Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Алюминий образует со многими металлами интерметаллиды (CuAl2, Ni3Al, CoAl, Ti3Al и т. д.). Интерметаллиды алюминия используются при разработке сплавов со специальными свойствами. Многие интерметаллиды и другие соединения Ga, In, Т1 имеют полупроводниковые свойства и используются в радиоэлектронике (InSb, GaAs, А1Р), обладая различными потенциалами возбуждения («ширина запрета»).
13.3. р-ЭЛЕМЕНТЫ IVA-ГРУППЫ
В IVA-группу периодической системы элементов Д. И. Менделеева входят следующие р-элементы: углерод С, кремний Si, германий Ge, олово Sn и свинец РЬ. Из этих пяти элементов только последние два по их физическим свойствам можно отнести к металлам. Свой
410
ства р-элементов IV группы изменяются с увеличением главного квантового числа п и порядкового номера 1. Несмотря на сильное различие их химических и физических свойств, все они являются у л е кт р о н и ы м и а н а л о га м и.
Распределение электронов в атомах р-элементов 1УА-группы показано в табл. 13.6.
л и и а 13.6. Распределение электронов у р-элементов IV группы
Эле
М 141 г /1 Эдектро III ы с у рои II и п подуровни
2,1 Яр з</ 4 к Ар А(1 4[ 5𠦕« 6р
С 81
Ое Бп РЬ 6 14 32 50 82 2 3 4 5 6 2 2 2 2 2 2 6 6 6 6 2 2 2 2 2 6 6 6 10 10 10 2
2 2 2 6 6 10 10 0 14 '2 2 2
6 10 0 0 2 2 —
Общая электронная формула этих элементов Б2р2, они вступают в химические реакции после возбуждения атома (я'р3) и гибридизации орбиталей (</4). Атом углерода, обладая значительной энергией электронов на внешнем, валентном, уровне, кроме полной гибридизации дает и ее промежуточные формы, что нехарактерно для других элементов 1УА-группы. Элементы с большим значением главного квантового числа /? = 5 или 6 (Бп, РЬ) дают соединения, отвечающие высшей степени окисления, менее устойчивые и обладающие окислительными свойствами.
Физико-химические характеристики атомов р-элементов IV группы приведены в табл. 13.7.
Т а б л и ца 13.7. Некоторые физико-химические свойства р-элементов IV группы
Эле-МО ИТ / Электронна» формул» Радиус, им Потенциал ионизации, В Элек-троот-рн цате дикость Электродный потенциал, В Удельное сопротнпление, Ом • см
А" л'-1
с 6 2«22р2 0,077 0,02 11,26 2,55 _ 1012 алмаз
7 • 10"'1 графит
81 14 Зя23р2 0,117 — 0,039 8,15 1,9 — 3,3 • 105
Ое 32 0,122 0,065 0,044 7,9 2,0 — 50
Бп 50 5х'*5р3 0,158 0,102 0,067 7,34 1,8 -0,136 11,3 • 10~б
РЬ 82 6а26р2 0,175 0,126 0,076 7,417 1,8 -0,126 19,0 • Ю-6
Как следует из данных табл. 13.7, р-элементы 1УА-группы можно разделить на неметаллы С, 51, Ое и металлы Эп и РЬ. Химические свойства углерода см. гл. 15. Кремний и германий — классические элементарные полупроводники, их свойства см. § 13.4. Однако, поскольку кремний широко применяется в металлургии черных и цветных металлов, а также в строительстве в виде кисло
411
родных соединений, он будет рассмотрен ниже как химический элемент, дающий целый ряд ценных соединений, и как полупроводник.
Нахождение в природе и получение в свободном виде кремния, германия, олова и свинца. Кремний встречается в многочисленных горных породах, в состав которых входит в виде оксида 8Ю2. Он является после кислорода самым распространенным элементом в земной коре: 27,6% (мае). Остальные элементы встречаются в гораздо меньших количествах, % (мае): ве 2-Ю-4, Бп 4-Ю-3 и РЬ 1,6-10 3. К тому же германий является «рассеянным» элементом, не образует минералов, а является спутником других элементов.
Кремний Б1 получают из его оксида БЮ2 в двух формах: в виде ферросилиция, который применяется в черной металлургии, и в виде свободного кремния.
Получение ферросилиция сводится к совместному восстановлению 8102 и Ре203 оксидом углерода и твердым углеродом с образованием сплава, содержащего до 80% 81, 3—4% С, а остальное — железо. Этот сплав используют при выплавке сталей, а также для изготовления химической аппаратуры ввиду его большой устойчивости к коррозионным процессам.
Чистый кремний получают восстановлением кварцевого песка 8Ю2 с помощью металлотермии:
ЗБЮа + 4А1-ч-2А12Оа + ЗБг, БЮа + 2Мй^2М§0 + 51
Полученный продукт содержит примеси восстановителей, но может быть от них очищен, так же как и от побочных продуктов (силициды металлов). Углеродом восстанавливать кремний нельзя, так как будет получаться весьма устойчивый карбид кремния — карборунд БЮ. Для технических целей чистота кремния, полученного таким способом, достаточна, для полупроводников требуется сложная специальная очистка.
Германий йе получают из отходов металлургического производства других металлов (пыль из электрофильтров, некоторые шлаки). В конечном итоге получают Ое02, потом его переводят в ОеС14, тщательно очищают, а затем восстанавливают водородом:
ОеС14 + Н2->ОеС12 + 2НС1; 2аеС12->ОеС14 + йе
Полученный в результате диспропорционирования германий подвергают специальной очистке для полупроводниковых материалов.
Олово Бп получают из его природного соединения касситерита, или оловянного камня Бп02, которое легко восстанавливается углеродом:
