Chemisches Präparat für ZNO und DPA
Umfassende Ausgabe

TEIL UND

ALLGEMEINE CHEMIE

CHEMIE DER ELEMENTE

KOHLENSTOFF. SILIZIAN

Anwendungen von Kohlenstoff und Silizium

Anwendung von Kohlenstoff

Kohlenstoff ist eines der begehrtesten Mineralien auf unserem Planeten. Kohlenstoff wird überwiegend als Brennstoff für die Energiewirtschaft verwendet. Die jährliche Steinkohleförderung der Welt beträgt etwa 550 Millionen Tonnen. Neben der Nutzung von Kohle als Wärmeträger wird ein erheblicher Teil davon zu Koks verarbeitet, der für die Gewinnung verschiedener Metalle notwendig ist. Für jede im Hochofenprozess produzierte Tonne Eisen werden 0,9 Tonnen Koks verbraucht. Aktivkohle wird in der Medizin zur Vergiftung und in Gasmasken verwendet.

Graphit wird in großen Mengen zur Herstellung von Bleistiften verwendet. Der Zusatz von Graphit zu Stahl erhöht dessen Härte und Abriebfestigkeit. Dieser Stahl wird beispielsweise zur Herstellung von Kolben, Kurbelwellen und einigen anderen Mechanismen verwendet. Die Exfoliationsfähigkeit der Graphitstruktur ermöglicht den Einsatz als hochwirksames Schmiermittel bei sehr hohen Temperaturen (ca. +2500 °C).

Graphit hat eine weitere sehr wichtige Eigenschaft – es ist ein effektiver Moderator thermischer Neutronen. Diese Eigenschaft wird in Kernreaktoren genutzt. Neuerdings werden Kunststoffe verwendet, denen Graphit als Füllstoff zugesetzt wird. Die Eigenschaften solcher Materialien machen es möglich, sie für die Herstellung vieler wichtiger Geräte und Mechanismen zu verwenden.

Diamanten werden als gutes hartes Material für die Herstellung von Mechanismen wie Schleifscheiben, Glasschneidern, Bohrtürmen und anderen Geräten verwendet, die eine hohe Härte erfordern. Schön geschliffene Diamanten werden als teurer Schmuck verwendet, die als Diamanten bezeichnet werden.

Fullerene wurden vor relativ kurzer Zeit entdeckt (1985), daher haben sie noch keine angewandten Anwendungen gefunden, aber Wissenschaftler forschen bereits an der Schaffung von Informationsträgern mit großer Kapazität. Nanoröhren werden bereits in verschiedenen Nanotechnologien eingesetzt, wie zum Beispiel bei der Verabreichung von Medikamenten mit einem Nanomesser, der Herstellung von Nanocomputern und vielem mehr.

Anwendung von Silikon

Silizium ist ein guter Halbleiter. Daraus werden verschiedene Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren, Mikroschaltkreise und Mikroprozessoren hergestellt. Alle modernen Mikrocomputer verwenden siliziumbasierte Prozessoren. Silizium wird zur Herstellung von Solarzellen verwendet, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln können. Darüber hinaus wird Silizium als Legierungsbestandteil für die Herstellung hochwertiger legierter Stähle verwendet.

Silizium in freier Form wurde 1811 von J. Gay-Lussac und L. Tenard isoliert, indem Dämpfe von Siliziumfluorid über metallisches Kalium geleitet wurden, aber es wurde von ihnen nicht als Element beschrieben. Der schwedische Chemiker J. Berzelius beschrieb 1823 das von ihm durch Behandlung des Kaliumsalzes K 2 SiF 6 mit Kaliummetall bei hoher Temperatur gewonnene Silizium. Das neue Element erhielt den Namen "Silizium" (vom lateinischen Silex - Feuerstein). Der russische Name „Silicium“ wurde 1834 von dem russischen Chemiker German Ivanovich Hess eingeführt. Aus anderem Griechisch übersetzt. krhmnoz- "Klippe, Berg".

In der Natur sein, bekommen:

In der Natur kommt Silizium in Form von Dioxid und Silikaten unterschiedlicher Zusammensetzung vor. Natürliches Siliziumdioxid kommt hauptsächlich in Form von Quarz vor, obwohl andere Mineralien existieren - Cristobalit, Tridymit, Kitit, Cousite. Amorphes Siliziumdioxid kommt in Kieselalgenablagerungen am Grund der Meere und Ozeane vor - diese Ablagerungen wurden aus SiO 2 gebildet, das Bestandteil von Kieselalgen und einigen Ciliaten war.
Freies Silizium kann durch Calcinieren von feinem weißem Sand mit Magnesium, das chemisch fast reines Siliziumoxid ist, SiO 2 + 2 Mg = 2 MgO + Si, erhalten werden. Industrielles Silizium wird durch Reduktion der SiO 2 -Schmelze mit Koks bei einer Temperatur von etwa 1800°C in Lichtbogenöfen gewonnen. Die Reinheit des auf diese Weise gewonnenen Siliziums kann 99,9 % erreichen (die Hauptverunreinigungen sind Kohlenstoff, Metalle).

Physikalische Eigenschaften:

Amorphes Silizium hat die Form eines braunen Pulvers, dessen Dichte 2,0 g/cm 3 beträgt. Kristallines Silizium - eine dunkelgraue, glänzende kristalline Substanz, spröde und sehr hart, kristallisiert im Diamantgitter. Es ist ein typischer Halbleiter (leitet Elektrizität besser als ein Gummiisolator und schlechter als ein Leiter - Kupfer). Silizium ist spröde, erst bei Erwärmung über 800 °C wird es plastisch. Interessanterweise ist Silizium für Infrarotstrahlung ab einer Wellenlänge von 1,1 Mikrometern durchlässig.

