 |
Общая характеристика свойств углерода и кремния
|
|
|
|
Краткая сравнительная характеристика элементов углерода и кремния представлена в таблице 6.
Таблица 6
Сравнительная характеристика углерода и кремния
| Критерии сравнения | Углерод – С | Кремний – Si |
| положение в периодической системе химических элементов |  , 2-ой период,
IV группа,
главная подгруппа
|  , 3-ий период,
IV группа,
главная подгруппа
|
| электронная конфигурация атомов | 
| 
|
| валентные возможности | II – в стационарном состоянии IV – в возбужденном состоянии | |
| возможные степени окисления |  ,  ,
 ,  ,  , 
|  , 
|
| высший оксид |  , кислотный
|  , кислотный
|
| высший гидроксид |  – слабая
нестойкая кислота
| ( ) или
 – слабая
кислота, имеет полимерную структуру
|
| водородное соединение |  – метан
(углеводород)
|  – силан,
неустойчив
|
Углерод. Для углерода-элемента характерна аллотропия. Углерод существует в форме следующих простых веществ: алмаз, графит, карбин, фуллерен, из которых термодинамически устойчивым является только графит. Уголь и сажу можно рассматривать как аморфные разновидности графита.
Графит тугоплавок, мало летуч, при обычной температуре химически инертен, представляет собой непрозрачное, мягкое вещество, слабо проводящее ток. Структура графита слоистая.
Аламаз – чрезвычайно твердое, химически инертное (до 900 °С) вещество, не проводит тока и плохо проводит тепло. Структура алмаза тетраэдрическая (каждый атом в тетраэдре окружен четырьмя атомами и т.д.). Поэтому алмаз – простейший полимер, макромолекула которого состоит из одних атомов углерода.
Карбин имеет линейную структуру 
(
–карбин, полиин) или 
(
– карбин, полиен). Представляет собой черный порошок, обладает полупроводниковыми свойствами. Под действием света электропроводность карбина увеличивается, а при температуре 
карбин превращается в графит. Химически более активен, чем графит. Синтезирован в начале 60-х годов XX в., позже был обнаружен в некоторых метеоритах.
|
|
|
Фуллерен – аллотропная модификация углерода, образованная молекулами 
, имеющими конструкцию типа “футбольный мяч”. Были синтезированы молекулы 
, 
и другие фуллерены. Все фуллерены представляют собой замкнутые структуры из атомов углерода в 
гибридном состоянии. Негибридизованные электроны 
связей делокализованы как в ароматических соединениях. Кристаллы фуллерена относятся к молекулярному типу.
Кремний. Для кремния не характерно связей, не характерно существование в гибридном состоянии. Поэтому существует только одна устойчивая аллотропная модификация кремния, кристаллическая решетка которой подобна решетке алмаза. Кремний – твердое (по шкале Мооса твердость равна 7), тугоплавкое (
), очень хрупкое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском при стандартных условиях – полупроводник. Химическая активность зависит от размеров кристаллов (крупнокристаллический менее активен, чем аморфный).
Реакционная способность углерода зависит от аллотропной модификации. Углерод в виде алмаза и графита довольно инертен, устойчив к действию кислот, щелочей, что позволяет изготавливать из графита тигли, электроды и т.д. Более высокую реакционную способность углерод проявляет в виде угля и сажи.
Кристаллический кремний достаточно инертен, в аморфной форме – более активен.
Основные виды реакций, отражающих химические свойства углерода и кремния, приведены в таблице 7.
Таблица 7
Основные химические свойства углерода и кремния
| реакция с | углерод | реакция с | кремний | ||
| простыми веществами | кислородом | 
| кислородом | 
| |
| галогенами | 
| галогенами | 
| ||
| серой | 
| углеродом | 
| ||
| водородом | 
| водородом | не реагирует | ||
| металлами | 
| металлами | 
| ||
| сложными веществами | оксидами металлов | 
| щелочами | 
| |
| водяным паром | 
| кислотами | не реагирует | ||
| кислотами | 
|
|
|
|
Вяжущие материалы
Вяжущие материалы – минеральные или органические строительные материалы, применяемые для изготовления бетонов, скрепления отдельных элементов строительных конструкций, гидроизоляции и др.
Минеральные вяжущие материалы (МВМ)– тонкоизмельченные порошкообразные материалы (цементы, гипс, известь и др.), образущие при смешивании с водой (в отдельных случаях – с растворами солей, кислот, щелочей) пластичную удобоукладываемую массу, затвердевающую в прочное камневидное тело и связывающую частицы твердых заполнителей и арматуру в монолитное целое.
Твердение МВМ осуществляется вследствие процессов растворения, образования пересыщенного раствора и коллоидной массы; последняя частично или полностью кристаллизуется.
Классификация МВМ:
1. гидравлические вяжущие материалы:
При смешивании с водой (затворении) твердеют и продолжают сохранять или наращивать свою прочность в воде. К ним относятся различные цементы и гидравлическая известь. При твердении гидравлической извести происходит взаимодействие СаО с водой и углекислым газом воздуха и кристаллизация образующегося продукта. Применяют в строительстве наземных, подземных и гидротехнических сооружений, подвергающихся постоянному воздействию воды.
2. воздушные вяжущие материалы:
При смешивании с водой твердеют и сохраняют прочность только на воздухе. К ним относятся воздушная известь, гипсово-ангидритные и магнезиальные воздушные вяжущие.
3. кислотоупорные вяжущие материалы:
Состоят в основном из кислотоупорного цемента, содержащего тонкоизмельченную смесь кварцевого песка и 
; их затворяют, как правило, водными растворами силиката натрия или калия, они длительно сохраняют свою прочность при воздействии кислот. При твердении осуществляется реакция 
. Применяют для производства кислотоупорных замазок, строительных растворов и бетонов при строительстве химических предприятий.
4. вяжущие материалы автоклавного твердения:
|
|
|
Состоят из известково-кремнеземистых и известково-нефелиновых вяжущих (известь, кварцевый песок, нефелиновый шлам) и твердеют при обработке в автоклаве (6-10 ч, давление пара 0,9-1,3 МПа). К ним относят также песчанистые портландцементы и другие вяжущие на основе извести, зол и малоактивных шламов. Применяют в производстве изделий из силикатных бетонов (блоки, силикатный кирпич и др.).
5. фосфатные вяжущие материалы:
Состоят из специальных цементов; их затворяют фосфорной кислотой с образованием пластичной массы, постепенно затвердевающей в монолитное тело, и сохраняющей свою прочность при температурах выше 1000 °С. Обычно используют титанофосфатный, цинкофосфатный, алюмофосфатный и др. цементы. Применяют для изготовления огнеупорной футеровочной массы и герметиков для высокотемпературной защиты металлических деталей и конструкций в производстве огнеупорных бетонов и др.
Органические вяжущие материалы (ОВМ)– вещества органического происхождения, способные переходить из пластичного состояния в твердое или малопластичное в результате полимеризации или поликонденсации.
По сравнению с МВМ они менее хрупки, имеют большую прочность при растяжении. К ним относятся продукты, образующиеся при переработке нефти (асфальт, битум), продукты термического разложения древесины (деготь), а также синтетические термореактивные полиэфирные, эпоксидные, феноло-формальдегидные смолы. Применяют в строительстве дорог, мостов, полов производственных помещений, рулонных кровельных материалов, асфальтополимерныбетонов и др.
|
|
|
