탄소규소붕소의 화학적 성질:

⑴상온에서는 비활성이며 고온에서는 탄소 또는 활성 금속 Mg, Na 등과 반응할 수 있습니다.

점화

CO2+2Mg==2MgO +C

Δ

2Na+2CO2==Na2CO3+CO

⑵ (약한) 산성 산화물

CO2는 물에 용해되고, 수용액은 약산성이며 부분적으로 H2CO3로 전환됩니다.

CO2+H2O==H2CO3

알칼리 또는 알칼리성 산화물과 반응하여 염을 형성할 수 있습니다. NH3.H2O를 사용하여 흡수하세요. CO2를 사용하여 NH4HCO3(소형 질소 비료)을 생산합니다.

2. 탄산과 탄산염

⒈탄산

CO2는 물에 용해됩니다(용해도 1.45g/L ~ 0.033mol/L, 298K). 4%는 H2CO3로 변환되며, 대부분은 CO2.xH2O 수화물의 형태로 존재합니다.

H2CO3==H++HCO3- K1=4.2×10-7

HCO3- == H++CO32- K2=5.6×10-11

여기서 K1과 K2는 물에 용해된 모든 CO2를 H2CO3로 변환한 값을 기준으로 계산됩니다. 실제 농도에 따라 계산하면 K1 =2.4×10-4, K2=2.9×10-8이 위의 K값보다 훨씬 크다.

⒉탄산염

탄산은 중탄산염과 탄산염을 생성할 수 있으며 그 구조는 다음과 같습니다:

O - O2-

O─ C O─C

O─H O CO32-

HCO3-와 CO32-에서 C 원자는 sp2 혼성화 상태를 취하고 각 O 원자와 σ 결합을 형성하므로 두 이온 모두 평면 구조를 가지고 있습니다. HCO3-에서 C 원자는 CO32-의 나머지 2P 궤도를 사용하여 두 개의 비수산기 O 원자와 π34 결합을 형성하고, C 원자는 세 개의 O 원자와 π46 결합을 형성합니다.

속성:

⑴용해도

모든 중탄산염은 물에 용해되는 반면 일반 염의 경우 암모늄염과 알칼리 금속염만 물에 용해됩니다. 이온 사이의 상호 작용력(끌어당김)의 크기로 이해됩니다(알칼리 금속을 제외하고, 동일한 금속 원소로 형성된 중탄산염은 물에 용해되는 반면 일반 염은 물에 불용성입니다. 알칼리 금속의 중탄산염은 용해도보다 작습니다.

Ca2++CO32-==CaCO3 Ca2+ 및 CO32-와 같은 일반 염)은 높은 음이온 전하, 작은 r, 큰 격자 에너지 및 음이온과 양이온 간의 r 차이가 작습니다.

CaCO3+CO2+H2O==Ca(HCO3)2 Ca2+와 HCO3-는 음이온 전하가 낮고 r이 크고 격자 에너지가 작으며 음이온과 양이온의 r 차이가 큽니다.

CO32-의 수화 에너지는 HCO3-의 수화 에너지보다 큽니다. Ca(OH)2 용액(투명 석회 수용액)에 CO2를 도입하면 CO2가 먼저 침전됩니다. 계속 투입하면 침전물이 용해됩니다.

그러나 쉽게 녹는 (NH4)2CO3, K2CO3, Na2CO3 등의 산염인 NH4HCO3, NaHCO3, KHCO3의 용해도는 작습니다. 예를 들어, 포화될 때까지 CO2를 (NH4)2CO3의 농축 용액에 통과시키면 NH4HCO3 결정이 침전될 수 있습니다.

2NH4++CO32-+CO2+H2O==2NH4HCO3

이 용해도 이상은 결정의 수소 결합을 통한 HCO3-의 사슬 형성으로 인해 발생합니다

O O O O

C H C H C H

O O O O C

⑵가수분해성

탄산은 약산이며, 그 산이온은 가수분해 성질이 강하여, 가수분해 결과 용액이 알칼리성이 됩니다.

CO32-+H2O==HCO3-+OH-

HCO3-+H2O==H2CO3+OH-

용해될 때 금속염(알칼리 금속 및 NH4+ 염 제외) 용액에 탄산염을 첨가하면 반응 생성물(침전)에는 세 가지 상황이 있을 수 있습니다.

A 금속 이온은 가수분해되지 않고 알칼리성과 같은 탄산염을 생성합니다. 토금속 이온(Be2+ 제외).

Ca2++ CO32-==CaCO3

B. 금속 이온이 가수분해되면 수산화물의 용해도는 탄산염의 용해도보다 훨씬 작아서 수산화물을 형성합니다. (Al3+, Cr3+, Fe3+)

2Al3++3CO32-+3H2O==2Al(OH)3↓ +3CO2

금속 이온은 완전히 가수분해되고 생성물은 수산화물이다.

C. 금속 이온은 가수분해되며 수산화물의 용해도는 탄산염과 유사하여 염기성 탄산염을 형성합니다. (Cu2+, Zn2+, Pb2+, Mg2+ 등)

2Cu2++2CO32-+H2O==Cu2(OH)2CO3↓ +CO2

4Mg2+ + 4 CO32- + H2O = Mg(OH)2·3MgCO3↓+CO2↑

⑶열안정성

탄산염은 가열되면 금속산화물과 CO2로 분해될 수 있다(CO32-는 변형성이 크다).

