 |
Распространенность в природе
|
|
|
|
Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90% углерода (см. гл. 5). В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы,
Рис. 15.6. Круговорот углерода в природе.
например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме диоксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы. Находящейся в воздухе диоксид углерода играет важную роль в круговороте углерода в природе (рис. 15.6). Растения поглощают его в процессе фотосинтеза, а животные, наоборот, выделяют в процессах дыхания и пищеварения.
Диоксид углерода является продуктом дыхания в организме животных. Он соединяется с гемоглобином эритроцитов и переносится кровотоком в легкие, где обменивается на кислород. Гемоглобин способен также соединяться с оксидом углерода, образуя комплекс розового цвета - карбоксигемоглобии. Этот комплекс препятствует нормальному насыщению крови кислородом, что может привести к смертельному исходу. По этой причине оксид углерода представляет собой чрезвычайно токсичное соединение.
Рис. 15.7. Структура силикат-аниона.
Рис. 15.8. а - двумерное схематическое изображение кристаллической структуры кварца; б - каждый атомкремния связан с четырьмя атомами кислорода. В двумерном изображении четвертый атом кислорода находится над плоскостью рисунка и поэтому не показан.
|
|
|
Кремний - второй по распространенности на Земле элемент после кислорода. Он не встречается в несвязанном виде, но широко распространен в форме кремнезема и различных силикатов. Песок, песчаник, кварц и кремень - это различные формы кремнезема. (Свое название кремний получил как раз от кремня.) Силикатные минералы включают гранит, полевые шпаты, асбест, глины и слюду.
Силикаты. Известно более 1000 различных силикатных минералов. Они составляют приблизительно 75% массы земной коры. Основной структурной единицей всех силикатов является кремиекислородный тетраэдр, в котором четыре атома кислорода связаны с атомом кремния, образуя силикат-анион (рис. 15.7).
Обычные силикаты состоят из таких изолированных тетраэдров либо из тетраэдров, связанных между собой в полимерные кольца, цепи, слои и каркасные трехмерные структуры (каркасные силикаты).
Минералы, принадлежащие к семейству гранатов, наиболее распространенным из которых является альмандин содержат изолированные кремнекислородные тетраэдры. Многие магматические и метаморфические горные породы (см. разд. 13.3) содержат цепочечные силикаты. Наиболее важной группой цепочечных силикатов являются пироксены. Асбест тоже имеет полимерную цепочечную структуру (см. разд. 3.2). Силикаты со слоистой структурой включают каолин и другие глииы, а также слюды и тальк (см. разд. 3.2).
Каркасные силикаты включают группу кремнеземов полевые шпаты и цеолиты. Кварц принадлежит к силикатам с каркасной структурой. Двумерное изображение его структуры приведено на рис. 15.8 (см. также разд. 3.2).
Кремний обнаружен также на Солнце и звездах. Он является главной составной частью одной из разновидностей метеоритов, называемых аэролитами. Германий тоже широко распространен в земной коре. На его долю приходятся приблизительно в каждой тонне земной коры. Этот элемент содержится в битуминозном угле и в небольших количествах входит в состав руды германита. Олово - сравнительно редкий элемент; оно составляет приблизительно 0,001% массы земной коры. Его наиболее важной рудой является касситерит который добывают главным образом в Нигерии, Индонезии и некоторых других странах.
|
|
|
Свинец составляет 15 миллионных частей массы земной коры. Его наиболее важную руду - галенит, представляющий собой в основном сульфид добывают главным образом в Канаде и Австралии.
Получение из руд
Мировой уровень потребления графита и алмазов превышает возможности их получения горнодобывающей промышленностью. Приблизительно 70% графита, получаемого
в мире, дает химическое производство с использованием процесса Ачесона: смесь кокса и песка выдерживают при температуре около 2000 °С в электрической печи в течение 24 ч; при этом происходит следующая реакция:
Технические алмазы получают, нагревая графит в присутствии родиевого катализатора до температуры порядка 3000 °С под давлением, близким к 100 000 атм.
Кремний получают, восстанавливая кремнезем углеродом в электрической печи:
Для получения очень чистого кремния его подвергают зонной плавке. С помощью нагревательной спирали или печи расплавляют небольшую зону на конце стержня из кремния. Затем нагреватель медленно перемещают, так чтобы расплавленная зона двигалась вдоль стержня от одного его конца к другому. По мере того, как это происходит, чистый кремний кристаллизуется, а примеси концентрируются в расплавленной зоне. Таким образом, примеси выводятся к концу стержня, а весь остальной его участок оказывается очищенным.
Германий получают из германитовой руды, нагревая ее с соляной кислотой; образующийся при этом хлорид затем подвергают гидролизу. Полученный таким образом оксид восстанавливают углеродом либо водородом. В результате получается германий, для очистки которого применяется зонная плавка. Оловополучают из касситерита, восстанавливая его коксом:
Свинец получают из галенита, обжигая его на воздухе, что приводит к образованию оксида который затем восстанавливают коксом:
ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДА
Различные формы углерода и его соединения имеют самые разнообразные применения.
|
|
|
Алмазы используются не только как драгоценные камни, но применяются также для изготовления металлорежущего и шлифовального инструмента, наконечников сверл и буров (например, для бурения нефтяных скважин), а также волочильных и подобных приспособлений (например, предназначаемых для изготовления вольфрамовых нитей к электролампам).
Графит имеет многочисленные применения. Он используется для изготовления инертных электродов, применяемых в электролитических процессах, а также щеток для электрических моторов. Из него делают печную кладку; его используют также в качестве смазочного материала или замедлителя в ядерных реакторах(см. гл. 1). Спекая графит с глиной, получают «грифельную массу» для изготовления грифельных карандашей.
Как уже было описано выше, кокс и оксид углерода используются для промышленного получения материалов восстановлением руд.
Различные формы растительного или животного угля имеют разнообразные применения. Древесный уголь, который получают, сжигая древесину в условиях ограниченного
доступа воздуха, используется для поглощения газов, так как он обладает большой пористостью и имеет чрезвычайно развитую поверхность. Животный уголь, который получают сжиганием костей животных; используется для обесцвечивания сахарного сиропа в сахарной промышленности. Сажа используется для изготовления чернил, копировальной бумаги и черной сапожной ваксы, а также как наполнитель резины при изготовлении автомобильных шин.
Применения углеводородов и других органических соединений описаны в гл. 18.
Диоксид углерода образуется при получении гашеной извести (см. гл. 13) и в процессах ферментирования (брожения) (см. гл. 9). Им наполняют огнетушители, а в твердой форме используют как «сухой лед» для создания низких температур.
ПРИМЕНЕНИЯ КРЕМНИЯ
Кремний и его соединения подобно углероду и его соединениям широко применяются в разных областях. Кремний используется для изготовления микроэлектронных устройств. Кремнезем используется в производстве стекла и цемента. Разнообразны применения силикатов (табл. 15.8). Во всех этих примерах используются силикаты натрия. Наконец, силиконы используются для получения синтетических каучуков, политур и материалов для изготовления защитных покрытий. Теперь мы несколько подробнее остановимся на трех из этих применений.
Таблица 15.8. Некоторые применения силикатов
|
|
|
