Глава 8. Химия неметаллов

Лабораторная работа № 19

Получение и свойства СОЕДИНЕНИЙ неметаллов

Цель работы: ознакомиться со способами получения и химическими свойствами соединений р-элементов III, IV и V групп периодической таблицы Д.И. Менделеева.

Теоретическая часть

Простые вещества относятся к металлам и неметаллам в зависимости от типа химической связи между атомами. Для металлов характерна металлическая связь, для неметаллов – ковалентная. Как нет резкого различия между металлической и ковалентной связью, так и не может быть резкого различия между металлическими и неметаллическими простыми веществами.

Инструментальные и абразивные материалы, используемые для механической обработки металлов, отличаются от конструкционных (металлических) материалов большей механической прочностью, твердостью, термической и химической стойкостью. Такие свойства имеют вещества, кристаллические решетки которых относятся к атомному типу. Атомный тип кристаллических решеток встречается у элементарных веществ и простых соединений, образованных химическими элементами промежуточного характера, к которым относятся бор, углерод, кремний, германий, сурьма. Электрические свойства веществ, образованных последними тремя элементами, дали возможность использовать их также и в качестве полупроводниковых материалов.

Свойства конструкционных и инструментальных материалов очень сильно зависят от температуры и других условий. Эти зависимости инженеру необходимо хорошо знать, поскольку разнообразные машины, приборы, аппараты и сооружения эксплуатируются в условиях широкого диапазона температур, а иногда и в сильно агрессивных средах.

Бор

Бор в свободном состоянии встречается в виде двух видоизменений -кристаллического и аморфного. По твердости среди элементарных веществ кристаллический бор занимает второе место после алмаза. Аморфный бор представляет собой порошок коричневого цвета.

При высоких температурах бор взаимодействует с кислородом, образуя оксид бора B₂O₃. При взаимодействии оксида бора с водой образуется слабая борная ортокислота В₂О₃ +3Н₂О=2Н₃ВО₃.

Соли борной кислоты называются боратами. Тетрабораты, соли тет-раборной кислоты Na₂B₄O₇, образуются при нейтрализации борной орто-кислоты растворами щелочей

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇+7Н₂О.

Тетраборат натрия образует с 10 молекулами воды кристаллогидрат Na₂B₄O₇  10 H₂O, называемый обычно бура.

Нитрид бора BN существует в гексагональной и кубической сингонии. Кубический нитрид бора (боразон) благодаря своей исключительной твердости имеет перспективное значение как инструментальный материал.

Углерод

Углерод встречается в виде трех модификаций – алмаз, графит и карбин. Каждая из них отвечает определенному типу гибридизации электронных орбиталей в атомах углерода. При sp³-гибридизации орбиталей образуется кристаллический полимер углерода с атомной координационной кубической решеткой – алмаз. Вследствие sp³-гибридизации электронных орбиталей каждый атом углерода в алмазе образует равноценные прочные -связи с четырьмя соседними атомами углерода (рис.1).

Такая структура полимера объясняет очень высокую твердость алмаза, отсутствие у него электронной проводимости и крайне низкую энтропию (S_алмаз =2,4 Дж /(моль-К)) по сравнению с другими модификациями углерода.

При sp²-гибридизации орбиталей образуется кристаллический полимер углерода с гексагональной сложной структурой – графит (рис.2).

sp-гибридизация электронных орбиталей в атоме углерода приводит к возникновению прямолинейных цепочек, в которых каждый атом углерода способен к образованию двух - и двух -связей. В образовании -связей участвуют гибридные sp-орбитали, а -связей - негибридизованные р-орбитали. Кристаллический полимер описанной структуры – карбин. Это черный порошок с плотностью меньшей, а энтропией большей, чем у графита и алмаза. Карбин – полупроводник.

0,142 нм

0,35 нм

Рис.1. Кристаллическая решетка алмаза Рис. 2. Кристаллическая решетка графита

Своеобразная структура кристаллов графита обуславливает его мягкость, на этом основано его применение в качестве смазочного материала. Между трущимися деталями машин графит измельчается в тончайшие чешуйки, устилающие неровности и облегчающие скольжение трущихся поверхностей.

От смазочных масел графит выгодно отличается относительной термической и химической стойкостью.

Из графита изготавливают различные детали машин, подшипники, поршневые кольца и др. Его применяют как материал для аппаратов химических и металлургических производств теплообменников, тиглей для тугоплавких сплавов и др.

Алмаз благодаря своей исключительной твердости приобрел важное значение как инструментальный материал. С помощью алмазных резцов и сверл обрабатывают различные твердые материалы, окончательно обрабатывают поверхности наиболее ответственных деталей авиационных и автомобильных двигателей. Алмазным инструментом обрабатывают цветные металлы и особо твердые сплавы. Специально ограненные алмазы применяют в качестве деталей очень точных приборов. Алмазный порошок как абразивный материал используют для тонкой обработки различных твердых материалов. Для этого из стали (или меди) изготовляют алмазные круги, в поверхность которых втирается алмазный порошок на специальной цементирующей связке.

Из соединений углерода особое место занимают карбиды.

Карбиды – это соединения углерода с металлами, кремнием, бором. Карбиды щелочных, щелочноземельных элементов (ацетиленида) представляют собой солеподобные соединения с ионным типом связи между углеродом и элементом (кратность связи между атомами углерода равна трем). Поэтому при их взаимодействии с водой образуется ацетилен

СаС₂+2Н₂О = Са(ОН)₂+ С₂Н₂.

Карбиды алюминия и некоторых других активных металлов также разлагаются водой с образованием углеводородов

Al₄C₃+ 12H₂O = 4 Al(ОН)₃+ ЗСН₄.

Ацетилениды меди (Cu₂С₂), серебра (Ag₂C₂), золота (Au₂C₂), ртути (HgC) при ударе и нагревании разлагаются со взрывом. Карбиды d-элементов IV-VII групп и группы железа относятся к металлоподобным соединениям, у которых в узлах кристаллических решеток находятся ионы металла, а в пустотах решеток – атомы углерода. Эти соединения имеют интерметаллидный характер переменного состава и характеризуются электрической проводимостью, высокими твердостью и температурой плавления. Например t_пл ТаС равна 3900 ^оС, а сплава (HfC – 20 % и ТаС-80 %) – 4400 °С. Карбиды обладают химической стойкостью. Так, карбиды тантала, ниобия и гафния не реагируют даже с царской водкой.

Карбиды кремния SiC, бора B₄S представляют собой ковалентные соединения и обладают высокой твердостью, жаро- и химической стойкостью.

Карбиды используются в качестве абразивных материалов (B₄S), огнеупоров (B₄S, ТаС), полупроводниковых материалов (В₄С), металлокера-мических твердых сплавов (W₂S, TiC, ТаС), как легирующие добавки при получении жаропрочной стали. Карбид кальция СаС₂ применяется для получения ацетилена.