BeCO3, ZnCO3, PbCO3 등과 같은 일부 금속 원소 탄산염은 가열되면 분해되는 반면, Na2CO3, K2CO3와 같은 다른 금속 원소 탄산염은 고온 용융 상태에서 크게 분해되는 것을 관찰할 수 없으며 탄산염은 분해됩니다. 가열 시 어려움은 양이온의 분극 강도와 관련이 있습니다. 탄산이온의 경우 O2-에 대한 C4+의 분극효과가 있다고 볼 수 있다. 양이온이 CO32-에 가까울 때 인접한 O2-에 대한 분극 효과를 역분극이라고 합니다. 양이온의 분극 효과가 강할수록 C4+에 연결된 O2-가 결합을 깨고 탄산염을 생성하기가 더 쉽습니다. 열분해.

일반적으로 M+의 경우 H+의 반경이 작고 M+보다 분극력이 크기 때문에 탄산염의 열안정성은

M2CO3>M(HCO3) 2> H2CO3

M2+의 분극력은 동일한 유형의 구성인 M+보다 크기 때문에 열 안정성도 낮습니다.

MCO3

일부 목록 탄산 소금 분해온도

BeCO3 373K ZnCO3573KPbCO3 588K

Be2+ 8e rsmall Zn2+ 18e Pb2+ 18+2e

CaCO3 1170KSrCO31462KBaCO31633K 8e

Li2CO31543KNa2CO3 매우 높음 K2CO3 매우 높음

§14-3 실리콘

실리콘과 탄소는 같은 족에 속하며 원자가 전자층 구성은 ns2np2이지만 세 번째에 있기 때문에 주기 r이 더 크고 원자가층의 3d 궤도를 사용할 수 있으므로 탄소와의 결합 특성이 확실히 다릅니다. ⑴ 가장 높은 배위수는 6(가자층의 3d 궤도를 활용)이며 공통 배위 숫자는 4입니다. ⑵ σ 결합만 사용됩니다. 함께 pπ-prπ 결합을 형성할 수 없습니다(더 큰 반경).

3-1 실리콘 원소

실리콘은 자연계의 점토나 모래 속에 다량으로 존재한다. 원소 실리콘의 성질은 금속과 비금속 원소의 중간에 있는 준금속(준금속, 반금속)이며 반도체를 만드는 재료입니다. 원소 실리콘은 비정질 실리콘과 결정질 실리콘의 두 가지 결정 형태를 가지고 있습니다. 결정질 실리콘은 다이아몬드 구조(sp3 혼성화)를 가지므로 녹는점이 높고 경도(7.0)가 높으며 상온에서 화학적으로 불활성입니다.

고순도 실리콘과 게르마늄은 모두 중요한 반도체 소재다. 이전에 배웠던 금속의 에너지 밴드 이론을 떠올려 보세요:

⑴ 주족 금속 원소의 ns 및 np 밴드는 중첩되고, 전이 금속의 (n-1)d는 ns 및 np와 중첩됩니다.

⑵ 절연체의 전도대는 완전히 비어 있고 원자가 전자가 전체 밴드를 채우고 전체 밴드와 전도대 사이의 금지대 Eg(ΔE)는 다음과 같습니다. ≥5eV;

⑶ 반도체의 전대역 및 전도대대 사이의 금지대 Eg(ΔE)는 ≤3eV(가시광선 λ400~760nm, 즉 3.1~1.77eV)이므로 반도체의 전도성은 빛에 노출되거나 가열되면 크게 증가할 수 있습니다. 예를 들어 Se 반도체 재료로 만든 셀레늄 광관은 빛 아래에서 전기 전도성이 거의 천 배 증가합니다.

⒈준비

산업계에서 코크스는 전기로에서 석영사를 환원하여 조규소를 생산하는 데 사용됩니다.

3273K

SiO2+ 2C==Si +2CO 조질 실리콘은 화학적 방법으로 변환됩니다.

723-773K

Si(조질) +2Cl2(g)====SiCl4(l)

또는

523-573K

Si(거친)+2HCl(g)====SiHCl3(l)+H2(g)

얻은 SiCl4 또는 SiHCl3는 증류 및 정제한 다음 H2로 환원하여 고순도 Si를 얻을 수 있습니다.

전기로

SiCl4+2H2==Si(순수) +4HCl

Mo 와이어로 만든 고순도 실리콘

도핑 ⑴ P, As, Sb, Bi가 소량의 VA로 도핑된 n형 반도체(전자 1개가 더 있음) ⑵ B는 소량의 IIIA, Al, Ga, In이 도핑되어 있습니다(전자가 하나 적고 양전하를 띠고 정공이 남음). 도핑의 효과는 예를 들어 감소시키는 것입니다. Si의 Eg는 소량의 P 원자를 포함시킨 후 약 0.044eV입니다.

컴퓨터 칩은 고순도 실리콘 제품이다. 보고에 따르면 칩(무게 10g)을 제조하는 데에는 고순도 HF, HCl, AsH3, PH3 등을 사용해야 하는 400가지 공정이 있습니다. 칩에 사용되는 폐산을 중화하려면 일정량의 잿물이 필요하며, 이는 환경 비용이 막대하므로 친환경 컴퓨터를 개발하기 위한 노력이 진행되고 있다.

단일 원자나 분자를 사용하여 새로운 물질이나 제품을 만드는 새로 개발된 나노기술입니다. 나노재료과학은 재료과학의 새로운 분야입니다. 물질의 구조단위로 보면 거시적인 물질과 미시적인 원자 및 분자 사이에 위치한다. 나노물질에서는 계면 원자가 큰 비율을 차지하며, 원자 배열이 서로 다르며, 계면 주변의 격자 구조는 서로 관련이 없어 결정 상태와 비정질 상태 모두 다른 새로운 구조 상태를 형성합니다.

나노재료에서는 나노결정질 입자와 그에 따른 높은 농도의 입자 경계가 두 가지 중요한 특징입니다.

