Карбиды и силициды
Соединения углерода и кремния с металлами — карбиды и силициды, помимо рассмотренных реакций получают также взаимодействием кремния с гидридами металлов, например:
2СаН2 + Si = Са2Si + 2Н2↑.
Все эти реакции протекают при высоких температурах. Среди карбидов выделяют так называемые «метаниды» и «ацетилениды». Первые рассматривают как производные метана, содержащие углерод в степени окисления -4 (Ве2С, Аl4С3), вторые — как производные ацетилена со степенью окисления углерода -1 (Li2С2, Аg2С2, Сu2С2, СаС2). Ацетилениды серебра и меди (I) могут быть легко получены при пропускании ацетилена через аммиачный раствор оксида серебра или хлорида меди (I). Большинство метанидов и ацетиленидов активно реагируют с водой (тем более с кислотами), выделяя соответствующие углеводороды:
СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2↑,
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3↓ + 3CH4↑,
Аg2С2 + 2НСl = 2АgСl↓ + С2Н2↑.
В отличие от карбидов, с водой и кислотами взаимодействуют лишь силициды щелочных или щелочноземельных металлов, выделяя простейшее водородное соединение кремния моносилан, которое чаще всего называют просто силан SiН4:
Са2Si + 4НСl = 2СаСl2 + SiН4↑.
Силан — бесцветный газ, имеющий запах плесени, самопроизвольно воспламеняющийся на воздухе, сгорая до SiO2 и воды:
SiН4 + 2О2 = SiO2 + 2Н2О.
Щелочи очень легко разлагают силан по уравнению:
SiН4 + 2КОН + Н2О = К2SiO3 + 4Н2↑,
вода также гидролизует силан, но значительно медленнее:
SiН4 + 2Н2О = SiO2 + 4Н2↑.
При нагревании выше 400 °С без доступа воздуха силан распадается на кремний и водород (один из способов получения кремния):
SiН4 = Si + 2Н2↑.
Кроме моносилана, известны также дисилан Si2Н6, трисилан Si3Н8, тетрасилан Si4Н10 и т.д. В индивидуальном состоянии выделены соединения лишь до Si6Н14 включительно. Все эти соединения относятся к гомологическому ряду силанов, которым отвечает общая формула SinН2n+2. Подобно алканам, силаны бесцветны, первые члены гомологического ряда при обычных условиях газообразны, следующие — жидкости. Химическая активность силанов и углеводородов различна: в противоположность достаточно инертным алканам, силаны весьма реакционноспособны. Это объясняется меньшим по сравнению с углеродом сродством кремния к водороду и очень большим сродством кремния к кислороду. К тому же связи Si—Si менее прочны, чем связи С—С. В отличие от связи С-Н связь Si-Н имеет более ионный характер.
Энергии связей Si-Э и С-Э.
Связь |
Энергия связи, кДж/моль |
Связь |
Энергия связи, кДж/моль |
Si-H Si-Si Si-O Si-C |
334 213 443 313 |
С-Н С-С С-О С—Si |
410 347 357 313 |
Малой прочностью связи Si—Si обусловлена ограниченность гомологического ряда силанов.
Среди карбидов и силицидов особое место занимает карборунд SiC, который можно назвать как карбидом кремния, так и силицидом углерода. Карборунд имеет высокую температуру плавления, благодаря алмазоподобной структуре; его твердость близка к твердости алмаза. Химически SiC очень стоек.