Chemische Eigenschaften:

Chemisch ist Silizium inaktiv. Bei Raumtemperatur reagiert es nur mit gasförmigem Fluor zu flüchtigem Siliziumtetrafluorid SiF 4 . Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 400–500 °C reagiert Silizium mit Sauerstoff zu Dioxid und mit Chlor, Brom und Jod zu den entsprechenden leicht flüchtigen Tetrahalogeniden SiHal 4 . Bei einer Temperatur von etwa 1000°C reagiert Silizium mit Stickstoff zu Nitrid Si 3 N 4 , mit Bor zu den thermisch und chemisch stabilen Boriden SiB 3 , SiB 6 und SiB 12 . Silizium reagiert nicht direkt mit Wasserstoff.
Zum Ätzen von Silizium wird am häufigsten eine Mischung aus Fluss- und Salpetersäure verwendet.
Einstellung zu Laugen ...
Silizium ist durch Verbindungen mit einer Oxidationsstufe von +4 oder -4 gekennzeichnet.

Die wichtigsten Verbindungen:

Siliziumdioxid, SiO 2- (Kieselsäureanhydrid) ...
...
Kieselsäuren- schwach, unlöslich, gebildet durch Zugabe von Säure zu einer Silikatlösung in Form eines Gels (gallertartige Substanz). H 4 SiO 4 (Orthosilizium) und H 2 SiO 3 (Metasilicium oder Silizium) existieren nur in Lösung und verwandeln sich beim Erhitzen und Trocknen irreversibel in SiO 2 . Das resultierende feste poröse Produkt - Kieselgel, hat eine entwickelte Oberfläche und wird als Gasadsorptionsmittel, Trockenmittel, Katalysator und Katalysatorträger verwendet.
Silikate- Salze von Kieselsäuren sind größtenteils (außer Natrium- und Kaliumsilikate) in Wasser unlöslich. Eigenschaften....
Wasserstoffverbindungen- Analoga von Kohlenwasserstoffen, Silane, Verbindungen, in denen Siliziumatome durch eine Einfachbindung verbunden sind, Schweigen wenn die Siliziumatome doppelt gebunden sind. Diese Verbindungen bilden wie Kohlenwasserstoffe Ketten und Ringe. Alle Silane sind selbstentzündlich, bilden mit Luft explosive Gemische und reagieren leicht mit Wasser.

Anwendung:

Seine größte Verwendung findet Silizium bei der Herstellung von Legierungen zur Festigkeitssteigerung von Aluminium, Kupfer und Magnesium sowie zur Herstellung von Ferrosiliziden, die in der Stahlherstellung und Halbleitertechnik von großer Bedeutung sind. Siliziumkristalle werden in Solarzellen und Halbleiterbauelementen - Transistoren und Dioden - verwendet. Silizium dient auch als Rohstoff für die Herstellung von Organosiliciumverbindungen oder Siloxanen, die in Form von Ölen, Schmiermitteln, Kunststoffen und Synthesekautschuken gewonnen werden. Anorganische Siliziumverbindungen werden in der Keramik- und Glastechnik, als Isoliermaterial und Piezokristalle verwendet.

Für einige Organismen ist Silizium ein wichtiges biogenes Element. Es ist Teil der Stützstrukturen bei Pflanzen und Skelettstrukturen bei Tieren. In großen Mengen wird Silizium von Meeresorganismen - Kieselalgen, Radiolarien, Schwämmen - konzentriert. Große Mengen an Silizium sind in Schachtelhalmen und Getreide konzentriert, hauptsächlich in den Unterfamilien Bambus und Reis, einschließlich gewöhnlichem Reis. Menschliches Muskelgewebe enthält (1-2) 10 -2% Silizium, Knochengewebe - 17 10 -4%, Blut - 3,9 mg / l. Mit der Nahrung gelangt täglich bis zu 1 g Silizium in den menschlichen Körper.

Antonov S.M., Tomilin K.G.
KhF Tjumen State University, 571 Gruppen.

Elementcharakteristik

14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Isotope: 28 Si (92,27 %); 29Si (4,68 %); 30 Si (3,05 %)

Silizium ist nach Sauerstoff (27,6 Masse-%) das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Es kommt in der Natur nicht in freier Form vor, sondern hauptsächlich in Form von SiO 2 oder Silikaten.

Si-Verbindungen sind giftig; Das Einatmen kleinster Partikel von SiO 2 und anderen Siliziumverbindungen (z. B. Asbest) verursacht eine gefährliche Krankheit - Silikose

Das Siliziumatom hat im Grundzustand die Wertigkeit = II und im angeregten Zustand = IV.

Die stabilste Oxidationsstufe von Si ist +4. In Verbindungen mit Metallen (Siliciden), S.O. -vier.

Verfahren zur Gewinnung von Silizium

Die häufigste natürliche Siliziumverbindung ist Kieselsäure (Siliziumdioxid) SiO 2 . Es ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Silizium.

1) Rückgewinnung von SiO 2 mit Kohlenstoff in Lichtbogenöfen bei 1800 "C: SiO 2 + 2C \u003d Si + 2CO

2) Hochreines Si aus einem technischen Produkt wird nach folgendem Schema gewonnen:

a) Si → SiCl 2 → Si

b) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si

Physikalische Eigenschaften von Silizium. Allotrope Modifikationen von Silizium

1) Kristallines Silizium - eine silbergraue Substanz mit metallischem Glanz, ein diamantartiges Kristallgitter; Schmelzpunkt 1415 "C, Sdp. 3249" C, Dichte 2,33 g/cm³; ist ein Halbleiter.

