Курс по неорганической химии

33 Аллотропные модификацииуглерода

Углерод образует 5 аллотропных модификаций:

кубический алмаз, гексагональный алмаз, графит и две формы карбина.

Алмаз — самый твердый из всех природных веществ, его используют для резки стекла и для бурения горныхпород. Это бесцветное, прозрачное, кристаллическое вещество, которое обладает высокой светопреломляемостью.

Алмазы формируют отдельные кристаллы, которые образуют кубическую гранецентрированную решетку. Атомы образует трехмерную тетраэдрическую сетку, где они связаны ковалентными связями. В алмазе каждый 4-х валентный атом углерода связан с другим атомом углерода ковалентной связью и количество таких связанных в каркас атомов чрезвычайно велико.

Алмаз имеет максимальное число атомов, которые расположеныплотнодругкдругу, именнопоэтомуон прочный и твердый. Он настолько тверд, что оставляет царапины на большинстве материалов. Прочностьсвязейвуглеродныхтетраэдрахобуславливает высокую химическую устойчивость алмаза. На него могут подействоватьлишь F2 и O2 при 800 °C.

Гексагональныйалмазнайден в метеоритах(мине-

рал лонсдейлит) и получен искусственно при очень высоком давлении и длительном нагревании.

При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

Графит — кристаллы темно-серого цвета, со слабым металлическим блеском, маслянистые на ощупь. Атомы углерода в графите расположены отдельными слоями, образованнымиизплоскихшестиугольников.

Каждый атом углерода на плоскости окружен тремя соседними, расположенными вокруг него в виде правильного треугольника.

Графит обладает относительно высокой электро- и теплопроводностью, стоек к нагреванию. Из графита изготавливают карандаши. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов.

Карбин — мелкокристаллический порошок черного цвета (плотность 1,9–2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами, получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен и полиин. Это твердые, черные вещества со стеклянным блеском. При нагревании без доступа воздуха переходят в графит.

Уголь (аморфный углерод) — неупорядоченная структура графита — получается при нагревании углеродосодержащих соединений. В природе имеется большие залежи угля. Уголь имеет несколько сортов: кокс; костяной уголь; сажа.

34 Оксидыуглерода. Угольная кислота

Углерод с кислородом образует оксиды: СО, СО2,

С3О2, С5О2, С6О9 и др.

Оксид углерода (II) СО.

Физические свойства: угарный газ, ядовит, без цвета, без запаха, в воде почти не растворим, растворим в органических растворителях, t кипения

–192 °C, t плавления–205 °C.

Химические свойства: несолеобразующий оксид, малоактивен, нопринагреваниипроявляетвосстановительные свойства: с кислородом; восстанавливает металлы из руд; с хлором (на свету): CO + Cl2 = COCl2 (фосген); с водородом; с серой: СО + S = СОS (сульфоксид углерода); реагирует с расплавами щелочей: CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия); с переходными металлами, образуя карбонилы: Ni + 4CO = = Ni(CO)4, Fe + 5CO = Fe(CO)5.

СОлегко соединяется с гемоглобином— Hb крови,

образуя карбоксигемоглобин, препятствуя переносу О2 от легких к тканям: Hb + CO = HbCO. При вдохе воздуха карбогемоглобин распадается на исходные продукты: HbCO Hb + CO.

Получение:

1) в лаборатории: термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии

H2SO4(конц.):

HCOOH = H2O + CO;

H2C2O4 = CO + CO2 + H2O.

2) в промышленности (в газогенераторах):

C + O2 = CO2;

CO2 + C = 2CO.

Оксид углерода (IV) СO2.

Физические свойства: углекислый газ, без цвета, без запаха, малорастворим в воде, тяжелее воздуха,

t плавления –78,5 °C, твердый CO2 — сухой лед, не поддерживает горение.

Получение:

1) в промышленности (обжиг известняка): CaCO3 CaO + CO2;

2) действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO3(мрамор) + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2;

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2.

Химические свойства: кислотный оксид, реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты:

Na2O + CO2 = Na2CO3;

2NaOH +CO2 = Na2CO3 + H2O;

NaOH +CO2 = NaHCO3.

При повышенной температуре проявляет окислительные свойства.

Качественная реакция— помутнение известковой воды:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 (белый осадок) + H2O.

Угольная кислота (H2CO3) — слабая, существует в водном растворе:

CO2 + H2O = H2CO3.

Соли: средние (карбонаты), кислые (бикарбонаты, гидрокарбонаты).

Карбонаты и гидрокарбонаты превращаются друг в друга:

2NaHCO3 Na2CO3 + H2O + CO2;

Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3.

Качественная реакция — «вскипание» при дей-

ствии сильной кислоты:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2;

CO32–+ 2H+= H2O + CO2.

Кремний (Si) стоит в 3 периоде, IV группе главной подгруппы периодической системы. Аморфный кремний — порошок бурого цвета, растворяется в расплавах металлов. Кристаллический— кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском. Кремний состоит из трех изотопов: Si (28), Si (29), Si (30).

Химические свойства. Электронная конфигурация: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Неметалл. На внешнем энергетическом уровне — 4 электрона, что обуславливает его степени окисления: +4, –4, –2. Валентность: 2, 4. Аморфный кремний обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический. При обычных условиях он взаимодействует со фто-

ром: Si + 2F2 = SiF4. При 1000 °C Si реагирует с не-

металлами: с Cl2, N2, C, S. Из кислоткремний взаимодействует только со смесью азотной и плавиковой кислот. В расплавленных металлах Zn, Al, Sn, Pb он растворяется, но не реагирует с ними; с другими расплавами металлов (Mg, Cu, Fe) взаимодействует с образованием силицидов: Si + 2Mg = Mg2Si. Кремний горит в кислороде: Si + O2 = SiO2 (песок).

Получение: в промышленности получают восстановлением диоксида кремния коксом в электропечах: SiO2 + 2С = Si + 2СO. В лаборатории получают прокаливанием с магнием или алюминием белого песка: SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

Кремнийобразуеткислоты: Н2SiO3 (мета-кремние-

вая); Н2Si2O5 (двуметакремниевая).

Нахождение в природе: минерал кварц – SiO2.

Кристаллы кварца называются горным хрусталем. Аметист— горный хрусталь, окрашенный примесями

в лиловый цвет; дымчатый топаз окрашен в буроватый цвет; агат и яшма— кристаллические разновидности кварца.

Кремниевые кислоты— очень слабые, малорастворимыевводекислоты. Общаяформула: nSiO23mH2O. Вприроде— ввидесолей, всвободнойформе— HSiO (ортокремниевая) и H2SiO3 (кремниевая).

Получение кремниевой кислоты: взаимодействие силикатовщелочныхметалловскислотами: Na2SiO3 + + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl; кремневая кислота термически неустойчива: H2SiO3 = H2O + SiO2.

Силикаты — соли кремниевой кислоты. Земная кора состоит из кремнезема и силикатов (глина, тальк

идр.). Растворимы только силикаты натрия и калия, остальные нерастворимы. Силикаты имеют сложный

химический состав, например, асбест. Получение:

сплавление оксида кремния со щелочами или карбо-

натами: SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O.

Растворимое стекло — силикаты натрия и калия. Жидкое стекло— водные растворы силикатов калия

инатрия (для изготовления кислотоупорного цемента и бетона, огнезащитных красок). Алюмосиликаты — силикаты, содержащие алюминий (полевой шпат, слюда). Полевые шпаты состоят помимо оксидов кремния и алюминия из оксидов калия, натрия, кальция (ортоклаз). Слюды имеют в своем составе, кроме кремния и алюминия, еще водород, натрий или калий, реже— кальций, магний, железо.

Применение: силикатные породы (гранит) используюткак строительный материал, силикаты— в качестве сырья при производстве цемента, стекла, керамики, наполнителей; слюдуи асбест— как электро- и термоизоляцию.

36 Коллоидные растворы

Коллоидные растворы— высокодисперсные двухфазные системы, которые состоят из дисперсионной среды и дисперсной фазы; промежуточные между истинными растворами, суспензиями и эмульсиями (по размерам частиц). У коллоидных частиц молекулярный или ионный состав.

Три типа внутренней структуры первичных частиц:

1) суспензоиды (необратимые коллоиды) — гете-

рогенные системы, их свойства определяют развитой межфазовой поверхностью. Они более высокодисперсные по сравнению с суспензиями. Не могут долго существовать без стабилизатора дисперсности. Они— необратимые коллоиды (ихосадки после выпаривания вновь не образуют золей). Их концентрация мала— 0,1 %. От вязкости дисперсной среды отличаются незначительно.

Суспензоиды получают: методами диспергирова-

ния (измельчение крупных тел); методами конденсации (получение нерастворимых соединений при помощи реакций обмена, гидролиза и др.). Два метода конденсации: метод замены растворителя (физическая конденсация) и метод химической конденса-

ции. Метод замены растворителя основан на замене одного растворителя другим. Если истинный раствор поваренной соли в этиловом спирте по каплям добавлятьвэфир, тообразуетсязольповареннойсолив эфире. ПриэтомионыNa+ иCl– образуютколлоидные частицы из-за плохой растворимости хлорида натрия в эфире. Метод химической конденсации сводится к образованию молекул нерастворимых веществ с последующей их конденсацией до размеров коллоид-

37 Цементи керамика

Цемент— важный материал в строительстве. Получение: обжигсмеси глины с известняком. При обжиге смеси CaCO3 (кальцированная сода) разлагается на CaO и углекислый газ CO2. CaO взаимодействует с глиной, получаются силикаты и алюминаты кальция.

Химический состав цемента выражают в виде со-

держащихсявнемоксидов, главнымизнихявляется

CaO: Al2O3, SiO2, Fe2O3.

Прокаливание производится в специальных цилиндрическихвращающихсяпечахпритемпературе 1400–1600 °C. Получившаяся спекшаяся масса — клинкер. Его с добавками размалывают в порошок в шаровых мельницах, получают окончательный продукт— цемент, это порошкообразное вещество при смешивании с водой на воздухе затвердевает в каменнообразную массу(применяетсядля скрепления кирпича, камня в качестве связующего материала). Цементный раствор— это смесь цемента с песком и водой. Смесь такого раствора с гравием или щебнем — бетон. Железобетон — залитый бетоном железный каркас. Из него строят своды, мосты, арки, бассейны, кладут перекрытия зданий, электростанций. Мергели — встречающиеся в природе извест- няково-глинистые породы, по составу соответствующие цементной массе.

Виды цемента:

1)быстротвердеющий;

2)морозостойкий;

3)коррозийностойкий;

4)кислотоупорный.

Керамика(греч. keramike — гончарноеискусство, от keramos — глина) — изделия или материалы, которые

изготовлены из огнеупорных веществ (глины, карбидов, оксидов некоторых металлов). Освоение производства керамики— одно из важнейшихдостижений первобытного человека в борьбе за существование: варка пищи в глиняных сосудах позволила намного расширить ассортимент съедобных продуктов.

Виды керамики:

1)строительная (облицовочные плиты, кирпич, черепица, трубы канализации);

2)огнеупорная (огнеупорный кирпич, материалы для внутренней облицовки доменных, сталелитейных, стеклоплавильных печей);

3)химически стойкая (используется в химической промышленности);

4)бытовая (фаянсовые и фарфоровые изделия);

5)техническая.

Процесс изготовления керамических изделий:

1)изготовление керамической смеси;

2)формование;

3)сушка;

4)обжиг.

Всеоперациивзависимостиотприродыисходных материалов и дальнейшего использования продукции проводятся по строго определенным режимам.

При изготовлении кирпича сырье измельчается,

перемешивается, увлажняется. Получившаяся масса формуется, сушится, а затем притемпературе 900 °C подвергаетсяобжигу. Приобжигепроисходитспекание массы, обусловленное химическим процессом.

Основная реакция при обжиге глины:

3 [Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O] = 3Al2O3 · 2SiO2 + 4SiO2 + + 6H2O.