ideig megőrzik erejüket. A keményedés során reakció lép fel. Saválló gittek, habarcsok és beton gyártására használják vegyi üzemek építésénél.
4. Autoklávban keményedő kötőanyagok:
Kalcium-kovás és mész-nefelin kötőanyagokból (mész, kvarchomok, nefelin iszap) állnak, és autoklávban történő feldolgozáskor megkeményednek (6-10 óra, gőznyomás 0,9-1,3 MPa). Ide tartoznak a homokos portlandcementek és egyéb mész-, hamu- és alacsony aktivitású iszap alapú kötőanyagok is. Szilikátbeton termékek (tömbök, mészhomoktégla stb.) gyártásához használják.
5. Foszfátkötő anyagok:
Speciális cementekből áll; foszforsavval lezárják őket, hogy olyan képlékeny masszát képezzenek, amely fokozatosan monolitikus testté szilárdul, és 1000 °C feletti hőmérsékleten is megőrzi szilárdságát. Általában titánfoszfátot, cink-foszfátot, alumínium-foszfátot és más cementeket használnak. Tűzálló bélésanyag és tömítőanyagok gyártására használják fém alkatrészek és szerkezetek magas hőmérsékletű védelmére tűzálló beton gyártásánál stb.
Szerves kötőanyagok(OBM) – szerves eredetű anyagok, amelyek polimerizáció vagy polikondenzáció következtében képlékeny állapotból szilárd vagy alacsony plaszticitású állapotba tudnak átmenni.
Az MVM-hez képest kevésbé törékenyek és nagyobb a szakítószilárdságuk. Ide tartoznak az olajfinomítás során keletkező termékek (aszfalt, bitumen), a fa termikus bomlástermékei (kátrány), valamint a szintetikus hőre keményedő poliészter, epoxi, fenol-formaldehid gyanták. Használják utak, hidak, ipari helyiségek padlóinak, hengerelt tetőfedő anyagoknak, aszfalt-polimer betonnak stb.
2. dia
A természetben lenni.
A számos kémiai elem között, amelyek nélkül az élet a Földön lehetetlen, a szén a fő. A légkörben lévő szén több mint 99%-a szén-dioxid formájában található. Az óceánokban lévő szén körülbelül 97% -a oldott formában (), a litoszférában pedig ásványi anyagok formájában létezik. Az elemi szén kis mennyiségben van jelen a légkörben grafit és gyémánt, a talajban pedig szén formájában.
3. dia
Pozíció a PSHE-ben A szén-alcsoport elemeinek általános jellemzői.
A D.I. Mengyelejev-féle periódusos rendszer IV. csoportjának fő alcsoportját öt elem alkotja - szén, szilícium, germánium, ón és ólom. Mivel a széntől az ólomig növekszik az atom sugara, megnő az atomok mérete, az elektronok kötődési képessége, és ennek következtében a nemfémes tulajdonságok gyengülnek, és nő az elektronok leadásának könnyűsége. .
4. dia
Villamosmérnök
Normál állapotban ennek az alcsoportnak az elemei 2-vel egyenlő vegyértéket mutatnak. Gerjesztett állapotba való átmenetkor a külső réteg egyik s - elektronjának átmenete a p - alszintű szabad cellába. szinten, a külső réteg összes elektronja párosítatlanná válik, és a vegyérték 4-re nő.
5. dia
Gyártási módszerek: laboratóriumi és ipari.
Szén A metán tökéletlen égése: CH4 + O2 = C + 2H2O Szén-monoxid (II) Az iparban: A szén-monoxid (II) speciális kemencékben, úgynevezett gázgenerátorokban keletkezik két egymást követő reakció eredményeként. A gázgenerátor alsó részében, ahol elegendő oxigén van, a szén teljes égése következik be, és szén-monoxid (IV) keletkezik: C + O2 = CO2 + 402 kJ.
6. dia
Ahogy a szén-monoxid (IV) alulról felfelé halad, érintkezésbe kerül a forró szénnel: CO2 + C = CO – 175 kJ. A keletkező gáz szabad nitrogénből és szén(II)-monoxidból áll. Ezt a keveréket generátorgáznak nevezik. A gázgenerátorokban néha vízgőzt fújnak át forró szénen: C + H2O = CO + H2 – Q, „CO + H2” - vízgáz. Laboratóriumban: Hangyasavra ható tömény kénsavval, ami megköti a vizet: HCOOH H2O + CO.