나노결정 입자의 원자 배열은 더 이상 무한한 장거리 질서로 처리될 수 없습니다. 일반적으로 큰 결정의 연속적인 에너지 밴드는 분자 궤도에 가까운 에너지 준위로 분할됩니다. 입자 경계의 높은 농도와 입자 경계 원자의 특수 구조. 재료의 열악한 기계적 특성과 자기 특성, 유전성, 초전도성, 광학적 특성, 심지어 열역학적 특성의 변화로 이어집니다. 나노상 물질은 일반 금속, 세라믹, 기타 고체 물질과 동일한 원자로 구성되어 있지만, 이러한 원자가 나노 규모의 원자단으로 배열되어 이러한 신물질을 구성하는 구조 입자 또는 구조 단위가 됩니다. 기존 나노물질의 기본 입자는 직경이 100nm 미만이고 원자 수는 수만 개 미만입니다. 직경 3nm의 원자단에는 약 900개의 원자가 포함되어 있는데, 이는 영어로 거의 100만분의 1 주기에 해당합니다. 이 비율은 지구 전체에서 길이가 300m가 넘는 범선의 비율과 같습니다.

나노재료 연구는 현재 재료과학 연구의 핫스팟이며, 이에 맞춰 개발된 나노기술은 21세기 가장 유망한 과학연구 분야로 인식되고 있다.

⒉화학적 특성은 주로 비금속(비정질 - 비정질 실리콘)

⑴비금속과의 상호 작용

상온에서 F2와 반응하여 SiF4를 생성할 수 있음 . 고온에서 다른 할로겐 및 O2, N2, C 등과 같은 일부 비금속 원소와 반응할 수 있습니다. SiC 에머리, Si3N4 강한 결합 화합물, 귀중한 세라믹 재료.

⑵산과의 작용

Si는 산화제(HNO3, CrO3, KMnO4, H2O2 등)가 있을 때 HF산과 반응합니다.

3Si+4HNO3 + 18HF==3H2SiF6+4NO↑+8H2O

산화성 산과만 반응하면 "부동태화"되어 반응하지 않습니다.

⑶알칼리와의 반응

비정질 실리콘은 강알칼리와 반응하여 H2를 방출

Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑ 진한 알칼리 용액에서는 산성

(4) 특정 금속과 반응하여 FeSi2, Mo3Si 등과 같은 규화물을 형성합니다. 이러한 화합물의 조성식은 원소의 산화수와 관련이 없으며 비화학양론적 화합물입니다. .

3-2 실란

실리콘은 탄소와 유사하며 일련의 수소화물을 가지고 있습니다. Si─Si의 결합 능력(222kJ/mol)이 C보다 높기 때문입니다. ─C 결합(345.6kJ/mol) mol)이므로 수소화물은 탄소보다 훨씬 적으며 지금까지 일반 공식은

SinH2n+2(7≥n≥1)입니다. , 그 구조는 알칸의 구조와 유사합니다.

⒈준비

-4 +4

Mg2Si+4HCl==SiH4 +2MgCl2SiH4와 같은 금속 규화물과 산의 반응 모노실란과 기타 실란이 동시에 생성됩니다(Si의 원자가는 +4이고, Si의 전기음성도는 H 1.9<2.20 미만).

또는 강력한 환원제인 LiAlH4를 사용하여 할로겐화 규소를 감소시킵니다(예:

+3 -1 -3 +1

2Si2Cl6(l)+3LiAlH4). (s )==2Si2H6(g)+3LiCl(s)+3AlCl3(s)H-는 디에틸에테르에서 강한 환원성을 가지고 있습니다.

⒉속성

실란은 무색, 무취의 기체(SiH4) 또는 액체(Si2H6)이며 유기 용매에 용해되며 녹는점과 끓는점이 낮습니다.

화학적 특성: 상응하는 알칸보다 더 활성

⑴강한 환원 특성

O2 또는 기타 산화제와 격렬하게 반응할 수 있으며 공기 중에서 자연 발화할 수 있으며 제품은 이 반응은 많은 열을 방출합니다.

연소

SiH4+2O2==SiO2+2H2O △H°=-1430KJ/mol

SiH4 +2KMnO4==2MnO2 ↓ +K2SiO3+H2↑+H2O

SiH4+8AgNO3+2H2O==8Ag +SiO2↓ +8HNO3

후자의 두 반응은 실란을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다. .

⑵ 순수한 물에서는 가수분해되지 않으나 미량의 알칼리가 촉매로 존재하면 반응이 빠르고 격렬하게 진행된다

알칼리 δ- δ+

SiH4+(n+2)H2O==SiO2.nH2O↓ +4H2↑　 C-H

SiH4+3H2O==H2SiO3↓ +4H2↑　 δ+ δ-

SiH4+2OH -+H2O==SiO32- +4H2↑　Si-H

⑶낮은 열 안정성

적절하게 가열되면 고실란이 저실란으로 분해됩니다. SiH4)를 773K로 가열합니다. 위의 물질은 원소 실리콘과 H2로 분해되므로 이 반응을 통해 고순도 실리콘을 생산할 수 있습니다

>773K

SiH4===Si+ 2H2↑

⒊3 실리콘 할로겐화물 및 불화규산염

1. 할로겐화물

⒈준비:

①SiF4

석영 모래 SiO2 형석 CaF2 농축된 H2SO4로 가열

SiO2 + 2CaF2 + 2H2SO4 === SiF4↑ + 2CaSO4↓ + 2H2O

실리콘과 F2의 직접 결합

Si + 2F2 = == SiF4

②SiCl4

과거에는 석탄과 모래를 빨갛게 달구고 염소가스를 통과시켰다.

