Унаслідок такої обробки вугілля стає здатним поглинати (адсорбувати) деякі речовини на своїй поверхні. Адсорбція — це здатність речовини втримувати на своїй поверхні газоподібні, рідкі або тверді сполуки.

Кокс. Цю речовину добувають сильним нагріванням кам’яного вугілля без доступу повітря.

Карбін. Карбін добувають з ацетилену (С2Н2) піролізом.

Фулерени та нанотрубки. Фулерени та на-

нотрубки добувають при пропусканні електричного розряду між графітними електродами в атмосфері гелію. Залежно від температури, тиску та наявності каталітичних кількостей деяких металів можуть виходити молекули з різним вмістом атомів Карбону, починаючи від С60, С70, С72, С74 й закінчуючи С960 та С1020.

методи добування кремнію

Зазвичай у промисловості кремній добувають відновленням кварцу в електричних печах коксом. Такий метод забезпечує чистоту близько

98%:

SiO2 +2C t→Si +2CO .

Однак для добування напівпровідникових матеріалів потрібен кремній більш високої чистоти. Для цього проводять реакції відновлення газоподібного тетрахлориду силіцію металічним цинком або розкладом силановоднів:

SiCl4 +2Zn 1000 °C→Si +2ZnCl2 ,

SiH4 780 °C→Si +2H2 .

застосування вуглецю та кремнію

застосування вуглецю

Вуглець є однією з найпотрібніших корисних копалин на нашій планеті. Вуглець переважно використовують як паливо для енергетичної промисловості. Щорічний видобуток кам’яного вугілля у світі становить близько 550 мільйонів тонн. Окрім використання вугілля як теплоносія, чималу його кількість переробляють у кокс, необхідний для добування різних металів. На кожну тонну отриманого заліза в результаті доменного процесу витрачають 0,9 тонн коксу. Активований вуглець застосовують у медицині при отруєннях та в протигазах.

Графіт у великих кількостях використовують для виготовлення олівців. Добавка графіту до сталі збільшує її твердість та стійкість щодо стирання. Таку сталь використовують, наприклад, для виробництва поршнів, колінчастих валів та деяких інших механізмів. Здатність структури графіту до розшаровування дозволяє застосову-

вати його як високоефективну змазку при дуже високих температурах (близько +2500 °С).

Графіт має іще одну дуже важливу властивість — він є ефективним уповільнювачем теплових нейтронів. Цю властивість використовують в ядерних реакторах. Останнім часом стали користуватися пластмасами, в які як наповнювач додають графіт. Властивості таких матеріалів дозволяють використовувати їх для виробництва багатьох важливих пристроїв та механізмів.

Алмази використовують як гарний твердий матеріал для виробництва таких механізмів, як шліфувальні круги, склорізи, бурові установки та інші прилади, які потребують високої твердості. Красиво ограновані алмази застосовують як дорогі прикраси, які називають діамантами.

Фулерени були відкриті порівняно недавно (у 1985 році), тому прикладного застосування вони ще не знайшли, однак уже зараз учені проводять дослідження зі створення носіїв інформації величезної ємності. Нанотрубки вже зараз застосовують у різних нанотехнологіях, наприклад таких, як уведення ліків за допомогою наноголки, виготовлення нанокомп’ютерів та багато іншого.

застосування кремнію

Кремній — гарний напівпровідник. Із нього виготовляють різні напівпровідникові прилади, такі як діоди, транзистори, мікросхеми та мікропроцесори. У всіх сучасних мікрокомп’ютерах застосовуються процесори на основі кремнієвого кристалу. Із кремнію виготовляють також сонячні батареї, здатні перетворювати сонячну енергію в електричну. Окрім того, кремній використовують як легуючий компонент для виробництва високоякісних легованих сталей.

Оксиди карбону та силіцію

карбон(II) оксид

У молекулі карбон монооксиду (чадного газу) CO атоми Карбону й Оксигену зв’язані потрійним зв’язком: два зв’язки утворені за ковалентним механізмом, а третій — за донорно-акцеп- торним:

C O .