7. dia
Szén-monoxid (IV) Iparban: Mészgyártás mellékterméke: CaCO3 CaO + CO2. Laboratóriumban: Amikor savak kölcsönhatásba lépnek krétával vagy márvánnyal: CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2+ H2O. Karbidok A karbidokat fémek vagy oxidjaik szénnel való égetésével állítják elő.
8. dia
A szénsavat szén-monoxid (IV) vízben való feloldásával állítják elő. Mivel a szénsav nagyon törékeny vegyület, ez a reakció reverzibilis: CO2 + H2O H2CO3. Szilícium Az iparban: Homok és szén keverék melegítésekor: 2C + SiO2Si + 2CO. Laboratóriumban: Ha tiszta homok keveréke kölcsönhatásba lép magnéziumporral: 2Mg + SiO2 2MgO + Si.
9. dia
A kovasavat úgy állítják elő, hogy savak sóoldataira reagálnak. Ugyanakkor kocsonyás csapadék formájában kivál: Na2SiO3 + HCl 2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3
10. dia
A szén allotróp módosulatai.
A szén három allotróp változatban létezik: gyémánt, grafit és karbin.
11. dia
Grafit.
A puha grafit réteges szerkezetű. Átlátszatlan, szürke, fémes fényű. A mobil elektronok jelenléte miatt meglehetősen jól vezeti az elektromosságot. Érintésre csúszós. Az egyik legpuhább a szilárd anyagok között. 2. ábra Grafitrács modellje.
12. dia
Gyémánt.
A gyémánt a legkeményebb természetes anyag. A gyémántkristályokat műszaki anyagként és értékes dekorációként is nagyra értékelik. A jól csiszolt gyémánt gyémánt. A fénysugarakat megtörve a szivárvány tiszta, élénk színeivel csillog. A valaha talált legnagyobb gyémánt súlya 602 g, hossza 11 cm, szélessége 5 cm, magassága 6 cm Ezt a gyémántot 1905-ben találták, és a „Callian” nevet kapta. 1. ábra Gyémánt rácsos modell.
13. dia
Carbyne és Mirror Carbon.
A Carbyne egy mélyfekete por, nagyobb részecskékkel tarkítva. A karbyn az elemi szén termodinamikailag legstabilabb formája. A tükörkarbon réteges szerkezetű. A tükörszén egyik legfontosabb tulajdonsága (a keménység, a magas hőmérsékletekkel szembeni ellenállás stb. mellett) az élő szövetekkel való biológiai kompatibilitása.
14. dia
Kémiai tulajdonságok.
A lúgok a szilíciumot kovasavsókká alakítják hidrogén felszabadulásával: Si + 2KOH + H2O = K2Si03 + 2H2 A szén és a szilícium csak magas hőmérsékleten reagál vízzel: C + H2O ¬ CO + H2 Si + 3H2O = H2SiO3 + 2H2 Szén, ellentétben a szilícium közvetlenül kölcsönhatásba lép a hidrogénnel: C + 2H2 = CH4
15. dia
Karbidok.
A szénnek fémekkel és más elemekkel alkotott vegyületeit, amelyek a szénhez képest elektropozitívak, karbidoknak nevezzük. Az alumínium-karbid vízzel való kölcsönhatása során metán képződik Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 Ha kalcium-karbid vízzel lép kölcsönhatásba, acetilén képződik: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2
Bevezetés
2. fejezet A szén kémiai vegyületei
2.1 A szén oxigénszármazékai
2.1.1 Oxidációs állapot +2
2.1.2 Oxidációs állapot +4
2.3 Fémkarbidok
2.3.1 Vízben és híg savakban oldódó karbidok
2.3.2 Vízben és híg savakban oldhatatlan karbidok
3. fejezet Szilíciumvegyületek
3.1 A szilícium oxigénvegyületei
Bibliográfia
Bevezetés
A kémia a természettudomány egyik ága, amelynek vizsgálati tárgya a kémiai elemek (atomok), az általuk képzett egyszerű és összetett anyagok (molekulák), azok átalakulásai és az átalakulásokra vonatkozó törvényszerűségek.