SiO2 + 2C + 2Cl2 === SiCl4↑ + 2CO ↑

요즘에는 실리콘이나 페로실리콘이 일반적으로 가열 상태에서 Cl2와 직접 반응하는 데 사용됩니다.

453-473K

Si + 2Cl2 === SiCl4

SiCl4 + 4NH3 + 2H2O=SiO2 + 4NH4Cl 군용 연막

연소

SiCl4 + H2+ O2 ===SiO2 + 4HCl

SiCl4와 H2를 혼합하고 공기 중에서 연소시켜 고무 충진재로 사용되는 SiO2 미세 분말을 얻습니다.

3SiCl4 + 2Al2O3=== 3 SiO2 + 4AlCl3 가열

SiCl4 + 2P2O5 === 3SiO2+ 4POCl3 가열

SiCl4 + 4SO3=== SiO2 + 2S2O5Cl2

⒉특성

가수분해성: (CCl4는 귀중한 층에 d 궤도를 갖고 있기 때문에 가수분해되지 않습니다.)

SiCl4 + 3H2O === H2SiO3↓ + 4HCl 따라서 습한 공기에서 담배를 피우기 쉽습니다

SiF4 + 3H2O === H2SiO3↓+4HF ┐3SiF4+3H2O===H2SiO3↓+2H2SiF6

SiF4 + 2HF= == H2SiF6 ┘

2. 불화규산염: H2SiF6은 강산이며 Li 및 Ca 염은 용해되는 반면 Na, K 및 Ba 염은 불용성입니다.

인산비료 생산: Ca3(PO)4 + H2SO4 === CaSO4↓ + Ca2(H2PO4)2

광석에 SiO2와 CaF2가 혼합되어 있기 때문에 인산비료를 생산할 수 있다. SiF4 유해 가스는 Na2SiF6의 불용성을 이용하여 Na2CO3 용액을 사용하여 SiF4를 흡수할 수 있습니다.

3SiF4 + 2Na2CO3 + 2H2O === 2Na2SiF6↓white + H4SiO4↓ + 2CO2↑

Na2SiF6은 살충제, 에나멜 필러 및 목재 부식 방지제로 사용할 수 있습니다.

3-4 산화규소

⒈실리카

천연 SiO2는 결정질과 비정질의 두 가지 범주로 나뉩니다. 결정질 실리카는 주로 석영 광물에서 발견되며 석영, 삼중암 및 크리스토발라이트의 세 가지 변형이 있습니다. 순수한 석영은 무색의 결정체이며, 크고 투명한 프리즘 석영은 수정체라고 불리며, 마노, 벽옥은 모두 불순물을 함유한 유색 결정체입니다. 모래는 불순물이 섞인 미세한 석영 입자이고, 규조토는 비정질 실리카입니다. SiO2는 구성의 가장 간단한 공식만을 나타내며 단일 분자는 없습니다.

결정질 SiO2는 원자 결정으로, 기본 구조 단위는 SiO4입니다. Si 원자는 sp3 혼성 상태를 가지며 사면체의 중심에 위치하며 ***가 단일 결합으로 4개의 O 원자가 사면체의 꼭지점 모서리에 위치합니다. O 원자를 통해 거대한 분자로 연결되어 있으므로 석영은 융점이 높고 경도가 높은 특성을 가지고 있습니다. 석영은 1873K에서 녹으면 더 이상 결정이 되지 않고 석영 유리와 일반 유리 모두 과냉각 액체입니다. 석영 유리의 기본 단위는 여전히 SiO4이지만 결정처럼 배열이 깔끔하지는 않습니다. 석영유리는 열팽창계수가 작아서 고온에 견디는 기구를 만드는 데 사용할 수 있고, 자외선도 투과시킬 수 있어 광학 기구나 광섬유를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

SiO2의 화학적 성질은 비활성이며 주요 반응은 다음과 같습니다.

⑴ 다음과 같은 고온에서 Mg, Al 및 B에 의해 환원될 수 있습니다.

⑴ p>

고온

SiO2+2Mg==2MgO+Si

⑵ F2 또는 HF 산(예:

SiO2+4HF)과 반응할 수 있음 ==SiF4↑ +2H2O (그래서 HF 산은 유리 용기에 담을 수 없습니다.)

⑶SiO2는 산성 산화물이므로 뜨거운 농축 알칼리 또는 용융 알칼리 또는 Na2CO3와 반응하여 규산염을 형성할 수 있습니다. 예를 들어

Δ

SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O

Na2SiO3 녹이기

SiO2+Na2CO3==Na2SiO3+CO2↑

따라서 알칼리 용액이 담긴 유리병은 유리마개를 사용하지 않고 고무마개를 사용합니다. 왜냐하면 (보통)유리는 규산염이기 때문입니다.

⒉규산

규산은 복잡한 조성을 지닌 흰색 고체로, 일반적으로 화학식 H2SiO3로 표시됩니다. SiO2는 물에 녹지 않기 때문에 규산은 가용성 규산염을 산과 반응시킴으로써만 만들어질 수 있습니다.

SiO44-+4H+==H4SiO4↓ H4SiO4는 불안정하고 자체적으로 응축될 수 있습니다.

