2.3.4. Химические свойства углерода и кремния.Химические свойства углерода Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин. Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений. С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду. Восстановительные свойства углерода Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера. В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO2: При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода: При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS2: Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например: Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида: Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO2: Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля. Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция: При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда): Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами: Окислительные свойства углерода Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам. Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора: а также с кремнием при температуре 1200-1300 оС: Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании: Карбиды активных металлов гидролизуются водой: а также растворами кислот-неокислителей: При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде. Химические свойства кремния Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический. Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния. Взаимодействие кремния с простыми веществами неметаллами При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором: С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура: Так с хлором реакция протекает при 340-420 оС: С бромом – 620-700 оС: С йодом – 750-810 оС: Все галогениды кремния легко гидролизуются водой: а также растворами щелочей: Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300оС) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие: При температуре 1200-1500 оС кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности: С водородом кремний не реагирует. металлами Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды: Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей: При этом образуется газ силан SiH4 – аналог метана CH4. Взаимодействие кремния со сложными веществами С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500оС. При этом образуется водород и диоксид кремния: Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой: Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода:
