2.3 Фосфин

Фосфин PH3 – соединение фосфора с водородом – бесцветный газ с резким неприятным чесночным запахом, хорошо растворимый в воде (химически с ней не взаимодействует), очень ядовит. На воздухе чистый и сухой фосфин загорается при нагревании выше 100-140°С. Если фосфин содержит примеси дифосфина Р2 Н4 , он самовоспламеняется на воздухе.

При взаимодействии с некоторыми сильными кислотами фосфин образует соли фосфония, например:

PH3 + HCl = PH4 Cl (хлорид фосфония).

Строение катиона фосфония [РН4 ]+ аналогично строению катиона аммония [NН4 ]+ .

Вода разлагает соли фосфония с образованием фосфина и галогеноводорода.

Фосфин может быть получен при взаимодействии фосфидов с водой:

Ca3 P2 + 6H2 O = 3Ca(OH)2 + 2PH3 ↑.

И последнее. При взаимодействии фосфора с металлами образуются соли – фосфиды . Например, Ca3 P2 (фосфид кальция), Mg3 P2 (фосфид магния).

24 Углерод

Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и виде соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Некоторые из ископаемых углей содержат до 99 % углерода. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющие собой в основном смесь углеводородов.  Хотя содержание углерода в земной коре мало (0.09 %) , этот элемент, наряду с азотом, серой и фосфором является основой жизни на Земле.  По разнообразию своих соединений углерод занимает особое место в химии. В настоящее время число изученных соединений углерода оценивается примерно в 2 млн, тогда как соединения всех остальных элементов, вместе взятые,  исчисляются лишь сотнями тысяч.

Алмаз-бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Из всех простых веществ он имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. С этим,  а также с большой прочностью связи между атомами углерода связано то, что по твердости алмаз превосходит все известные вещества. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время хрупок, и его можно растереть в порошок в стальной ступке. Отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами.

Алмаз имеет низкую реакционную способность. Он горит в кислороде только при 8000, превращаясь в двуокись углерода с сильным выделением света (Лавуазье).  Кислоты, основания и галогены не реагируют с алмазом, но раствор  хлорки (гипохлорита кальция) его окисляет.

При низких температурах уголь и графит относительно инертны, хотя известны случаи самовозгорания больших масс угля.  При нагревании их активность  увеличивается. Уголь служит хорошим восстановителем, отнимая кислород у оксидов металлов.  Таким образом, выплавляют многие металлы

MemOn  + n/2C = mMe + n/2CO2

При сгорании на воздухе углерод образует два соединения: углекислый газ CO2 при избытке кислорода

C + O2 = CO2

и угарный газ СО при его недостатке

C + 1/2O2 = CO

Угарный газ не имеет цвета и запаха. При его вдыхании кровь человека насыщается этим газом, что приводит к сильному снижению концентрации кислорода в крови, человек при этом засыпает,  и во сне наступает смерть от удушья.   Подобные случаи известны жителям загородных домов, где есть печка или банька. 

На солнечном свету или в присутствии активного угля (катализатор) оксид углерода непосредственно соединяется с хлором, образуя чрезвычайно ядовитый газ-фосген

СO + Cl2 = COCl2

При пожарах в помещениях из-за недостатка кислорода образуется  угарный газ, а из полимерных материалов, содержащих хлор,  может выделяться  молекулярный хлор. При взаимодействии этих газов при пожаре может образовываться фосген.

При очень высоких температурах углерод соединяется с водородом, серой, кремнием, бором и многими металлами. Соединения металлов с углеродом называются карбидами.

Карбиды - кристаллические тела. Природа химической связи в них может быть различной. Так, многие карбиды металлов главных подгрупп I, II и III групп периодической системы представляют собой солеобразные соединения с преобладанием ионной связи. К их числу относятся карбиды алюминия Al4C3 и кальция СаС2.  При взаимодействии с водой эти карбиды (неорганические соединения) дают метан и ацетилен (органические соединения)

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

При взаимодействии карбида магния  Mg2C3  с водой получается более сложное органическое соединение пропин (метилацетилен) СH3-CºCH.

В карбидах кремния SiC и бора B4C связь меду атомами ковалентная. Эти вещества характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью и химической инертностью.

Большинство металлов побочных подгрупп IV-VIII групп образуют карбиды, связь в которых близка к металлической, вследствие чего эти карбиды в некоторых отношениях сходны с металлами, например, обладают значительной электрической проводимостью. Они характеризуются также высокой твердостью и тугоплавкостью; карбиды этой группы применяются в ряде отраслей промышленности.

Большинство ценных свойств чугунов и сталей обусловлены присутствием в них карбида железа Fe3C.