H4SiO4는 오르토규산(Orthosilicic acid)이라고 하며, 탈수 후 반응 조건에 따라 일련의 산을 생성할 수 있습니다. 일반식은 xSiO2.yH2O입니다. 예를 들어

메타규산 H2SiO3 X=1Y=1

이규산염 H6Si2O7 X=2Y=3

삼규산염 H4Si3O8 X=3Y=2

디메타규산 H2Si2O5 X=2Y=1

메타규산은 가장 간단한 구성을 갖고 있기 때문에 H2SiO3는 규산을 나타내는 데 자주 사용됩니다. H2SiO3는 이원성 약산으로 K1=2×10-10, K2=1×10-12입니다. 물에서 규산의 침전은 단일 분자의 규산이 다중산으로 응축되어 졸을 형성하기 때문에 발생합니다. 졸에 전해질을 첨가하면 반고체이고 부드럽고 투명하며 탄력 있는 규산 겔을 생성할 수 있습니다. 겔을 완전히 세척하여 불순물을 제거하고, 건조 및 탈수하여 실리카겔이라는 다공성 고체를 형성합니다. 실리카겔은 건조제, 흡착제 및 촉매 담체로 사용됩니다. 실리카겔을 CoCl2 용액에 담그고 건조시킨 후 색상 변화에 따라 수분 흡수 정도를 판단할 수 있습니다(파란색은 무수물, 분홍색은 포화됨을 의미함).

⒊규산염

⑴규산나트륨

규산염 중에는 알칼리 금속 규산염만이 물에 용해됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 규산염은 규산나트륨으로, 이는 강알칼리성이며 약산성 염입니다. 가수분해는 용액을 알칼리성으로 만듭니다.

Na2SiO3+2H2O==NaH3SiO4+NaOH

2NaH3SiO4 ==Na2H4Si2O7 +H2O는 폴리규산염을 생성합니다

또는 2Na2SiO3+H2O==Na2Si2O5+2NaOH

규산나트륨의 공업적 생산은 석영모래, 황산나트륨 및 석탄 분말을 혼합하여 반사로에 넣습니다. 1373K~1623K의 온도에서 1시간 동안 반응시키면, 생성된 유리 블록은 조질의 규산나트륨이 됩니다. 조질의 규산나트륨은 수증기로 용해되어 일반적으로 물유리로 알려져 있습니다. 다양한 폴리실리케이트의 혼합물이며 화학적 조성은 Na2O.nSiO2입니다. 물유리는 건축 코팅, 접착제, 비누 세제 충진제, 실리카겔 및 분자체 생산과 같은 건설 산업 및 경공업에서 널리 사용됩니다.

1373~1623K

SiO2+Na2SO4+C====Na2SiO3+CO↑+SO2↑

Δ

SiO2+ 2NaOH ==Na2SiO3+H2O 압력솥에 삶아주세요.

Na2SiO3 녹이기

SiO2+Na2CO3==Na2SiO3+CO2↑

⑵천연 규산염

석면, 제올라이트, 운모, 활석 등 , 카올린(점토의 주성분), 장석, 석류석 등은 P580 표 14-5, P591 표 14-7에 나타나 있다.

⑶ 규산염 산업 소개

규산염 산업은 무기 화학 산업에 속하며 주요 제품 유형은 다음과 같습니다.

유리

일반 유리는 Na2CO3, CaCO3, SiO2를 녹여 얻은 규산나트륨과 규산칼슘의 혼합물입니다. 녹으면 CO2가 빠져나갑니다. 일반적인 유리 공식은 다음과 같습니다. SiO2:Na2CO3:CaCO3 = 100:40:25

다른 금속 산화물을 추가하면 다양한 색상의 유리를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 나트륨염 대신 칼륨염을 사용하여 유리를 만듭니다. 열적 특성에 대한 내성이 있는 경질 유리는 소다 유리(Pgrex 유형, 붕규산 유리)보다 높으며 SiO2의 일부를 B2O3로 대체하여 만들어지며 유리는 과냉각 액체입니다.

B. 세라믹

점토가 고온에서 수분을 잃은 후 일부 Si─O 골격이 재형성된 제품입니다.

C. 시멘트

점토와 석회석을 약 1723K까지 가열한 후 블록으로 소결한 후 분쇄하여 만듭니다. 알루미노규산염과 산화칼슘의 복잡한 혼합물입니다.

D. 제올라이트와 분자체

다공성 구조의 알루미노실리케이트이며, 구멍이 많아 흡착능력과 분자교환능력이 높다. , 대용량, 우수한 열 안정성, 반복 사용을 위해 활성화 및 재사용이 가능합니다. 분자체에는 천연 분자체(비석 분자체)와 합성 분자체(분자체)의 구조와 기공 크기에 따라 4A, 5A 등 다양한 모델이 있습니다.

현재 실리콘이 포함되지 않은 산화물 분자체도 있습니다. 분자체는 석유화학 산업에서 널리 사용됩니다.

§14-4 붕소

B는 2s22p1의 원자가 전자 구성, 4개의 원자가 궤도 및 3개의 원자가 전자를 갖는 IIIB족 원소입니다. 결합 궤도는 다음과 같습니다:

sp3 혼성화 4배위 BF4-, BH4-

sp2 혼성화 3배위 BCl3, B(OH)3

B 여기 상태

결합 특성: ⑴ 원자가, 원자가 화합물 형성 ⑵ 전자 부족, 빈 궤도함수는 공여 전자쌍을 받아들여 σ 결합 또는 다중심 결합을 형성합니다. ⑶ 다면체 습관, 결정질 붕소 및 많은 붕소 화합물 다면체 구조를 가지고 있습니다.

다중심 결합은 더 많은 원자와 더 적은 전자가 결합하여 형성된 일종의 원자가 결합을 말합니다.

1. 원소 붕소는 결정성 붕소와 비정질 붕소로 구분됩니다. 결정성 붕소는 금속성 외관을 지닌 검은색 고체입니다. 이들은 모두 B12 정이십면체를 기본 구조 단위로 사용합니다(이 정이십면체는 12개의 꼭지각과 20개의 정삼각형으로 구성됩니다). , 각 꼭지점에 하나의 붕소 원자가 있음)은 서로 다른 연결 방법과 서로 다른 결합으로 인해 서로 다른 결정 유형을 형성합니다. 결정성 붕소는 원자 결정체이므로 단단하고 녹는점과 끓는점이 높으며 화학적으로 불활성입니다. 비정질 붕소는 갈색 분말이며 화학적 특성이 더 활성입니다.