2) Amorphes Silizium – braunes Pulver.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Bei den meisten Reaktionen wirkt Si als Reduktionsmittel:

Bei niedrigen Temperaturen ist Silizium chemisch inert, bei Erwärmung nimmt seine Reaktivität stark zu.

1. Es interagiert mit Sauerstoff bei T über 400 °C:

Si + O 2 \u003d SiO 2 Siliziumoxid

2. Reagiert bereits bei Raumtemperatur mit Fluor:

Si + 2F 2 = SiF 4 Siliziumtetrafluorid

3. Reaktionen mit anderen Halogenen laufen bei einer Temperatur von = 300 - 500 ° C ab

Si + 2 Hal 2 = Si Hal 4

4. Mit Schwefeldampf bei 600 ° C bildet sich ein Disulfid:

5. Reaktion mit Stickstoff erfolgt über 1000 °C:

3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 Siliziumnitrid

6. Bei einer Temperatur = 1150°С reagiert es mit Kohlenstoff:

SiO 2 + 3C \u003d SiC + 2CO

Carborundum hat eine ähnliche Härte wie Diamant.

7. Silizium reagiert nicht direkt mit Wasserstoff.

8. Silizium ist säurebeständig. Interagiert nur mit einer Mischung aus Salpetersäure und Flusssäure (Flusssäure):

3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2 O

9. reagiert mit Alkalilösungen unter Bildung von Silikaten und Freisetzung von Wasserstoff:

Si + 2NaOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 2H 2

10. Die reduzierenden Eigenschaften von Silizium werden genutzt, um Metalle von ihren Oxiden zu isolieren:

2MgO \u003d Si \u003d 2Mg + SiO 2

Bei Reaktionen mit Metallen ist Si ein Oxidationsmittel:

Silizium bildet mit S-Metallen und den meisten D-Metallen Silizide.

Die Zusammensetzung von Siliziden dieses Metalls kann unterschiedlich sein. (Zum Beispiel FeSi und FeSi 2; Ni 2 Si und NiSi 2.) Eines der bekanntesten Silizide ist Magnesiumsilizid, das durch direkte Wechselwirkung einfacher Substanzen erhalten werden kann:

2Mg + Si = Mg 2 Si

Silan (Monosilan) SiH 4

Silane (Siliciumwasserstoffe) Si n H 2n + 2, (vergleiche mit Alkanen), wobei n \u003d 1-8. Silane - Analoga von Alkanen, unterscheiden sich von ihnen durch die Instabilität von -Si-Si-Ketten.

Monosilan SiH 4 ist ein farbloses Gas mit unangenehmem Geruch; löslich in Ethanol, Benzin.

Wege zu bekommen:

1. Zersetzung von Magnesiumsilizid mit Salzsäure: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCI 2 + SiH 4

2. Reduktion von Si-Halogeniden mit Lithiumaluminiumhydrid: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3

Chemische Eigenschaften.

Silan ist ein starkes Reduktionsmittel.

1.SiH 4 wird bereits bei sehr niedrigen Temperaturen durch Sauerstoff oxidiert:

SiH 4 + 2O 2 \u003d SiO 2 + 2H 2 O

2. SiH 4 wird leicht hydrolysiert, insbesondere in alkalischem Milieu:

SiH 4 + 2H 2 O \u003d SiO 2 + 4H 2

SiH 4 + 2NaOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 4H 2

Silizium(IV)oxid (Silica) SiO 2

Kieselsäure existiert in verschiedenen Formen: kristallin, amorph und glasig. Die häufigste kristalline Form ist Quarz. Wenn Quarzgestein zerstört wird, entsteht Quarzsand. Quarz-Einkristalle sind transparent, farblos (Bergkristall) oder mit Verunreinigungen in verschiedenen Farben (Amethyst, Achat, Jaspis etc.) eingefärbt.

Amorphes SiO 2 kommt in Form des Minerals Opal vor: Kieselgel wird künstlich gewonnen, besteht aus kolloidalen SiO 2 -Partikeln und ist ein sehr gutes Adsorptionsmittel. Glasartiges SiO 2 ist als Quarzglas bekannt.

Physikalische Eigenschaften

In Wasser löst sich SiO 2 sehr wenig, in organischen Lösungsmitteln löst es sich ebenfalls praktisch nicht. Silizium ist ein Dielektrikum.

Chemische Eigenschaften

1. SiO 2 ist ein saures Oxid, daher löst sich amorphes Siliziumdioxid langsam in wässrigen Lösungen von Alkalien:

SiO 2 + 2NaOH \u003d Na 2 SiO 3 + H 2 O

2. SiO 2 wechselwirkt auch beim Erhitzen mit basischen Oxiden:

SiO 2 + K 2 O \u003d K 2 SiO 3;

SiO 2 + CaO \u003d CaSiO 3

3. Als nichtflüchtiges Oxid verdrängt SiO 2 Kohlendioxid aus Na 2 CO 3 (während der Fusion):

SiO 2 + Na 2 CO 3 \u003d Na 2 SiO 3 + CO 2

4. Kieselsäure reagiert mit Flusssäure zu Fluorwasserstoffkieselsäure H 2 SiF 6:

SiO 2 + 6HF \u003d H 2 SiF 6 + 2H 2 O

5. Bei 250 - 400 ° C interagiert SiO 2 mit gasförmigem HF und F 2 und bildet Tetrafluorsilan (Siliciumtetrafluorid):

SiO 2 + 4HF (gas.) \u003d SiF 4 + 2H 2 O

SiO 2 + 2F 2 \u003d SiF 4 + O 2

Kieselsäuren

Bekannt:

Orthokieselsäure H 4 SiO 4 ;

Metakieselsäure H 2 SiO 3 ;

Di- und Polykieselsäuren.