Definíció szerint D.I. Mengyelejev (1871) szerint „a kémia modern állapotában... az elemek tanulmányozásának nevezhető”.
A „kémia” szó eredete nem teljesen világos. Sok kutató úgy véli, hogy ez Egyiptom ősi nevéből származik - Chemia (görögül Chemia, Plutarkhoszban található), amely a "hem" vagy "hame" szóból származik - fekete, és jelentése "a fekete föld tudománya" (Egyiptom), " egyiptomi tudomány".
A modern kémia szorosan összefügg más természettudományokkal és a nemzetgazdaság minden ágával.
Az anyag kémiai mozgásformájának minőségi sajátossága és más mozgásformákba való átmenetei meghatározzák a kémiai tudomány sokoldalúságát és kapcsolatait az alacsonyabb és magasabb mozgásformákat egyaránt vizsgáló tudásterületekkel. Az anyagmozgás kémiai formájának ismerete gazdagítja a természet fejlődéséről, az anyag evolúciójáról az Univerzumban általános tanítást, és hozzájárul a holisztikus materialista világkép kialakításához. A kémia más tudományokkal való érintkezése kölcsönös behatolásuk meghatározott területeit eredményezi. Így a kémia és a fizika közötti átmenet területeit a fizikai kémia és a kémiai fizika képviseli. A kémia és a biológia, a kémia és a geológia között speciális határterületek keletkeztek - geokémia, biokémia, biogeokémia, molekuláris biológia. A kémia legfontosabb törvényei matematikai nyelven fogalmazódnak meg, és az elméleti kémia nem fejlődhet matematika nélkül. A kémia volt és továbbra is hatással van a filozófia fejlődésére, és maga is megtapasztalta és tapasztalja hatását.
Történelmileg a kémia két fő ága alakult ki: a szervetlen kémia, amely elsősorban a kémiai elemeket és az általuk képződött egyszerű és összetett anyagokat (a szénvegyületek kivételével) vizsgálja, valamint a szerves kémia, amelynek tárgya a szénvegyületek más elemekkel való vizsgálata. (szerves anyagok).
A 18. század végéig a „szervetlen kémia” és a „szerves kémia” kifejezések csak azt jelezték, hogy a természet melyik „birodalmából” (ásványi, növényi vagy állati) származnak bizonyos vegyületek. század óta. ezek a kifejezések a szén jelenlétét vagy hiányát jelezték egy adott anyagban. Aztán új, tágabb jelentést kaptak. A szervetlen kémia elsősorban a geokémiával, majd az ásvány- és geológiával kerül kapcsolatba, i.e. a szervetlen természet tudományaival. A szerves kémia a kémia egyik ága, amely a szénvegyületek széles skáláját vizsgálja a legösszetettebb biopolimer anyagokig. A szerves és bioorganikus kémia révén a kémia határos a biokémiával és tovább a biológiával, azaz. az élő természetről szóló tudományok összességével. A szervetlen és szerves kémia határfelületén a szerves elemvegyületek területe található.
A kémiában fokozatosan kialakultak az anyag szerveződésének szerkezeti szintjeire vonatkozó elképzelések. Egy anyag szövődménye a legalacsonyabb atomtól kezdve molekuláris, makromolekuláris vagy nagy molekulatömegű vegyületek (polimer), majd intermolekuláris (komplex, klatrát, katenán), végül változatos makrostruktúrák (kristály, micella) szakaszain megy keresztül. határozatlan nem sztöchiometrikus képződményekig. Fokozatosan megjelentek és elszigetelődtek a megfelelő tudományágak: összetett vegyületek, polimerek kémiája, kristálykémia, diszpergált rendszerek és felületi jelenségek, ötvözetek vizsgálata stb.
A kémiai tárgyak és jelenségek fizikai módszerekkel történő vizsgálata, a kémiai átalakulások mintázatainak megállapítása a fizika általános elvein alapulva a fizikai kémia alapja. A kémia ezen területe számos egymástól független tudományágat foglal magában: kémiai termodinamika, kémiai kinetika, elektrokémia, kolloidkémia, kvantumkémia és molekulák, ionok, gyökök szerkezetének és tulajdonságainak tanulmányozása, sugárzási kémia, fotokémia, katalízis tanulmányozása. , kémiai egyensúlyok, oldatok stb. Az analitikai kémia önálló jelleget kapott , melynek módszereit széles körben alkalmazzák a kémia és a vegyipar minden területén. A kémia gyakorlati alkalmazásának területein olyan tudományok és tudományágak jelentek meg, mint a kémiai technológia számos ágával, a kohászat, a mezőgazdasági kémia, az orvosi kémia, a törvényszéki kémia stb.