준비: Δ

B2O3+Al==Al2O3+2B(갈색, 무정형) 거친 붕소는 실리콘 준비와 유사합니다.

Δ

B2O3+Mg(분말)==3MgO+2B 거친 붕소

Δ

2B+3Br2==2BBr3

1273~1473K

2BBr3+3H2====2B(결정)+6HBr

비정질 붕소의 주요 특성은 다음과 같습니다.

⑴산소와 반응하다

973K

4B+3O2==2B2O3 ΔH°=-2887KJ/mol 불꽃 녹색

B─O 결합 에너지 561─690KJ/ 몰. B가 O와 높은 친화력을 가지므로 B가 많은 산화물에서 산소를 추출하는 환원제 역할을 할 수 있다는 것은 반응의 형성열과 결합 에너지 데이터에서 볼 수 있습니다.

⑵다른 비금속과의 반응

상온에서 F2와 반응하여 BF3를 얻고, 가열하면 Cl2, Br2, S, N2와 반응하여 BCl3, BBr3을 얻을 수 있습니다. , B2S3 및 BN은 각각 H2와 직접 반응하지 않습니다. BN은 무기 흑연이라고 합니다

(3) 산화성 산(규소와 다름)에 의해 산화될 수 있습니다.

농축 HNO3, 농축 H2SO4 및 왕수와 같은 산화성 산은 B를 산화시킬 수 있습니다.

B+3HNO3==H3BO3+3NO2↑

2B+3H2SO4 (농축)==2H3BO3+3SO2↑

⑷강알칼리의 효과는 다음과 같습니다. 실리콘의 것

2B+6NaOH(용융)==2Na3BO3+3H2↑

⑸금속과의 반응

고온에서 거의 모든 금속과 반응하여 형성될 수 있음 금속과 반응하는 금속 붕소화물 규화물은 Nb3B4, Cr4B 등과 같은 비화학양론적 화합물이기도 합니다.

II. 보란과 디보란의 분자 구조

B와 H2는 직접 반응하지 않습니다. 보란은 실란과 유사한 방식으로 제조될 수 있습니다.

Mg3B2+ 4H3PO4 =2Mg3(PO4)2+B4H1H2

4BCl3+3LiAlH4=3LiCl+3AlCl3+2B2H6

알칸, 실란, 보란은 모두 조성이 비슷하지만 실란과 보란은 물리적, 화학적 특성이 더 가깝습니다. 보란은 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 일반식 BnHn+4이고 다른 하나는 BnHn+6입니다. 전자 유형은 상대적으로 안정적입니다. 다음은 B2H6을 예로 들어 보란의 구조적 특성과 특성을 소개합니다.

⒈디보란의 분자 구조

B2H6 분자에는 14개의 원자가 궤도가 있으며, 그 중 B 원자는 SP3 혼성화 상태를 취하고 두 B 원자는 8개(SP3 혼성화 상태)를 갖습니다. ) 오비탈, 6개의 H 원자는 6개의 원자가 오비탈(1S 오비탈)을 가지나 원자가 전자의 수는 12개에 불과하고 두 개의 B 원자는 각각 3개의 원자가 전자를 가지며 4개의 원자가 오비탈 중 하나는 비어 있는 오비탈, 각각 6개 H 원자는 원자가 전자 1개에서 원자가 전자 6개를 가지므로 B2H6는 전자가 부족한 분자입니다.

이 분자에서는 두 개의 B 원자가 각각 2개의 H 원자와 2개의 B─H 결합을 형성합니다. 이 4개의 B─H 결합은 8개의 원자가 전자를 사용하고, 4개의 B─H 결합은 동일한 평면에 있으므로 4개의 원자가 전자가 2개를 형성합니다. 두 개의 B 원자와 다른 두 개의 H 원자 사이의 위 평면에 수직인 3중심 2전자 결합: 하나는 평면 ​​위에 있고 다른 하나는 평면 ​​아래에 있으며, 각 3중심 A 2전자 결합은 하나로 구성됩니다. H 원자와 두 개의 B 원자가 2개의 전자를 사용합니다. 이 수소 원자는 다리 모양의 구조를 가지고 있는데,

H

이 B 원자 두 개를 연결합니다. B B (3C─2e)로 나타낼 수 있다. 결합도와 오비탈 채우기는 다음과 같다.

H

따라서 디보란에는 B─라는 두 종류의 결합이 있다. H(2C─2e 노멀 σ 결합) 붕소 수소 결합 및 B B(3C─2e) 수소 가교 결합.

B B

고보란에는 유사한 B B 개방형 붕소 브리지 결합과 B B 폐쇄형 붕소 브리지 결합이 있습니다.

⒉디보란의 화학적 성질

강한 환원성

연소

B2H6+3O2==B2O3+3H2O ΔH°= -2166KJ/ mol

B2H6+6X2==2BX3+6HX X=할로겐

가수분해

B2H6+6H2O==2H3BO3↓ +6H2↑

열 안정성

열은 높은 보란으로 변환될 수 있습니다(373K 이하에서 안정함). 주요 생성물은

가압

2과 같은 다양한 조건에서 다릅니다. B2H6==B4H1H2↑

고보란의 특성은 597페이지의 표 14-9에 나와 있습니다.

디에틸 에테르에서 B2H6와 LiH 사이의 상호 작용은 보다 환원성이 높은 복합체를 생성할 수 있습니다.