Фізичні й біологічні властивості

Чадний газ являє собою безбарвний газ із досить низькими температурами плавлення та

кипіння: Тпл = –205 °С, Ткип = –191 °C. Чистий газ не має запаху, але при добуванні його непо-

вним окисненням вугілля відчувається характерний неприємний запах, який з’являється за

рахунок неповного окиснення деяких органічних сполук, наявних у кам’яному вугіллі. CO погано розчиняється у воді, тільки 25 мл газу в 1 л води. Карбон монооксид — надзвичайно отруйна сполука. Його вдихання спричинює важкі отруєння внаслідок блокування еритроцитів і припинення перенесення кисню по організму. Чадний газ не поглинається звичайними вугільними протигазами. Досить часто отруєння чадним газом трапляються через неправильну роботу газових й, особливо, вугільних печей. У тютюновому димі міститься приблизно 0,5 %, а у вихлопних газах автомобіля близько 3% чадного газу.

добування карбон монооксиду

У промислових масштабах карбон монооксид добувають взаємодією вуглекислого газу CO2 з розжаренем вугіллям:

CO2 +C t→2CO.

Невеликі кількості чадного газу в лабораторіях добувають шляхом розкладання мурашиної або щавлевої кислоти під дією гарячої концентрованої сульфатної кислоти:

HCOOH H2SO4 , t→CO +H2O, H2 (COO)2 H2SO4 , t→CO +CO2 +H2O.

хімічні властивості карбон монооксиду

CO є гарним відновником. Величезні кількості чадного газу застосовують у металургійній промисловості для добування чистих металів:

CO +FeO t→CO2 +Fe ,

CO +CuO t→CO2 +Cu,

PdCl2 +H2O +CO t→CO2 +Pd +2HCl.

Для карбон монооксиду характерні реакції приєднання. Наприклад, при нагріванні з хлором, амоніаком та деякими іншими речовинами:

CO +Cl2 C, t→COCl2 ,

CO +NH3 ThO2 , t→HCN +H2O.

Карбон монооксид є несолетворним оксидом, він не взаємодіє з водою, кислотами й лугами. При нагріванні суміші карбон(II) оксиду з киснем утворюється карбон діоксид:

2CO+O2 →2CO2 .

застосування карбон(II) оксиду

Карбон монооксид застосовують у металургії як відновник металічних руд. Перспективним є також застосування CO як гарного газуватого палива.

карбон(IV) оксид

Карбон діоксид за нормальних умов являє собою безбарвний газ із близькими температурами плавлення та кипіння: Тпл = –78,5 °С; Ткип = –56,5 °С. Він помірно розчинний у воді: 1,7літріввуглекислогогазурозчиняютьсяв1літрі води при температурі +15 °С.

добування карбон діоксиду

Вуглекислий газ зазвичай добувають спалюванням вуглецю або якого-небудь органічного палива (нафти, газу) в надлишку кисню:

C +O2 → CO2 ,

CH4 +2O2 → CO2 +2H2O.

Вуглекислий газ утворюється також у результаті дихання тварин та рослин.

хімічні властивості карбон діоксиду

При розчиненні вуглекислого газу у воді утворюється нестійка карбонатна кислота. При спробі виділити її з розчину карбонатна кислота розкладається на воду та вуглекислий газ, тобто процес утворення кислоти оборотний:

CO2 +H2O H2CO3.

Карбонатна кислота є слабкою двохосновною кислотою ( Ka1 =1,3 10−4 , Ka2 =5 10−11). Схема її дисоціації зображена нижче:

H2CO3 H+ +HCO3−,

HCO3− H+ +CO23−,

H2CO3 2H+ +CO23−.

За рахунок утворення кислоти при взаємодії вуглекислого газу з водою, CO2 відносять до кислотних оксидів, тому карбон діоксид вступає у взаємодію з лугами та основними оксидами з утворенням карбонатів або гідрогенкарбонатів. Карбонати й гідрогенкарбонати — це солі карбонатної кислоти (наприклад, Na2CO3 — натрій карбонат; KHCO3 — гідрогенкарбонат калію). Карбонати добувають так:

CO2 +2NaOH → Na2CO3 +H2O,

CO2 +Na2CO3 +H2O →2NaHCO3 ,

CO2 +CaO → CaCO3.