Alle Kieselsäuren sind in Wasser schwer löslich und bilden leicht kolloidale Lösungen.

Wege zu empfangen

1. Fällung durch Säuren aus Lösungen von Alkalimetallsilikaten:

Na 2 SiO 3 + 2 HCl \u003d H 2 SiO 3 ↓ + 2 NaCl

2. Hydrolyse von Chlorsilanen: SiCl 4 + 4H 2 O \u003d H 4 SiO 4 + 4HCl

Chemische Eigenschaften

Kieselsäuren sind sehr schwache Säuren (schwächer als Kohlensäure).

Beim Erhitzen dehydrieren sie und bilden als Endprodukt Kieselsäure.

H 4 SiO 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2

Silikate - Salze von Kieselsäuren

Da Kieselsäuren extrem schwach sind, werden ihre Salze in wässrigen Lösungen stark hydrolysiert:

Na 2 SiO 3 + H 2 O \u003d NaHSiO 3 + NaOH

SiO 3 2- + H 2 O \u003d HSiO 3 - + OH - (alkalisches Medium)

Aus dem gleichen Grund wird beim Durchleiten von Kohlendioxid durch Silikatlösungen Kieselsäure aus diesen verdrängt:

K 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d H 2 SiO 3 ↓ + K 2 CO 3

SiO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d H 2 SiO 3 ↓ + CO 3

Diese Reaktion kann als qualitative Reaktion für Silikat-Ionen betrachtet werden.

Unter den Silikaten sind nur Na 2 SiO 3 und K 2 SiO 3 gut löslich, die als lösliches Glas bezeichnet werden, und ihre wässrigen Lösungen werden als flüssiges Glas bezeichnet.

Glas

Gewöhnliches Fensterglas hat die Zusammensetzung Na 2 O CaO 6SiO 2 , ist also eine Mischung aus Natrium- und Calciumsilikaten. Es wird durch Schmelzen von Soda Na 2 CO 3 , CaCO 3 Kalkstein und SiO 2 Sand erhalten;

Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 \u003d Na 2 O CaO 6SiO 2 + 2CO 2

Zement

Ein pulverförmiges Bindemittel, das bei Wechselwirkung mit Wasser eine plastische Masse bildet, die sich schließlich in einen festen steinähnlichen Körper verwandelt; Hauptbaustoff.

Die chemische Zusammensetzung des gebräuchlichsten Portlandzements (in Gew.-%) - 20 - 23% SiO 2; 62–76 % CaO; 4–7 % Al203; 2–5 % Fe 2 O 3 ; 1-5 % MgO.

Kohlenstoff und Silizium sind chemische Elemente der IVA-Gruppe des Periodensystems. Sie befinden sich jeweils in den Perioden 2 und 3. Kohlenstoff und Silizium Kohlenstoff und Silizium sind chemische Elemente der IVA-Gruppe
Periodensystem. Sie befinden sich jeweils in den Perioden 2 und 3.
Kohlenstoff und Silizium sind nichtmetallische Elemente.

Kohlenstoff hat 4 Elektronen in seinem äußeren Energieniveau - 2s22p2, wie Silizium - 3s23p2.

Dadurch in Verbindungen mit anderen Elementen
Kohlenstoff- und Siliziumatome weisen am häufigsten Grade auf
Oxidation -4, +2, +4. Bei einer einfachen Substanz die Oxidationsstufe
Elemente ist 0.

Entdeckungsgeschichte

C
1791 der englische Chemiker Tennant
erhielt zuerst freien Kohlenstoff; er
Phosphordampf übergeleitet, kalziniert
Kreide, was zur Bildung führt
Calciumphosphat und Kohlenstoff. Dieser Diamant
brennt beim Erhitzen aus
der Rest ist seit langem bekannt. Zurück im Jahr 1751
Der deutsche Kaiser Franz I. stimmte zu
Geben Sie einen Diamanten und einen Rubin für Experimente an
Brennen, nach dem diese Experimente sogar
kam in Mode. Es stellte sich heraus, dass es nur brennt
Diamant und Rubin (Aluminiumoxid mit
Chromverunreinigung) ohne standhält
Schäden durch längeres Erhitzen
Fokus der Brandlinse. Lavoisier
Stellen Sie ein neues Diamantbrennerlebnis ein
mit einer großen Brandmaschine
und kam zu dem Schluss, dass der Diamant darstellt
ist kristalliner Kohlenstoff. Zweite
Allotrop aus Kohlenstoff - Graphit - in
alchemistische Periode betrachtet wurde
modifizierter Bleiglanz u
wurde Plumbago genannt; erst 1740 Pott
entdeckten das Fehlen jeglicher Bleiverunreinigung im Graphit.
Si
Es war das erste Mal in seiner reinen Form
1811 getrennt
Französische Wissenschaftler
Joseph Louis Gay-Lussac und
Louis Jacques Tenard.

Herkunft des Namens

C
Anfang des 19. Jahrhunderts in russischer Sprache
Chemische Literatur manchmal
verwendet den Begriff "Kohlenhydrate"
(Scherer, 1807; Severgin, 1815); Mit
1824 führte Solowjow den Namen ein
"Kohlenstoff". Kohlenstoffverbindungen
einen Teil von carb (he) im Namen haben
- von lat. carbō (gen. n. carbōnis)
"Kohle".
Si
1825 stellte der schwedische Chemiker Jöns
Jakob Berzelius in Aktion
metallisches Kalium
Siliziumfluorid SiF4 erhalten
reines elementares Silizium.
Das neue Element wurde gegeben
der Name "Silizium" (von lat. silex
- Feuerstein). Russischer Name
"Silizium" wurde 1834 eingeführt
Russischer Chemiker Deutsch
Iwanowitsch Hess. Übersetzt c
andere Griechen κρημνός - "Klippe, Berg".