디에틸 에테르에서

2LiH+ B2H6==2LiBH4 리튬 보로하이드라이드

p>

LiBH4는 에테르에 불용성이며 물이나 에탄올에 용해됩니다. 용액에는 BH4-가 있어 환원성이 매우 높고(H- 제공) 선택성이 높으며 투여량이 적고 조작이 간단하며 측면이 거의 없습니다. 온도에 대한 특별한 요구 사항이 없으므로 유기 화학 물질에 자주 사용됩니다.

붕소-수소 복합체에 대해서는 P600 4-4를 참조하세요.

3. Halide BX3 각각은 의 단일 p 전자와 쌍을 이루는 단일 전자를 가지고 있습니다. 분석 이유는 sp2 혼성 오비탈 평면에 수직인 2pz 오비탈은 X 원자의 npz 오비탈로부터 전자를 받아들여 배위 π 결합을 형성할 수 있는 빈 오비탈이고, π64 결합의 형성은 다음과 같을 수 있다고 생각된다. 존경받는. (BH3 비교)

⒉준비: SiX4 준비와 동일

예: B2O3 + 3CaF2 + 3H2SO4 === 2BF3 + 3CaSO4 + 3H2O

Δ p>

B2O3 + 3C + 3Cl2 === 2BCl3 + 3CO↑

X2와 직접 반응할 수도 있습니다.

⒊속성: B의 전자 결핍으로 인해 루이스 산처럼 행동하고 H2O, HF, NH3, 에테르, 알코올 및 아민의 배위 원자에서 전자쌍을 받아들일 수 있습니다.

가수분해: 4BF3 + 3H2O === H3BO3 + 3HBF4

동등함: BF3 + 3H2O === H3BO3 + 3HF

BF3 + HF === HBF4

BF3는 소량을 물에 통과시켜 가수분해되며 1:1 또는 1:2 부가물을 형성할 수도 있습니다.

붕소의 염소, 브롬 및 요오드 화합물은 빠르게 분해됩니다. 완전히 가수분해됨

BCl3 + 3H2O === H3BO3 + 3HCl

BCl3 + H2O → H2OBCl3 → HOBCl2 + HCl

2H2O └――――→B (OH)3 + 2HCl

참고: SiCl4 가수분해는 원자가층 d 궤도를 사용하는 반면 BCl3는 전자 결핍 특성으로 인해 발생합니다.

BF3 + NH3 === BF3.NH3

BF3는 유기 합성 및 화학 산업에서 매우 유용한 촉매제입니다. 미국에서는 매년 4000T의 BF3를 생산합니다.

IV. 붕산 및 붕산염

⒈붕산

붕산에는 H3BO3(양성), HBO2(편향) 및 사붕산과 같은 다붕산 xB2O3.yH2O가 포함됩니다. 산성 H2B4O7 등

구조:

오르토붕산 H3BO3의 기본 구조 단위는 BO3입니다.

H3BO3 결정에서 각 B 원자는 3개의 SP2 하이브리드 오비탈을 사용하여 3개의 수산기 산소 원자와 σ 결합을 사용하고, 각 O 원자도 수소 결합을 사용하여 다른 H3BO3 단위의 H 원자와 결합하여 층 구조를 형성합니다. P602 그림 14-2):

O

B

O O

층 사이에 존재하는 반 데르 발스 힘은 서로를 끌어당깁니다. (폴리붕산에는 BO3 구조 단위(평면 삼각형) 외에 두 개의 기본 구조 단위, 즉 사면체 구조를 갖는 BO4 구조 단위도 있습니다.)

속성: H3BO3는 백색 박편형 결정입니다. .. 기름진 느낌이 있어 윤활제로 사용할 수 있습니다. 분자 결합으로 인해 냉수에서의 용해도는 매우 작습니다. 가열되면 결정의 일부 수소 결합이 끊어져 용해도가 증가합니다.

⑴가열분해

422K

H3BO3===HBO2+H2O

578K

HBO2== =B2O3+H2O

⑵) H3BO3는 1가 약산, Ka=6×10-10

H H 가산성

O O -

HO─B +:OH2 ────> HO─B←OH +H+

O <;──── O

H H

따라서 수용액이 산성인 것은 분자 내의 수산기가 O─H 결합을 끊어 H+를 생성하기 때문이 아니라 B가 전자가 부족한 원자이고 B(OH)3가 루이스 산으로 작용하여 전자를 받기 때문입니다. H2O 분자의 O 원자 쌍으로 인해 H2O가 생성됩니다. 분자에서 O─H는 결합을 끊고 H+를 이온화합니다. 이는 B(OH)3(OH-의 첨가)의 부가성의 표현입니다.

H3BO3의 전자 결핍 특성을 이용하여 H3BO3에 글리세롤(글리세롤)이나 만니톨(만노스와 포도당은 분자식은 비슷하지만 구조식은 다름)과 같은 폴리하이드록시 화합물을 첨가하면 생성된 복합체를 만들 수 있는 물질을 보여줍니다. 강한 산도(강한 일염기산의 특성)이며 강염기로 적정할 수 있습니다:

R R R

H─C─OH H─C─O O─C─H -

2 │ +H3BO3= │ B │ +3H2O+ H+

H─C─OH H─C─O O─C─H

R R R

산물-1가 이온은 크기가 크고 음전하가 분산되어 H+이온에 대한 인력이 약해져서 산도가 높아진다.

⑶붕산염 라디칼 식별: 농축된 H2SO4 존재 하에서 H3BO3와 메탄올 또는 에탄올에 의해 생성된 휘발성 붕산염 에스테르의 연소에 고유한 녹색 불꽃을 사용하여 H2SO4(농축)를 식별합니다.

H3BO3+ 3CH3OH==B(OCH3)3+3H2O

⑷ 알칼리 H3BO3와 반응하여 강염기인 NaOH로 중화하여 NaBO2를 얻습니다

H3BO3+NaOH==NaBO2+2H2O

테트라보레이트는

4 H3BO3+ 2NaOH+3H2O==Na2B4O7.10H2O

붕사

⑸와 같은 약알칼리성 조건에서 생성됩니다. NaOH 첨가)

H3BO3+H2O2+NaOH+H2O=NaBO2.H2O2.3H2O

NaBO2.H2O2.3H2O, 교과서에는 NaBO3.4H2O로 표기된 것을 과잉 붕산나트륨이라고 합니다. 실제로는 과수소화물입니다. NaBO3.4H2O는 무색 결정으로 세탁 세제의 표백제로 사용됩니다(산화 특성을 활용).

준비:

H3BO3의 용해도가 낮기 때문에 붕산염과 산 사이의 반응은 붕산을 침전시킵니다. 따라서 붕산염과 산을 사용하여 붕산을 제조할 수 있습니다. 예를 들어 산업적으로는 보로나이트와 H2SO4를 사용하여 H3BO3를 생성합니다.

Mg2B2O5.H2O+2H2SO4==2 H3BO3 +2MgSO4

⒉ 붕산 염

알칼리 금속 붕산염을 제외한 붕산염은 기본적으로 물에 녹지 않습니다. 가장 일반적으로 사용되는 붕산염은 붕사 Na2B4O7.10H2O입니다. 붕사 결정에서는 [B4O5(OH)4]2- 이온이 수소 결합으로 연결되어 사슬 구조를 형성하고, 사슬은 Na+를 통해 이온 결합으로 연결되며, 사슬 사이에는 8개의 물 분자가 존재하므로 그 구조에 따라 , 분자식은 Na2B4O5(OH)4.8H2O로 써야 합니다.

[B4O5(OH)4]2-는 폴리보론산의 산성이온으로 그 구조단위는 평면삼각형 BO3와 사면체 BO4를 포함한다(P604 그림 14-12 참조)

오

O─B─O 2-

HO─B O B─OH

O─B─O

오< /p >

붕사의 산업적 제조:

⑴ 농축 알칼리 용액으로 보로나이트 분해

Mg2B2O5.H2O+2NaOH==2NaBO2+2Mg(OH)2↓

농축된 NaBO2 용액에 CO2를 부어 용액의 알칼리도를 낮추고 NaBO2를 붕사로 전환합니다.

4NaBO2+CO2+10H2O==Na2B4O5(OH)4.8H2O+Na2CO3

그런 다음 결정화하고 분리하여 붕사를 얻습니다.

⑵ 탄산나트륨으로 콜레마나이트 끓이기

Ca2B6O11.5H2O + 2Na2CO3 == Na2B4O7.10H2O +2NaBO2 +2CaCO3 연습 15⑵

속성:

⑴ 건조한 공기 중에서 풍화(즉, 결정수를 잃음)한 후 623~673K에서 무수염이 되며 재가열하면 유리로 되고 녹고 냉각하면 유리질의 물질이 된다.

⑵ 용융 상태에서 특정 금속 산화물을 용해시켜

Na2B4O7+CoO==2NaBO2.Co(BO2)2 사파이어 색상과 같은 특징적인 색상의 붕사 유리를 생성할 수 있습니다.

p>

분석 화학에서 붕사의 이러한 특성은 특정 금속 이온을 식별하는 데 사용됩니다. 이 방법을 붕사 비드 테스트라고 합니다. 이 특성은 에나멜 산업 및 유리 산업에서 표면을 제거하는 데 사용됩니다. 산화물.

⑶ 가수분해가 더 쉽다

B4O5(OH)42-+5H2O==2H3BO3+2B(OH)4-

제품에서 알 수 있듯이 , 붕사 가수분해는 동일한 양의 약산과 그 염을 생성하므로 용액은 완충 효과가 있습니다. 0.01mol.L-1 붕사 용액 pH=9.18 (pH=pKa).

⑷NH4Cl과 반응하여 BN을 얻습니다

Δ

Na2B4O7+2NH4Cl==2NaCl+B2O3+2BN(백색) +4H2O

IV. 붕소와 규소의 성질 ​​유사성

B와 Si는 서로 다른 족에 속하지만 주기율표에서 인접한 족의 대각선 위치에 있습니다. (Si4+는 이온 분극이 높습니다. 일부 충전하지만 반경이 큽니다. B3+는 전하가 낮지만 반경이 작으므로 속성에 많은 유사점이 있습니다.

⒈원소 결정은 모두 융점이 높은 원자 결정입니다. 결합 강도와 관련이 있습니다.

⒉자연계에서 산소 함유 화합물로 존재합니다.

⒊기본 물질(비정질)은 강한 알칼리와 반응하여 H2를 방출합니다.

2B+2NaOH+2H2O==2NaBO2+3H2↑

Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+ 2H2↑

반응은 결합 에너지가 낮은 Si─Si 및 B─B 결합이 결합 에너지가 높은 Si-O 및 B-O 결합으로 변환되는 것과 관련이 있습니다.

Si─Si 222B─B293±21 Si─O452B─O561─690KJ/mol

⒋할로겐화물은 완전히 가수분해되어 B─O, Si─O 결합을 포함하는 화합물을 생성합니다(Silicic 산, 붕산)

⒌둘 다 일련의 수소화물을 가지고 있으며 수소화물은 휘발성이고 불안정합니다.

⒍산은 약산이며 옥소산염은 가수분해되기 쉽습니다

⒎ 다중산과 다중산을 쉽게 형성할 수 있음