Вопрос № 1
Карбиды кремния, соединения кремния с кислородом, диоксид кремния. Виды, получение, физические свойства, использование в технике.
Карбид кремния (SiC-карборунд, углеродистый кремний). Существует две полиморфные модификации β и α. Карборунд не является породообразующим минералом, встречается в природе в виде мелких кристаллов, иногда в ассоциации с кристаллами алмаза, кристаллы К. обнаружены в метиоритных кратерах, алмазных трубках и вулканических извержениях. В промышленных условиях К. получают в электропечах при Т=2000 нагревом смеси кварца с коксом или термоантрацитом или прямым синтезом из кремния углерода. Физ. Свойства – химический К. бесцветен, а технический окрашен в зеленоватый или сине-черный цвет. К. химически стоек, он не реагирует с кислотами за исключением смеси конц-х HF, HNO3.
Плотность – 3166-3214 кг/м3, твердость – 9-9,8.
Карборундовые материалы отличаются высокой теплопроводностью, термостойкостью, стойкостью к каррозионному воздействию кислых шлаков. Примение К. в технике в качестве абразивного материала, а также для изготовления высокотемпературных нагревателей. Корборундовые материалы широко используют в черной металлургии для устройств высокотемпературных рекуператоров, штампов и матриц для порошковой матрицы.
Соединения кремния с кислородом. Силоксановая связь. Кислородные соединения кремния содержащие силоксаноую связь (кремний-кислород) занимают главное место в химии этого элемента.
Низшие кислородные соединение кремния, к ним относятся оксиды и гидрооксиды кремния. Их получают искусственно и используют в качестве пигментов и восстановителей. Практического значения в технологии силикатов эти соединения не имеют. Монооксид кремния получают в виде паров восстановление кремнезема углеродом при нагревании выше тысячи без доступа воздуха или испарением в вакууме при Т=1300. используется в качестве полирующего материла, пигметна при изготовлении красок, является тепло – и электроизолятором.
Сесквоиксид кремния получается нагревание гидрида кремния при температуре 900С.
Силикон или гидроксид кремния получают действием концентрированных серных и соляных кислот на силицид кальция.
Лейконы – гидраты низших кислородных соединений кремния, образуются при действии разбавленной солянки на силицид кальция.
Диоксид кремния является наиболее устойчивым и распространенным соединением кремния. В результате плавления диоксида кремния и последующего переохлаждения полученного расплава образуется особая форма существования кремнезема – плавленнный кремнезем. Д.К. – бесцветное тугоплавкое твердое вещество, подучается различными хим.реакциями: 1)при сжигании элементарного кремния в кислороде, 2) при прокаливании геля кремниевой кислоты, 3) при разложении водой или водяным паром галогенидов кремния, 4) при взаимодействии силена с водой.
Кремнезем находит широкое применение в технике – от точного приборостроения до строительной индустрии, наибольшую роль играет в технологии силикатов.
5)Природные силикаты образовались в основном из расплавленной магмы. Предполагается, что при затвердевании магмы из нее сначала выкристаллизовывались силикаты, более бедные кремнеземом -ортосиликаты, затем после израсходования катионов выделялись силикаты с высоким содержанием кремнезема - полевые шпаты, слюды и, наконец, чистый кремнезем.
Силикаты - сложные кремнекислородные соединения в виде минералов и горных пород, занимают определяющее место в составе земной коры (80% по В.И. Вернадскому). А если добавить природный оксид кремния - кварц, то кремнекислородные соединения образуют более 90% массы земной коры и практически полностью слагают объем Земли. Силикатные минералы являются породообразующими: такие горные породы, как гранит, базальт, кварцит, песчаник, полевой шпат, глина, слюда и другие, сложены силикатными и алюмосиликатными минералами. Абсолютное большинство силикатных минералов является твердыми кристаллическими телами, и только незначительное количество минералов находится в аморфном состоянии (халцедон, опал, агат и др.)или в коллоидно-дисперсном состоянии: глины, цеолиты, палыгорскит и др.
Каждый минерал, как известно, обладает совокупностью физических и химических свойств, которые всецело определяются его кристаллической структурой и химическим составом.
Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу их составляют комбинации атомов самых распространенных элементов - Si (кремния) и O (кислорода).
Координатное число кремния 4. Таким образом, каждый атом кремния находится в окружении четырех атомов кислорода. Если соединить центры атомов кислорода, то образуется пространственная кристаллическая структура - тетраэдр, в центре которого находится атом кремния, соединенный с четырьмя атомами кислорода в вершинах. Такая группировка называется кремнекислородным радикалом [SiO ] . Химическая связь Si - O - Si называется силоксановой, природа связи - ковалентная, энергия связи Si - O очень высока и равняется 445 кДж/моль.
Поскольку устойчивое координатное число кремния равно 4, силикатные структуры полимерны. Они представлены различными типами структур - островной, кольцевой, цепочечной или слоистой, каркасной.