Physikalische Eigenschaften der einfachen Substanzen Kohlenstoff und Silizium.

Kohlenstoff
existiert in vielen allotropen Modifikationen mit very
verschiedene physikalische Eigenschaften. Vielzahl von Modifikationen
aufgrund der Fähigkeit von Kohlenstoff, chemische Bindungen unterschiedlicher Art zu bilden
Typ.
Folgende allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs sind bekannt: Graphit, Diamant, Karabiner
und Fullerene.
ein Diamant
b) Graphit
c) Lonsdaleit
d) Fulleren – Buckyball C60
e) Fulleren C540
f) Fulleren C70
g) amorpher Kohlenstoff
h) Kohlenstoffnanoröhren

Diamant ist eine farblose (manchmal gelbliche, bräunliche, grüne, schwarze, blaue, rötliche) transparente Substanz, sehr stark brechend

Diamant - farblos (manchmal gelblich, bräunlich, grün, schwarz, blau, rötlich)
eine transparente Substanz, die Lichtstrahlen sehr stark bricht.
Es übertrifft alle bekannten Naturstoffe an Härte. Aber es ist zerbrechlich.
Chemisch inert, schlechter Wärme- und Stromleiter.
Dichte 3,5 g/cm3.
Jedes Kohlenstoffatom in der Diamantstruktur befindet sich in der Mitte des Tetraeders mit Ecken
von den vier nächsten Atomen bedient. Es ist die starke Bindung von Kohlenstoffatomen, die das erklärt
hohe Härte des Diamanten.
Graphit ist die häufigste Form.
Es ist eine sehr weiche schwarze Substanz mit metallischem Glanz und leitet gut.
elektrischer Strom und Wärme. Es fühlt sich fettig an, wenn es gerieben wird, schält es sich ab
Waage.
tmelt = 3750 °C (schmilzt bei einem Druck von 10 MPa, sublimiert bei Normaldruck).
Dichte 2,22 g/cm3.
Die Struktur von Graphit wird durch parallele Schichten von Gittern gebildet, die aus bestehen
Sechsecke mit Kohlenstoffatomen an den Ecken. Atome in jeder einzelnen Schicht
stark gebunden sind und die Bindung zwischen den Schichten schwach ist.

Carbin ist eine synthetische Modifikation von Kohlenstoff. Schwarzes feinkristallines Pulver. Dichte 1,9–2 g/cm3. Halbleiter.

Fullerene sind kugelförmige Moleküle, die aus Fünfecken und Sechsecken von miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen bestehen. Vn

Fullerene sind kugelförmige Moleküle
gebildet aus Fünfecken und Sechsecken von Kohlenstoffatomen,
verbunden. Die Moleküle sind innen hohl. BEI
Bisher wurden Fullerene der Zusammensetzung C60, C70 etc. erhalten.

10. Silizium. Kristallines Silizium ist eine dunkelgraue Substanz mit metallischem Glanz, hat eine kubische Rautenstruktur, ist aber deutlich

Silizium.
Kristallines Silizium ist eine dunkelgraue Substanz mit metallischem Schimmer
Brillanz, hat eine kubische Struktur von Diamant, ist ihm aber in Bezug auf die Brillanz deutlich unterlegen
Härte, eher spröde. Schmelzpunkt 1415 °C, Temperatur
Siedepunkt 2680 °C, Dichte 2,33 g/cm3. Hat Halbleiter
Eigenschaften, sein Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab.
Amorphes Silizium ist ein braunes Pulver auf Basis stark ungeordneter
diamantartige Struktur. Reaktiver als
kristallines Silizium.

11. Chemische Eigenschaften

AUS
Wechselwirkung mit Nichtmetallen
C + 2S = CS2. C + O2 = CO2, C + 2F2 = CF4. C + 2H2 = CH4.
interagiert nicht mit Stickstoff und Phosphor.
Wechselwirkung mit Metallen
Kann mit Metallen interagieren und Karbide bilden:
Ca + 2C = CaC2.
Wechselwirkung mit Wasser
C + H2O = CO + H2.
Kohlenstoff ist in der Lage, viele Metalle zu reduzieren
Oxide:
2ZnO + C = 2Zn + CO2.
Konzentrierte Schwefel- und Salpetersäure beim Erhitzen
Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid (IV) oxidieren:
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O;

12.

Si
Wechselwirkung mit Nichtmetallen
Si + 2F2 = SiF4. Si + 2Cl2 = SiCl4. Si + O2 = SiO2.
Si + C = SiCSi + 3B = B3Si. 3Si + 2N2 = Si3N4.
Interagiert nicht mit Wasserstoff.
Wechselwirkung mit Halogenwasserstoffen
Si + 4HF = SiF4 + 2H2,
Wechselwirkung mit Metallen
2Ca + Si = Ca2Si.
Wechselwirkung mit Säuren
3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O.
Wechselwirkung mit Alkalien
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.

13. In der Natur gefunden Kohlenstoff gelangt in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre (0,03 Vol.-%). Kohle, Torf, Öl und Erdgas - Produkte

In der Natur sein
In Form von Kohlendioxid gelangt Kohlenstoff in die Atmosphäre (0,03 % v
Volumen).
Kohle, Torf, Öl und Erdgas sind Zersetzungsprodukte
Flora der Erde der Antike.

14.