Карбон діоксид не підтримує горіння й дихання.

Для карбон(IV) оксиду не характерні окисні властивості, але у випадку взаємодії з активними металами карбон діоксид є окисником:

2Na +2CO2 → Na2CO3 +CO.

силіцій оксид

Силіцій оксид при нормальних умовах являє собою склоподібну тверду речовину з високими температурами фазових переходів: Tпл ≈ +1600 °C;

Tкип ≈ +2600 °C.

Силіцій оксид, так само, як і карбон(IV) оксид, є кислотним оксидом, хоча сам він з водою не реагує (це знає кожен, тому що SiО2 — це не що інше, як пісок, а пісок з водою не взаємодіє). Силіцій оксиду відповідає силікатна кислота — H2SiО3. Ця кислота не розчиняється у воді.

При сплавлянні силіцій оксиду з лугами або основними оксидами утворюються силікати. Силікати — це солі силікатної кислоти:

SiO2 +2NaOH → Na2SiO3 +H2O,

SiO2 +CaO → CaSiO3 .

Силікатна кислота являє собою тверду, не розчинну у воді речовину білого кольору, яка при добуванні з концентрованих розчинів утворює сирнистий осад, а з розведених розчинів виділяється у вигляді колоїдного розчину. Колоїдний розчин — це проміжний стан між справжнім розчином і суспензією, а розміри частинок у таких розчинах порядку 10÷100 молекул.

Силікатна кислота — це слабка двохосновна кислота ( Ka1 = 2 10−10 , Ka2 = 2 10−12). Її добувають дією на розчинні у воді силікати хлоридною або сульфатною кислотами:

Na2SiO3 +2HCl → H2SiO3 ↓ +2NaCl,

SiO23− +2H+ → H2SiO3 ↓.

карбонати

Як уже зазначалося вище, карбонатна кислота утворює два типи солей: середні солі (з аніоном CO23− , наприклад, кальцій карбонат — CaCO3, натрій карбонат — Na2CO3) і кислі солі (з аніоном HCO3− , наприклад, натрій гідрогенкарбонат — NaHCO3, амоній гідрогенкарбонат — NH4HCO3).

Карбонати й гідрогенкарбонати зазвичай являють собою безбарвні або білі кристалічні сполуки (за винятком пофарбованого в зелений колір мінералу малахіту — основного купрум(II) карбонату Cu2 (OH)2 CO3 ).

У воді розчиняються тільки карбонати лужних металів (окрім Літію) та амонію. На відміну від середніх солей, кислі солі, гідрогенкарбонати усі розчинні. Розчини карбонатів і гідрогенкарбонатів проявляють лужну реакцію за рахунок реакції гідролізу:

Na2CO3 +H2O → NaHCO3 +NaOH ,

CO23− +H2O → HCO3− +OH− .

Розчинні карбонати металів (Na2CO3, K2CO3 та (NH4 )2 CO3 ) при нагріванні не змінюються аж до температури плавлення, а нерозчинні карбонати при нагріванні розкладаються на оксид металу та вуглекислий газ:

CaCO3 t→CaO +CO2 ↑.

На відміну від карбонатів, усі гідрогенкарбонати розчиняються у воді. Однак уже при несильному нагріванні (до +80 °С) гідрогенкарбонати розкладаються згідно з рівняннями:

2NaHCO3 80 °C→Na2CO3 +CO2 ↑ + H2O,

Ca(HCO3 )2 80 °C→CaCO3 ↓ +CO2 ↑ + H2O.

Із цими реакціями люди зіштовхуються в побуті при кип’ятінні води в чайнику, адже вапняний наліт на стінках чайника та на нагрівальній спіралі пральної машини не що інше, як суміш карбонатів Кальцію, Магнію й Феруму, що утворилися при розкладі відповідних гідрогенкарбонатів.

Усі карбонати й гідрогенкарбонати взаємодіють із більш сильними кислотами, ніж карбонатна, наприклад з оцтовою (CH3COOH) або хлоридною (HCl) кислотами. При цьому виділяється вуглекислий газ і утворюються відповідні солі:

MgCO3 +2HCl → MgCl2 +H2O +CO2 ↑,

NaHCO3 +CH3COOH →CH3COONa +CO2 ↑ + H2O.