Состав и строение главных породообразующих минералов определяют их свойства, а следовательно, и поведение в массивах горных пород при различных механических, физических и физико-химических воздействиях в естественных условиях залегания и при проведении горных работ. Таким образом, химия силикатов является одним из главных моментов при проектировании и технологии проведения горных работ. Кроме того, многочисленные силикатные минералы и породы широко используются как сырьевые материалы в различных технологических производствах, например, в высокотемпературных процессах (обжиг, спекание, плавление) при производстве:
1) цемента (глины, карбонаты, мергели);2) глазурий, стекол (полевые шпаты, пегматиты, нефелины, и другие щелочные, в том числе литиевые алюмосиликаты, циркон);3) легких заполнителей и (вспучивающиеся при термоизоляционных порошков обжиге вермикулиты, перлиты и т.д.);4) огнеупоров, керамических изделий (глины, каолины, силлиманиты, циркон);5) форстеритовых огнеупоров (дуниты, оливиновые минералы, тальк, асбестовые отходы);6) фарфора (глины, каолины и др.);7) изоляторов (тальк);
8) каменных материалов (глины).
РЕНТГЕНОГРАФИЯ-совокупность методов исследования строения кристаллич. и аморфных веществ, основанных на изучении дифракции рентгеновских лучей. В рентгенография используют в осн. характеристич. рентгеновское излучение (см. Рентгеновская спектроскопия); дифракц. картины регистрируют либо фотометодом, т.е. на рентгеновской пленке (рентгенограммы), или дифрактометрич. методом-с Помощью счетчиков ионизирующего излучения.
Рентгенографич. методы позволяют прецизионно измерять параметры кристаллич. решетки (см. Рентгеновский структурный анализ), исследовать процессы образования и распада твердых растворов, устанавливать их тип и концентрацию. определять величины макронапряжений в изделиях, коэф. теплового расширения и их анизотропию. изучать процессы диффузии. исследовать фазовые диаграммы, определять в них границы растворимости фаз.В поликристаллич. образцах методами рентгенография устанавливают размеры кристаллич. блоков.
ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ -метод изучения структуры вещества, основанный на исследовании рассеяния образцом ускоренных электронов. Применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров. Физ. основа Э.- дифракция электронов; при прохождении через вещество электроны, обладающие волновыми свойствами, взаимодействуют с атомами, в результате чего образуются дифрагированные пучки, интенсивность и расположение к-рых связаны с атомной структурой образца и др. структурными параметрами. Рассеяние электронов определяется эл-статич. потенциалом атомов, максимумы кот-го отвечают положениям атомных ядер.
В электронографах и электронных микроскопах формируется узкий светосильный пучок ускоренных электронов. Он направляется на объект и рассеивается им, дифракц. картина (э л е к т р о н о г р а м м а) либо фотографируется, либо регистрируется электронным устройством. Осн. вариантами метода являются дифракция быстрых электронов (ускоряющее напряжение от 30-50 кВ и более) и дифракция медленных электронов (от неск. В до немногих сотен В).
Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры, или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900-14000 нанометров или 0,9-14 µм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет нам видеть различия в температуре. Когда смотрим через тепловизор, то тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Как результат, продвижение использования термографии может быть приписано военным и службам безопасности.
Создание термограмм на основе тепловых изображений нашло много применений. Например, пожарные используют их для обнаружения дыма, поиска людей и установления очагов возгорания. С тепловыми изображениями техники, обслуживающие линии электропередачи, обнаруживают перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии, требующие устранения потенциальной опасности. Когда нарушена теплоизоляция, строители могут видеть утечку тепла и предотвратить осложнения при охлаждении или обогреве системами кондиционирования воздуха. Тепловизоры, делающие снимки, также устанавливаются в некоторых автомобилях класса «люкс» для помощи водителю, например, в некоторых моделях «Кадиллак» с 2000 года. Некоторая физиологическая деятельность организма, требующая более пристального внимания у людей и теплокровных животных, также может быть наблюдаема при помощи тепловых изображений.
Внешний вид и работа современных тепловизоров часто похожи на работу видеокамеры. Возможность человеком видеть в инфракрасном диапазоне — настолько полезная функция, что способность делать запись таких изображений часто является второстепенной функцией. Поэтому модуль для записи не всегда встроен.
Вместо ПЗС датчиков большинство тепловизоров используют блок фокусных плоскостей КМОП. Наиболее часто используются типы блоков фокусных плоскостей из антимонида индия (InSb), арсенида галлия и индия, теллурид ртути и кадмия. Новейшие технологии позволяют использовать недорогие неохлаждаемые микроболометрические датчики. Их разрешение более низкое, чем у оптических камер, — в основном 160×120 или 320×240 пикселей до 640×512 у наиболее дорогостоящих моделей. Тепловизоры более дорогостоящие, чем их аналоги для видимой части спектра и на модели высокого класса часто накладываются экспортные ограничения. Старые болометры и более чувствительные модели, такие, как с использованием антимонида индия, требуют криогенное охлаждение, обычно охладитель с циклом Стирлинга в миниатюре или охлаждение жидким азотом. Преимущества термографии:Может показывать визуальное изображение, что помогает в сравнении температур на большой площади;Даёт возможность захвата движущихся целей в реальном времени;Позволяет находить аварийные элементы до их выхода из строя;Измерение в областях, где другие методы невозможны или опасны;Неразрушающий контроль;Облегчает поиск дефектов в колоннах или других металлических частях;
Ограничение и недостатки термографии:Качественные камеры дороги и их легко повредить;Большинство камер имеют погрешность ±2 % или меньшую точность;Обучение и содержание в штате специалиста по инфракрасному сканированию требует затрат времени и средств;Возможность измерения только температуры поверхностей.