Natürliche anorganische Verbindungen
Kohlenstoff - Karbonate. Mineral Calcit
CaCO3 ist die Grundlage von Sedimenten
Felsen - Kalksteine. Sonstiges
Calciumcarbonat-Modifikationen
bekannt als Marmor und Kreide

15. Silizium in der Natur

Es ist weit verbreitet als Silica SiO2 und verschiedene
Silikate.
Zum Beispiel enthält Granit mehr als 60 % Kieselerde, während er kristallin ist
Quarz ist die reinste der natürlichen Siliziumverbindungen mit
Sauerstoff.
{
Brennnesselblätter sind mit stacheligen Haaren aus reinem Oxid bedeckt.
Silizium (IV), das sind hohle Röhren von 1-2 mm Länge.
Die Tubuli sind mit einer ameisensäurehaltigen Flüssigkeit gefüllt.

16. Anwendung von Kohlenstoff

Graphit wird in der Bleistiftindustrie verwendet. Es wird auch in verwendet
als Schmiermittel bei besonders hohen oder niedrigen Temperaturen.
Diamant ist aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte ein unverzichtbares Schleifmittel.
Schleifdüsen von Bohrern haben eine Diamantbeschichtung. Neben,
geschliffene Diamanten - Diamanten werden als Edelsteine ​​verwendet
Schmuck. Aufgrund ihrer Seltenheit, hohen dekorativen Qualitäten u
Zufall der historischen Umstände, der Diamant ist ausnahmslos die meisten
ein teures Schmuckstück.
{
Verschiedene Verbindungen werden in der Pharmakologie und Medizin weithin verwendet.
Kohlenstoff - Derivate von Kohlensäure und Carbonsäuren.
Carbolene (Aktivkohle), verwendet für die Absorption und Elimination von
Körper von verschiedenen Toxinen.

17. Auftragen von Silikon

Silizium findet Anwendung in Halbleitern
Technologie und Mikroelektronik, in der Metallurgie als
Zusätze zu Stählen und bei der Herstellung von Legierungen.
Als Basis für die Herstellung dienen Siliziumverbindungen
Glas und Zement. Glas- und Zementherstellung
in der Silikatindustrie tätig. Sie auch
produziert Silikatkeramik - Ziegel, Porzellan,
Fayence und Produkte daraus.
Silikatkleber ist weithin bekannt, verwendet in
als Trockenmittel, in der Pyrotechnik und im Alltag
zum Kleben von Papier.

Als eigenständiges chemisches Element wurde Silizium der Menschheit erst 1825 bekannt. Was natürlich die Verwendung von Siliziumverbindungen in so vielen Bereichen nicht verhinderte, dass es einfacher ist, diejenigen aufzulisten, in denen das Element nicht verwendet wird. Dieser Artikel beleuchtet die physikalischen, mechanischen und nützlichen chemischen Eigenschaften von Silizium und seinen Verbindungen und Anwendungen, und wir werden auch darüber sprechen, wie Silizium die Eigenschaften von Stahl und anderen Metallen beeinflusst.

Lassen Sie uns zunächst auf die allgemeinen Eigenschaften von Silizium eingehen. 27,6 bis 29,5 % der Masse der Erdkruste ist Silizium. In Meerwasser ist die Konzentration des Elements ebenfalls angemessen - bis zu 3 mg / l.

Hinsichtlich der Verbreitung in der Lithosphäre nimmt Silizium nach Sauerstoff den zweiten Ehrenplatz ein. Seine bekannteste Form, Kieselsäure, ist jedoch ein Oxid, und gerade seine Eigenschaften sind die Grundlage für eine so breite Anwendung geworden.

In diesem Video erfahren Sie, was Silizium ist:

Konzept und Funktionen

Silizium ist ein Nichtmetall, kann aber unter verschiedenen Bedingungen sowohl saure als auch basische Eigenschaften aufweisen. Es ist ein typischer Halbleiter und in der Elektrotechnik äußerst weit verbreitet. Seine physikalischen und chemischen Eigenschaften werden maßgeblich durch den allotropen Zustand bestimmt. Meistens handelt es sich um die kristalline Form, da ihre Qualitäten in der Volkswirtschaft stärker nachgefragt werden.

• Silizium ist einer der grundlegenden Makronährstoffe im menschlichen Körper. Sein Mangel wirkt sich nachteilig auf den Zustand von Knochengewebe, Haaren, Haut und Nägeln aus. Darüber hinaus beeinflusst Silizium die Leistungsfähigkeit des Immunsystems.
• In der Medizin fand das Element bzw. seine Verbindungen seine erste Verwendung in dieser Eigenschaft. Wasser aus mit Feuerstein ausgekleideten Brunnen war nicht nur sauber, sondern wirkte sich auch positiv auf die Widerstandsfähigkeit gegen Infektionskrankheiten aus. Verbindungen mit Silizium dienen heute als Basis für Medikamente gegen Tuberkulose, Atherosklerose und Arthritis.
• Im Allgemeinen ist ein Nichtmetall inaktiv, es ist jedoch schwierig, es in seiner reinen Form zu finden. Dies liegt daran, dass es an der Luft schnell durch eine Dioxidschicht passiviert wird und nicht mehr reagiert. Beim Erhitzen nimmt die chemische Aktivität zu. Infolgedessen ist die Menschheit viel besser mit den Verbindungen der Materie vertraut und nicht mit sich selbst.

So bildet Silizium mit fast allen Metallen Legierungen - Silizide. Alle zeichnen sich durch ihre Feuerfestigkeit und Härte aus und werden in ihren jeweiligen Bereichen eingesetzt: Gasturbinen, Ofenheizungen.