перетворення карбонатів у гідрогенкарбонати

Оскільки гідрогенкарбонати являють собою кислі солі, то вони вступають у взаємодію з основами. При цьому утворюються карбонати

йвода:

2KHCO3 + 2NaOH → K2CO3 + Na2CO3 + 2H2O,

HCO3− +OH− → CO23− +H2O.

Можливий також і зворотний процес добування гідрогенкарбонатів з карбонатів. Для цього через розчин (або завись нерозчинного карбонату) пропускають вуглекислий газ. При цьому відбуваються такі перетворення:

Na2CO3 + CO2 + H2O 2NaHCO3 ,

CO23− +CO2 +H2O 2HCO3− .

Отже, ми можемо пояснити такий експери-

мент: через розчин кальцій гідроксиду (Ca(OH)2 ) пропускають вуглекислий газ. При цьому розчин спочатку мутніє, а потім стає знову прозорим. Очевидно, що при взаємодії кальцій гідроксиду з вуглекислим газом утворюється нерозчинний кальцій карбонат, через що й утворюється біла каламуть:

Ca(OH)2 +CO2 → CaCO3 ↓ +H2O.

При подальшому пропусканні вуглекислого газу розчин знову стає прозорим за рахунок утворення кальцій гідрогенкарбонату:

CaCO3 ↓ +CO2 +H2O → Ca(HCO3 )2.

твердість води

Твердість води — це природна властивість води, обумовлена присутністю в ній розчинених солей Кальцію та Магнію. Сумарну концентрацію йонів Магнію й Кальцію називають загальною твердістю води. Розрізняють постійну й тимчасову твердість води, їхня порівняльна характеристика подана в таблиці.

Морська вода непридатна для миття рук через її твердість — у твердій воді мило не милиться. Тверда вода так само непридатна для прання, тому що основний компонент прального порошку утворює хімічна сполука з йонами Магнію та Кальцію. Природна помірна твердість води необхідна для нормального вмісту Кальцію в організмі та повноцінного розвитку його кісток, але при надмірному її вживанні з’являється ймовірність утворення

внирках каменів, які являють собою Кальцієві

й Магнієві солі щавлевої кислоти: MgС2O4 — магній оксалат та CaС2O4 — кальцій оксалат.

Утрубах з гарячою водою, у котлах і чайниках відкладається вапняний наліт, що перешкоджає нормальному теплообміну й у свою чергу призводить до надмірної витрати палива, а надалі й до течі труб, вибуху котлів та плавлення чайників.

Для того щоб позбутися вапняного нальоту

вчайнику, слід залити його на ніч столовим оцтом (9% водним розчином оцтової кислоти).

застосування карбонатів і гідрокарбонатів

якісна реакція на карбонат іон

Для виявлення карбонат-іона використовують, в основному, дві реакції. Перша полягає в тому, що на досліджуваний розчин діють розведеними мінеральними кислотами, наприклад, сульфатною або хлоридною. При цьому, у разі присутності карбонатів, виділяються пухирці вуглекислого газу, що утворюється за такою реакцією:

Na2CO3 +2HCl →2NaCl +CO2 ↑ + H2O,

CO23− +2H+ →CO2 ↑ + H2O.

У якісному аналізі також використовують той факт, що карбонати лужноземельних металів нерозчинні у воді. Тоді до досліджуваного розчину додають сіль Кальцію або Барію, унаслідок чого в розчині утворюється біла каламуть:

CaCl2 +K2CO3 →CaCO3 ↓ +2KCl,

Ca2+ +CO23− → CaCO3 ↓.

силікати

З усіх силікатів у воді розчиняються тільки силікати лужних металів. Амоній силікат не отриманий. Зазвичай силікати добувають сплавлянням оксидів, гідроксидів або карбонатів металів із кремнеземом (силіцій(IV) оксидом):

Na2O +SiO2 t→Na2SiO3 ,

2NaOH +SiO2 t→Na2SiO3 +H2O,

K2CO3 +SiO2 t→K2SiO3 +CO2 ↑.

Силікати широко застосовують у виробництві будівельних матеріалів, що добре ілюструє таблиця: