Тема 5.8. Інструментальні й абразивні матеріали

План

1. Бор і його сполуки.*

1. Карбон, його алотропні модифікації.*
2. Сполуки Карбону.*
3. Використання сполук Бору і Карбону в техніці.

1. Бор порівняно мало поширений у природі; загальний вміст його в земній корі становить близько 10^-3%. До головних природних сполук бору належать борна кислота H₃BO₃ і солі борних кислот, з яких найбільш відома бура Na₂B₄O₇∙10H₂O.

Вільний бор добувають відновленням борного ангідриду В₂О₃ магнієм. При цьому бор виділяється у вигляді аморфного порошку, забрудненого домішками. Чистий кристалічний бор добувають термічним розкладанням або відновленням його галогені дів, а також розкладанням водневих сполук бору. Він має чорний колір і серед простих речовин за твердістю поступається тільки алмазу.

Хоч бор розміщений у ІІІ групі ПС, він за своїми властивостями найбільше подібний до елемента ІV групи – кремнію. У цьому виявляється «діагональна подібність». Так, бор, подібно до кремнію, утворює слабкі кислоти, які не виявляють амфотерних властивостей. Як і кремній, бор утворює сполуки з металами, багато з яких мають велику твердість і високу температуру плавлення.

Вода не діє на бор; концентровані сульфатна і нітратна кислоти окислюють його в борну кислоту:

B + 3HNO₃ → H₃BO₃ + 3NO₂

При кімнатній температурі бор сполучається лише з фтором, на повітрі не окислюється. Якщо нагріти аморфний бор до 700ºС, то він займається і горить: 4B + 3O₂ → 2B₂O₃

При високій температурі бор сполучається з багатьма металами, утворюючи бориди.

Найбільшого практичного значення мають оксигеновмісні сполуки бору: В₂О₃ – кислотний оксид, кислоти – Н₃ВО₃ (ортоборна) і Н₃ВО₂ (метаборна), бура.

2. Карбон у природі перебуває у вільному стані і у вигляді численних сполук.

У вільному стані карбон відомий у вигляді алмазу, що кристалізується в кубічній системі, і графіту, що належить до гексагональної системи. Такі форми його, як деревне вугілля, кокс, сажа, мають невпорядковану структуру. Синтетично добуто карбін і полікумулен – різновидності вуглецю, що складаються з лінійних ланцюгових полімерів типу …−С≡С−С≡С−… або …=С=С=С=… Карбін має напівпровідникові властивості. При сильному нагріванні без доступу повітря він перетворюється у графіт.

Алмаз – безбарвна, прозора речовина, яка сильно заломлює світлові промені. Він кристалізується в кубічній гранецентрованій решітці. При цьому одна половина атомів розміщується у вершинах і центрах граней одного куба, а друга – у вершинах і центрах граней другого куба, зміщеного відносно першого у напрямі його просторової діагоналі. Атоми карбону в алмазі перебувають у sp³-гібридному стані і утворюють тривимірну тетраедричну сітку, у якій вони зв’язані один з одним ковалентними зв’язками. З усіх простих речовин алмаз має максимальне число атомів, що припадають на одиницю об’єму, - атоми карбону «упаковані» в алмазі дуже щільно. З цим, а також з великою міцністю зв’язків у вуглецевих тетраедрах. Пов’язане те, що за твердістю алмаз переважає всі відомі речовини.

Якщо алмаз сильно нагріти без доступу повітря, то він перетворюється на графіт.

Графіт – темно-сірі кристали з слабким металічним блиском. Він має шарувату решітку. Всі атоми карбону перебувають у стані sp²-гібридизації: кожний з них утворює три ковалентні σ-зв’язки з сусідніми атомами, причому кути між напрямами зв’язків дорівнюють 120º. В результаті виникає плоска сітка, складена з правильних шестикутників, у вершинах яких розміщені ядра атомів карбону. Сусідні шари зв’язані між собою в основному силами Ван дер Ваальса, але частково зв'язок має металічний характер (цим пояснюється порівняно висока електро- і теплопровідність графіту). Окремі шари атомів у кристалі графіту, зв’язані між собою порівняно слабко, легко відокремлюються один від одного (цим пояснюється мала механічна міцність графіту)

«Аморфний» вуглець (вугілля) складається з дрібнесеньких кристаликів з невпорядкованою структурою графіту. Найважливіші технічні сорти вугілля: кокс, деревне вугілля, кісткове вугілля та сажа.

3. При низьких температурах вугілля, графіт і особливо алмаз інертні. Якщо їх нагрівати, то активність збільшується: вугілля легко сполучається з киснем і є добрим відновником. При дуже високих температурах вуглець сполучається з воднем, сіркою, кремнієм, бором і багатьма металами.

Карбон може утворювати 2 типи оксидів: СО – несолетворний і СО₂ – кислотний, якому відповідає слабка нестійка карбонатна кислота Н₂СО₃.

4. Алмаз широко застосовують у промисловості: майже 80% добутих алмазів використовують для технічних цілей (для обробки різних твердих матеріалів, буріння гірських порід). Завдяки своїй електропровідності графіт застосовується для виготовлення електродів. З суміші графіту з глиною роблять вогнетривкі тиглі для плавлення металів. Змішаний з мастилом графіт є чудовим мастильним засобом.

Ізотоп ¹⁰В сильно поглинає повільні нейтрони, тому бор і його сполуки застосовуються в ядерній техніці. З них виготовляють регулювальні стержні реакторів.

Карбід бору має дуже високу твердість і хімічну стійкість, тому його використовують для обробки твердих сплавів.

Буру застосовують в процесі зварювання, різання і паяння металів.

Контрольні запитання:

1. Дайте характеристику бору.
2. Охарактеризуйте алотропні модифікації карбону.
3. Особливості хімічних властивостей вуглецю.
4. Застосування бору і вуглецю.

 

Література:

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия, 1979. – Гл. ХХ, §217, с. 630-633; Гл. ХV, § 153, с. 432-436.