Ein Nichtmetall wird zusammen mit Kohlenstoff, Germanium, in die Tabelle von D. I. Mendeleev in Gruppe 6 aufgenommen, was auf eine gewisse Gemeinsamkeit mit diesen Substanzen hinweist. Mit Kohlenstoff ist es also „gemeinsam“ mit der Fähigkeit, Verbindungen des organischen Typs zu bilden. Gleichzeitig kann Silizium wie Germanium in einigen chemischen Reaktionen die Eigenschaften eines Metalls aufweisen, das in der Synthese verwendet wird.

Vorteile und Nachteile

Wie jeder andere Stoff in Bezug auf die Anwendung in der Volkswirtschaft hat Silizium bestimmte nützliche oder nicht sehr gute Eigenschaften. Sie sind wichtig für die Bestimmung des Einsatzgebiets.

• Ein wesentlicher Vorteil des Stoffes ist sein Verfügbarkeit. In der Natur kommt es jedoch nicht in freier Form vor, dennoch ist die Technologie zur Gewinnung von Silizium nicht so kompliziert, wenn auch energieaufwändig.
• Der zweitwichtigste Vorteil ist mehrfache Verbundbildung mit außergewöhnlichen Vorteilen. Dies sind Silane und Silizide und Dioxide und natürlich verschiedene Silikate. Die Fähigkeit von Silizium und seinen Verbindungen, komplexe feste Lösungen zu bilden, ist praktisch unendlich, was es ermöglicht, eine Vielzahl von Variationen von Glas, Stein und Keramik zu erhalten.
• Halbleitereigenschaften Nichtmetall verschafft ihm einen Platz als Grundwerkstoff in der Elektro- und Funktechnik.
• Nichtmetall ist ungiftig, das die Anwendung in jeder Branche ermöglicht und gleichzeitig den technologischen Prozess nicht zu einem potenziell gefährlichen macht.

Zu den Nachteilen des Materials gehört nur eine relative Sprödigkeit bei guter Härte. Silizium wird nicht für tragende Strukturen verwendet, aber diese Kombination ermöglicht es, die Oberfläche von Kristallen richtig zu bearbeiten, was für die Instrumentierung wichtig ist.

Lassen Sie uns nun über die Haupteigenschaften von Silizium sprechen.

Eigenschaften und Merkmale

Da kristallines Silizium am häufigsten in der Industrie verwendet wird, sind gerade seine Eigenschaften wichtiger, die in den technischen Spezifikationen angegeben sind. Die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes sind:

• Schmelzpunkt - 1417 C;
• Siedepunkt - 2600 ° C;
• Die Dichte beträgt 2,33 g/m³. sehen, was auf Zerbrechlichkeit hinweist;
• sowohl die Wärmekapazität als auch die Wärmeleitfähigkeit sind selbst bei den reinsten Proben nicht konstant: 800 J / (kg K) oder 0,191 cal / (g deg) und 84-126 W / (m K) oder 0,20-0, 30 cal/(cm Sek. Grad), bzw.;
• transparent für langwellige Infrarotstrahlung, die in der Infrarotoptik verwendet wird;
• Dielektrizitätskonstante - 1,17;
• Härte auf der Mohs-Skala - 7.

Die elektrischen Eigenschaften eines Nichtmetalls sind stark von Verunreinigungen abhängig. In der Industrie wird diese Funktion genutzt, indem der gewünschte Halbleitertyp moduliert wird. Bei normalen Temperaturen ist Silizium spröde, aber wenn es über 800 C erhitzt wird, ist eine plastische Verformung möglich.

Auffallend anders sind die Eigenschaften von amorphem Silizium: Es ist stark hygroskopisch und reagiert schon bei normalen Temperaturen wesentlich aktiver.

Die Struktur und chemische Zusammensetzung sowie die Eigenschaften von Silizium werden im folgenden Video besprochen:

Zusammensetzung und Struktur

Silizium existiert in zwei allotropen Formen, die bei normaler Temperatur gleich stabil sind.

• Kristall Es hat das Aussehen eines dunkelgrauen Pulvers. Die Substanz hat zwar ein diamantartiges Kristallgitter, ist aber zerbrechlich – wegen der zu langen Bindung zwischen den Atomen. Interessant sind seine Halbleitereigenschaften.
• Bei sehr hohen Drücken kann man das bekommen sechseckig Modifikation mit einer Dichte von 2,55 g / cu. siehe Allerdings hat diese Phase noch keine praktische Bedeutung gefunden.
• Amorph- Braunes Pulver. Im Gegensatz zur kristallinen Form reagiert es viel aktiver. Dies liegt nicht so sehr an der Trägheit der ersten Form, sondern daran, dass die Substanz an der Luft mit einer Dioxidschicht bedeckt ist.

Darüber hinaus muss eine andere Klassifizierungsart berücksichtigt werden, die mit der Größe des Siliziumkristalls zusammenhängt, die zusammen eine Substanz bilden. Das Kristallgitter impliziert bekanntlich nicht nur die Ordnung der Atome, sondern auch der Strukturen, die diese Atome bilden – die sogenannte Fernordnung. Je größer es ist, desto homogener wird die Substanz in ihren Eigenschaften sein.

• einkristallin– die Probe ein Einkristall ist. Seine Struktur ist möglichst geordnet, die Eigenschaften sind homogen und gut vorhersagbar. Gerade dieser Werkstoff ist in der Elektrotechnik am gefragtesten. Es gehört jedoch auch zu den teuersten Arten, da der Gewinnungsprozess kompliziert und die Wachstumsrate gering ist.
• Multikristallin– Die Probe besteht aus mehreren großen Kristallkörnern. Die Grenzen zwischen ihnen bilden zusätzliche Defektebenen, was die Leistung der Probe als Halbleiter reduziert und zu schnellerem Verschleiß führt. Die Technologie zum Züchten eines Multikristalls ist einfacher und daher ist das Material billiger.
• Polykristallin- besteht aus einer großen Anzahl von Körnern, die zufällig zueinander angeordnet sind. Dies ist die reinste Art von industriellem Silizium, das in der Mikroelektronik und Solarenergie verwendet wird. Häufig wird es als Ausgangsmaterial für die Züchtung von Multi- und Einkristallen verwendet.
• Auch amorphes Silizium nimmt in dieser Klassifikation eine eigene Position ein. Hier bleibt die Ordnung der Atome nur auf kürzestem Weg erhalten. In der Elektrotechnik wird es jedoch immer noch in Form dünner Schichten verwendet.