Mint fentebb említettük, a kémia a kémiai elemeket és az általuk képzett anyagokat, valamint az ezeket az átalakulásokat irányító törvényeket vizsgálja. Ezen szempontok egyikével (nevezetesen a szilícium és szén alapú kémiai vegyületekkel) foglalkozom ebben a munkámban.
1. fejezet Szilícium és szén - kémiai elemek
1.1 Általános információk a szénről és a szilíciumról
A szén (C) és a szilícium (Si) az IVA csoport tagjai.
A szén nem túl gyakori elem. Ennek ellenére jelentősége óriási. A szén a földi élet alapja. A természetben igen elterjedt karbonátok része (Ca, Zn, Mg, Fe stb.), a légkörben CO 2 formájában, valamint természetes szén (amorf grafit), olaj formájában található meg. és földgáz, valamint egyszerű anyagok (gyémánt, grafit).
A szilícium a második legelterjedtebb elem a földkéregben (az oxigén után). Ha a szén az élet alapja, akkor a szilícium a földkéreg alapja. Nagyon sokféle szilikátban (4. ábra) és alumínium-szilikátban, homokban található.
Az amorf szilícium barna por. Ez utóbbi kristályos állapotban könnyen beszerezhető szürke kemény, de meglehetősen törékeny kristályok formájában. A kristályos szilícium egy félvezető.
1. táblázat Általános kémiai adatok a szénről és a szilíciumról.
A szén egyik változata, amely normál hőmérsékleten stabil, a grafit egy átlátszatlan, szürke, zsíros massza. A gyémánt a legkeményebb anyag a földön – színtelen és átlátszó. A grafit és a gyémánt kristályszerkezetét az 1. ábra mutatja.
1. ábra: Gyémánt szerkezet (a); grafit szerkezet (b)
A szénnek és a szilíciumnak megvannak a maga sajátos származékai.
2. táblázat A szén és a szilícium legjellemzőbb származékai
1.2 Egyszerű anyagok előállítása, kémiai tulajdonságai és felhasználása
A szilíciumot oxidok szénnel történő redukciójával nyerik; hogy a redukció után különösen tiszta állapotot kapjunk, az anyagot tetrakloridra visszük át és ismét redukáljuk (hidrogénnel). Ezután rúdba olvasztják és zóna olvasztási módszerrel tisztítják. A fémrúd egyik végén felmelegítik, így olvadt fém zóna képződik benne. Amikor a zóna a tuskó másik végére mozog, az olvadt fémben jobban feloldódó szennyeződés, mint a szilárd fémben, eltávolítódik, és ezáltal a fém megtisztul.
A szén közömbös, de nagyon magas hőmérsékleten (amorf állapotban) kölcsönhatásba lép a legtöbb fémmel, szilárd oldatokat vagy karbidokat képezve (CaC 2, Fe 3 C stb.), valamint számos metalloiddal, például:
2C+ Ca = CaC 2, C + 3Fe = Fe 3 C,
A szilícium reaktívabb. A fluorral már normál hőmérsékleten reagál: Si+2F 2 = SiF 4
A szilíciumnak nagyon nagy affinitása is van az oxigénhez:
A klórral és kénnel való reakció körülbelül 500 K hőmérsékleten megy végbe. Nagyon magas hőmérsékleten a szilícium reakcióba lép nitrogénnel és szénnel:
A szilícium nem lép közvetlen kölcsönhatásba a hidrogénnel. A szilícium lúgokban oldódik:
Si+2NaOH+H20=Na2Si03+2H2.
A hidrogén-fluoridon kívüli savak nincsenek rá hatással. A HF reakció lép fel
Si+6HF=H2+2H2.
A különféle szenek, olaj, természetes (főleg CH4), valamint mesterségesen előállított gázok összetételében található szén bolygónk legfontosabb üzemanyaga