При растворении углекислого газа в воде образуется очень слабая  угольная кислота

CO2 + H2O = H2CO3

Равновесие этой реакции сильно сдвинуто влево, лишь очень небольшое количество растворенного углекислого газа превращается в угольную кислоту.

Со слабыми основаниями угольная кислота в большинстве случаев дает только основные соли. Встречающийся в природе минерал - (CuOH)2CO3    (основная соль), называется малахитом. Из солей угольной кислоты в природе распространен карбонат кальция CaCO3. Он встречается в виде известняка, мела и мрамора. В быту хорошо известен карбонат натрия-сода Na2CO3.  Сода - один из главных продуктов химической промышленности. Она в больших количествах потребляется стекольной, мыловаренной, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной и другими отраслями промышленности.  Карбонат калия, или поташ, К2СО3 применяется для получения мыла, при изготовлении тугоплавкого стекла, в фотографии.

При взаимодействии углекислого газа с аммиаком под давлением получают  карбамид (мочевину)

СO2 + 2NH3 = CO(NH2)2 + H2O

Он используется в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения. На основе карбамида получают карбамидные пластики.

24 Круговорот углерода в природе

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессефотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищуредуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2;растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

25

Кремний и его соединения

Второй представитель элементов главной подгруппы IV группы — кремний Si. В природе кремний — второй по распространенности после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. Наиболее распространенным соединением кремния является его диоксид SiO2, другое его название — кремнезем. В природе он образует минерал кварц (рис. 46) и многие разновидности, такие, как горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма — аметист, а также агат, опал, яшма, халцедон, сердолик, которые известны как поделочные и полудрагоценные камни. Диоксид кремния — это также обычный и кварцевый песок. Из разновидностей минералов на основе диоксида кремния — кремня, халцедона и других первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и не очень прочный камень, положил начало каменному веку — веку кремневых орудий труда. Причин этому две: распространенность и доступность кремня, а также его способность образовывать при сколе острые режущие края.

Второй тип природных соединений кремния — это силикаты. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты (понятно, что эти силикаты содержат алюминий). К алюмосиликатам относятся гранит, различные виды глин, слюды. Силикатом, не содержащим алюминий, является, например, асбест. Важнейшее соединение кремния — оксид SiO2 необходим для жизни растений и животных. Он придает прочность стеблям растений и защитным покровам животных. Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезем. Кремний придает гладкость и прочность костям человека. Кремний входит и в состав низших живых организмов — диатомовых водорослей и радиолярий, — нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойденные по красоте скелеты из кремнезема. Свойства кремния. Если вы пользуетесь микрокалькулятором с солнечной батарейкой, то, вероятно, имеете представление о кристаллическом кремнии. Это полупроводник. В отличие от металлов с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях и станциях устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния.

Кремниевые фотоэлементы могут превратить в электрическую до 10% поглощенной солнечной энергии. Кремний горит в кислороде, образуя известный уже вам диоксид кремния, или оксид кремния(1У): Si+ 02 = SiO2 Будучи неметаллом, при нагревании он соединяется с металлами с образованием силицидов, например: Si + 2Mg = Мg2 Si Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния — силан: Мg2 Si + 2Н2SO4 = 2MgSO4 + SiH4 В отличие от углеводородов силан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды: SiH4 + 202 = SiO2 + 2Н2О Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН4 объясняется тем, что у кремния больше размер атома, чем у углерода, поэтому химические связи —Н слабее связей С—Н. Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород: Si + 2NаОН + Н20 = Na2SiО3 + 2Н2 Кремний получают, восстанавливая его из диоксида магнием или углеродом. Оксид кремния(IV), или диоксид кремния, или кремнезем, как и С02, является кислотным оксидом. Однако в отличие от С02 имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решетку. Поэтому SiO2 твердое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах со щелочами с образованием солей кремниевой кислоты — силикатов.

Силикаты можно получить также сплавлением диоксида кремния с оксидами металлов или с карбонатами: SiO2 + СаО = СаSiO3

SiO2 + СаС03 = СаSiO3 + С02 Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы — это хорошо известный силикатный клей. Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот — соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота Н2SiO3: К2SiO3 + 2НСl = 2КСl + Н2SiO3 Следовательно, Н2SiO3 очень слабая кислота. Она нерастворима в воде и выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объем раствора, превращая его в полутвердую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество — силикагелъ, широко применяемый в качестве адсорбента — поглотителя других веществ. Применение кремния. Вы уже знаете, что кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углем при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твердости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней. Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении. Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой Nа20 • СаО • 6SiO2 Его получают в специальных стекловаренных печах сплавлением смеси соды, известняка и песка. Отличительная особенность стекла — способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании стекла. На этом основано производство посуды и других изделий из стекла.