Nichtmetallische Produktion

Aufgrund der Trägheit seiner Verbindungen und des hohen Schmelzpunktes der meisten von ihnen ist es nicht so einfach, reines Silizium zu erhalten. In der Industrie wird am häufigsten die Kohlendioxidreduktion eingesetzt. Die Reaktion wird in Lichtbogenöfen bei einer Temperatur von 1800 C durchgeführt. So wird ein Nichtmetall mit einer Reinheit von 99,9% erhalten, was für seine Verwendung nicht ausreicht.

Das resultierende Material wird chloriert, um Chloride und Hydrochloride zu erhalten. Anschließend werden die Verbindungen mit allen möglichen Methoden von Verunreinigungen gereinigt und mit Wasserstoff reduziert.

Es ist auch möglich, die Substanz zu reinigen, indem man Magnesiumsilicid erhält. Das Silizid wird der Einwirkung von Salz- oder Essigsäure ausgesetzt. Silan wird gewonnen und letzteres wird durch verschiedene Methoden gereinigt - Sorption, Rektifikation usw. Anschließend wird das Silan bei einer Temperatur von 1000 C in Wasserstoff und Silizium zersetzt. Dabei wird eine Substanz mit einem Verunreinigungsanteil von 10 -8 -10 -6 % erhalten.

Substanzgebrauch

Für die Industrie sind die elektrophysikalischen Eigenschaften von Nichtmetallen von größtem Interesse. Seine Einkristallform ist ein Halbleiter mit indirekter Lücke. Seine Eigenschaften werden durch Verunreinigungen bestimmt, was es ermöglicht, Siliziumkristalle mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Die Zugabe von Bor, Indium ermöglicht es also, einen Kristall mit Lochleitfähigkeit zu züchten, und die Einführung von Phosphor oder Arsen - ein Kristall mit elektronischer Leitfähigkeit.

• Silizium dient buchstäblich als Grundlage der modernen Elektrotechnik. Daraus werden Transistoren, Fotozellen, integrierte Schaltkreise, Dioden usw. hergestellt. Zudem wird die Funktionalität der Vorrichtung fast immer nur durch die oberflächennahe Schicht des Kristalls bestimmt, was zu ganz speziellen Anforderungen speziell an die Oberflächenbehandlung führt.
• In der Metallurgie wird technisches Silizium sowohl als Legierungsmodifikator – es verleiht mehr Festigkeit – als auch als Komponente – beispielsweise in und als Desoxidationsmittel – bei der Herstellung von Gusseisen verwendet.
• Hochreine und veredelte Metalle bilden die Grundlage der Sonnenenergie.
• Nichtmetalldioxid kommt in der Natur in sehr unterschiedlichen Formen vor. Seine kristallinen Sorten - Opal, Achat, Karneol, Amethyst, Bergkristall - haben ihren Platz im Schmuck gefunden. Modifikationen, die optisch nicht so attraktiv sind - Feuerstein, Quarz, werden in der Metallurgie, im Bauwesen und in der Funkelektrotechnik verwendet.
• Die Verbindung eines Nichtmetalls mit Kohlenstoff - Karbid, wird in der Metallurgie, im Instrumentenbau und in der chemischen Industrie verwendet. Es ist ein Wide-Gap-Halbleiter, der sich durch eine hohe Härte von 7 auf der Mohs-Skala und Festigkeit auszeichnet, wodurch er als abrasives Material verwendet werden kann.
• Silikate - das sind Salze der Kieselsäure. Instabil, zersetzt sich leicht unter Temperatureinfluss. Sie sind insofern bemerkenswert, als sie zahlreiche und unterschiedliche Salze bilden. Letztere sind aber die Grundlage für die Herstellung von Glas, Keramik, Fayence, Kristall u. Wir können mit Sicherheit sagen, dass modernes Bauen auf einer Vielzahl von Silikaten basiert.
• Glas stellt hier den interessantesten Fall dar. Es basiert auf Alumosilikaten, aber unbedeutende Verunreinigungen anderer Substanzen - normalerweise Oxide - verleihen dem Material viele verschiedene Eigenschaften, einschließlich Farbe. -, Steingut, Porzellan hat tatsächlich die gleiche Formel, obwohl mit einem anderen Verhältnis der Komponenten, und seine Vielfalt ist ebenfalls erstaunlich.
• Ein Nichtmetall hat eine weitere Fähigkeit: Es bildet kohlenstoffartige Verbindungen in Form einer langen Kette von Siliziumatomen. Solche Verbindungen werden Organosiliciumverbindungen genannt. Der Umfang ihrer Anwendung ist nicht weniger bekannt - dies sind Silikone, Dichtstoffe, Schmiermittel und so weiter.

Silizium ist ein sehr häufig vorkommendes Element und in vielen Bereichen der Volkswirtschaft von großer Bedeutung. Darüber hinaus wird nicht nur die Substanz selbst aktiv verwendet, sondern alle ihre verschiedenen und zahlreichen Verbindungen.

Dieses Video wird über die Eigenschaften und Anwendungen von Silizium sprechen: