Repetitor_po_Khimii

пературе происходит восстановление кремния из его оксида коксом (углем):

t°

SiO2 + 2С = Si + 2CO

В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий:

t°

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

t°

3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3

Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом или цинком:

t°

SiCl4 + 2Н2 = Si + 4HCl

t°

SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2

Физические свойства

Полученный указанными выше способами аморфный кремний представляет собой бурый порошок с температурой

плавления 1420 °С. Существует и другая аллотропная модификация кремния — кристаллический кремний. Это твердое

вещество темно-серого цвета со слабым металлическим блеском, обладает тепло- и электропроводностью. Кристаллический кремний получают перекристаллизацией аморфного кремния. Аморфный кремний является более реакционноспособным, чем химически довольно инертный кристаллический кремний. Кристаллический кремний — полупроводник, его электропроводность возрастает при освещении и нагревании. Это обусловлено строением кристаллов. Структура кристаллического кремния аналогична структуре алмаза. В его кристалле каждый атом окружен тетраэдрически четырьмя другими и связан с ними ковалентной связью, хотя эта связь значительно слабее, чем между атомами углерода в алмазе. В кристалле кремния даже при обычных условиях ковалентные связи частично разрушаются, поэтому в нем имеются свободные электроны, которые обусловливают небольшую

460

электропроводность. При освещении, нагревании, а также при наличии некоторых примесей увеличивается число разрушаемых связей, а значит, увеличивается число свободных электронов и возрастает электропроводность.

Кремний как полупроводник широко используется в технике.

Химические свойства и применение

По химическим свойствам кремний во многом схож с углеродом, что объясняется одинаковой структурой внешнего электронного слоя. При обычных условиях кремний довольно инертен, что обусловлено прочностью его кристаллической решетки. Непосредственно при комнатной температуре он взаимодействует только с фтором. При температуре 400—600 °С кремний реагирует с хлором и бромом, а в кислороде измельченный кремний сгорает. С азотом и углеродом кремний реагирует при очень высоких темпе-

ратурах. Во всех указанных реакциях кремний играет роль

восстановителя.

В технике карборунд получают в электрических печах из смеси песка и кокса:

t°

SiO2 + 3С = SiC + 2CO

Карборунд имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, в которой каждый атом кремния окружен четырьмя атомами углерода, и наоборот. Ковалентные связи между ато-

461

мами очень прочны. Поэтому по твердости карборунд близок к алмазу. В технике карборунд применяют для изготовления точильных камней и шлифовальных кругов.

Кремний как восстановитель взаимодействует и с некоторыми сложными веществами, например с фтороводородом:

Si + 4HF = SiF4 + 2Н2

С другими галогеноводородами он в реакцию не вступает. Кремний не растворяется даже в азотной кислоте, так как на его поверхности образуется плотная оксидная пленка (SiO2), которая препятствует реакции. Однако со смесью HNO3 и HF кремний реагирует потому, что фтороводород-

ная кислота растворяет SiO2:

3Si + 12НF + 4HNO3 = 3SiF4 + 4NO + 8Н2О

Водные растворы щелочей растворяют кремний с образованием растворимых солей кремниевой кислоты — силикатов, при этом происходит выделение водорода:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2

Восстановительные свойства кремния используют для получения некоторых металлов из их оксидов. Например:

t°

2MgO + Si = 2Mg + SiO2

При взаимодействии с металлами кремний играет роль окислителя. Соединения кремния с металлами называются

силицидами:

t°

Si + 2Mg = Mg2Si

При обработке силицида магния соляной кислотой или водой образуется простейшее водородное соединение кремния — силан SiH4*:

Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4

Mg2Si + 4Н2О = 2Mg(OH)2 + SiH4

*Обратите внимание, что прямым взаимодействием кремния с водородом силан получить невозможно.

462

Силан — ядовитый газ с неприятным запахом, легко самовоспламеняется на воздухе:

SiH4 + 2О2 = SiO2 + 2Н2О

Кремний широко применяется в технике для получения различных полупроводниковых материалов и сплавов. Сплав кремния с железом — ферросилиций (сталь, содержащая 15 % кремния) обладает большой кислотоустойчивостью. Из такой стали изготавливают химическую аппаратуру.

Оксид кремния (IV). Кремниевая кислота и ее соли. Стекло. Цемент

Оксид кремния (IV) SiO2 (кремнезем, ангидрид кремниевой кислоты) — твердое тугоплавкое вещество (температура плавления 1713 °С), нерастворимое в воде, из всех кислот только фтороводородная кислота постепенно разлагает его:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2О

Этим свойством пользуются при травлении стекла (нане-

сении рисунка на поверхность стекла).

Как кислотный оксид SiO2 при нагревании или сплавлении реагирует с основными оксидами, щелочами и некото-

рыми солями (например, карбонатами) с образованием солей кремниевой кислоты — силикатов. Например:

t°

SiO2 + Na2O = Na2SiO3

t°

SiO2 + CaO = CaSiO3

t°

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + Н2О

t°

SiO2 + Ca(OH)2 = CaSiO3 + Н2О

t°

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2

t°

SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 + CO2

Полученные искусственным путем силикаты натрия и калия — растворимое стекло — сильно гидролизованы. Их

463

концентрированный раствор, называемый жидким стеклом, имеет сильнощелочную реакцию. Жидкое стекло применяется для изготовления несгораемых тканей, пропитки деревян-

ных изделий, в качестве клея и т. д.

Кремниевая кислота Н2SiO3 относится к очень слабым кислотам. В воде она практически нерастворима, но легко образует коллоидные растворы. Ее можно получить из растворов силикатов действием на них более сильных кислот: соляной, серной, уксусной и даже угольной. H2SiO3 выпадает из раствора в виде студенистого осадка (геля):

K2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2KCl

Na2SiO3 + Н2О + СО2 = H2SiO3 + Na2CO3 Последняя реакция является качественной реакцией на

растворимые силикаты.

Постепенно при обычных условиях или быстрее при нагревании кремниевая кислота разлагается на воду и ангидрид кремниевой кислоты SiO2.

H2SiO3 = H2O + SiO2

Стекло. Сырьем для производства стекла являются сода Na2CO3, известняк СаСО3 и песок SiO2. Из этих компонентов получают обычное оконное стекло:

1400° С

Na2CO3 + СаСО3 + 6SiO2 ===== Na2O · CaO · 6SiO2 + 2CO2

Встекла особого назначения — огнеупорные, обладающие большой механической прочностью — при варке добавляют оксиды бария, свинца, бора. Окрашенные стекла получают добавлением оксидов кобальта (синее стекло), оксида хрома (зеленое стекло), добавлением оксида свинца получают хру-

стальное стекло.

Цемент представляет собой смесь силикатов, главными компонентами которых являются: оксид кальция, оксид кремния (IV), оксиды алюминия и железа (III).

Впромышленности цемент получают спеканием глины

иизвестняка СаСО3. Если образующийся при этом порошок смешать с водой, то получается масса, постепенно твердею-

щая на воздухе. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон, который широко используют в строительстве. Прочность бетона возрастает, если

464

в него вводится каркас из железных стержней. Железобетонные панели, блоки перекрытий — основа современного строительства.

Вопросы для контроля

1.Укажите положения кремния в периодической системе Д. И. Менделеева.

2.Какие степени окисления характерны для кремния?

3.В виде каких соединений кремний встречается в природе?

4.Как можно получить кремний в свободном состоянии?

5.Какие аллотропные модификации известны для кремния?

6.Какие вы знаете соединения кремния с галогенами, водородом, кислородом, азотом, металлами? Как они могут быть получены?

7.С какими сложными веществами взаимодействует кремний?

8.Чем отличается оксид кремния (IV) от других кислотных оксидов?

9.Что такое растворимое стекло, жидкое стекло?

10.К каким по силе кислотам относится кремниевая кислота? Как ее получают?

11.Из чего получают обычное оконное стекло? Каков его химический состав?

12.Что представляет собой цемент по химическому составу?

Задачи и упражнения для самостоятельной работы

1.Сверхчистый кремний для транзисторов получают путем превращения химически чистого кремния в бромид кремния (IV), который затем восстанавливают водородом. Напишите уравнения соответствующих реакций.

2.Почему не растворяющийся в концентрированной азотной кислоте

кремний растворяется в смеси HNO3 и HF? Какую роль играет HF в такой смеси?

3.Каким образом из оксида кремния (IV) получить растворимое в воде соединение кремния? Напишите уравнение реакции.

4.Составьте уравнения реакций между: а) кремнеземом и содой; б) кремнеземом и гидроксидом бария; в) силикатом калия и фтороводородной кислотой.

465

Часть III

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 9

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.

УГЛЕВОДОРОДЫ

В данном разделе обсуждается определение органической химии, формулируются основные понятия, которые необходимы при рассмотрении строения и свойств всех органических соединений. К числу таких понятий относятся «изомерия», «гомологический ряд», «функциональная группа», «углеводородный радикал» и др.

Здесь же приводятся основные положения теории строения органических соединений А М. Бутлерова; рассматриваются современные квантово-механические представления об электронном строении атома углерода в органических соединениях, базирующиеся на гипотезе о гибридизации атомных орбиталей, которая была предложена в 50-х гг. выдающимся американским химиком, лауреатом Нобелевской премии Лайнусом Полингом.

При изучении этого раздела вы познакомитесь с типами изомерии, с общей классификацией органических веществ по функциональным группам и по строению углеводородного радикала, с важнейшими типами реакций в органической химии, с краткой характеристикой механизмов органических реакций.

467

В этом же разделе рассматриваются номенклатура, физические и химические свойства, а также способы получения простейших представителей органических веществ — углеводородов, к числу которых относятся:

В заключение раздела вы познакомитесь с природными источниками углеводородов — нефтью и природным газом —

испособами их переработки.

§9.1. Основные положения органической

химии

• Органическая химия — это химия соединений углерода.

Однако некоторые соединения углерода (оксиды СО и СО2, угольная кислота Н2СО3, ее соли — карбонаты и гидрокарбонаты, а также рад других веществ) изучаются в неорганической химии, поэтому существует более точное определение органической химии:

• Органическая химия — это химия углеводородов и их производных.

Углеводороды (УВ) — это простейшие органические вещества, молекулы которых состоят из атомов только двух эле-

ментов: С и Н. Например: СН4, С2Н6, С6Н6 и т. д. Производные УВ — это продукты замещения атомов «Н»

в молекулах УВ на другие атомы или группы атомов. Например:

468

Название «органическая химия» появилось в начале XIX в., когда было установлено, что углеродсодержащие вещества являются основой растительных и животных организмов.

До 20-х годов XIX в. многие ученые считали, что органические вещества нельзя получить (синтезировать) в лаборатории из неорганических веществ, что они образуются

только в живой природе при участии особой «жизненной силы». Учение о «жизненной силе» называется витализмом

(лат. vita — жизнь).

Это учение существовало недолго, потому что уже в начале и середине XIX в. были синтезированы многие орга-

нические вещества:

1828 г. — Велер синтезирует мочевину CO(NH2)2, которая является одним из продуктов, образующихся в организме;

1850-е гг. — Бертло синтезирует жиры — вещества, иг-

рающие важную роль в организме; 1861 г. — Бутлеров синтезировал один из углеводов.

Сейчас известно более 20 млн органических веществ; многие из них не существуют в природе, а получены в лаборатории. Промышленный синтез раличных органических веществ является одним из основных направлений химической промышленности.

Кроме С и Н, в состав многих органических веществ входят следующие элементы: О, N, S, P, Сl, Br и др.

469