פרק 4. הקבוצת הפחמן (carbon group)

4.1. אפיון כללי של תת-הקבוצה של הפחמן

בתת-הקבוצה של הפחמן נכללים פחמן, צורן, גרמניום, בדיל ועופרת. אלה יסודות p מקבוצה IV של המערכה המחזורית של ד”י מנדלייב. באטומיהם, ברמה החיצונית, ארבעה אלקטרונים — ns²np² (סעיף 2 בטבלה 4.1), מה שמסביר את הדמיון בתכונותיהם הכימיות. את המבנה האלקטרוני של הרמות החיצוניות של אטומי שני היסודות הראשונים בתת-הקבוצה ניתן להציג כך:

פחמן (n=2):   2s [↑↓]   2p [↑][↑][ ]

צורן (n=3):   3s [↑↓]   3p [↑][↑][ ]   3d [ ][ ][ ][ ][ ]

במצב בלתי מעורר יש לאטומיהם שני אלקטרונים בלתי מזווגים. מכיוון שלאטומי כל תת-הקבוצה יש ברמה החיצונית אורביטלים פנויים, במעבר למצב מעורר נפרדים אלקטרוני תת-הרמה s. בתרכובות מפגינים יסודות תת-הקבוצה של הפחמן מספר חמצון +4 ו-−4, וכן +2, כאשר האחרון הופך אופייני יותר עם עליית מטען הגרעין. עבור פחמן, צורן וגרמניום אופייני ביותר מספר החמצון +4, עבור עופרת — +2. מספר החמצון −4 בטור C—Pb הופך פחות ופחות אופייני. חלק מתכונות יסודות תת-הקבוצה של הפחמן מובאות בטבלה 4.1.

טבלה 4.1. תכונות יסודות תת-הקבוצה של הפחמן

תכונה	C	Si	Ge	Sn	Pb
1. מספר סידורי	6	14	32	50	82
2. אלקטרוני ערכיות	2s²2p²	3s²3p²	4s²4p²	5s²5p²	6s²6p²
3. אנרגיית יינון, eV	11.3	8.2	7.9	7.3	7.4
4. אלקטרושליליות יחסית	2.50	1.74	2.02	1.72	1.55
5. מספר חמצון בתרכובות	+4, +2, −4	+4, −4	+4, +2, −4	+4, +2	+4, +2
6. רדיוס אטום, nm	0.077	0.134	0.139	0.158	0.175

יסודות תת-הקבוצה של הפחמן יוצרים תחמוצות בנוסחה הכללית RO₂ ו-RO, ותרכובות מימן בנוסחה RH₄. להידראטים של התחמוצות הגבוהות של פחמן וצורן תכונות חומציות, להידראטים של שאר היסודות — תכונות אמפוטריות, כאשר התכונות החומציות בולטות יותר בהידראטים של גרמניום, והבסיסיות — בהידראטים של עופרת. מפחמן לעופרת פוחת חוזק תרכובות המימן RH₄. CH₄ הוא חומר יציב, ואילו PbH₄ לא בודד במצב חופשי. בתת-הקבוצה, עם עליית המספר הסידורי, פוחתת אנרגיית היינון של האטום, וגדל רדיוס האטום (סעיפים 3 ו-6 בטבלה 4.1), כלומר התכונות האל-מתכתיות נחלשות, והמתכתיות מתחזקות.

4.2. פחמן (carbon) ותכונותיו

הימצאות בטבע. בטבע נמצא הפחמן במצב חופשי בצורת יהלום, גרפיט וקרבין, ובתרכובות — בצורת פחם אבן ופחם חום, ונפט. הוא נכלל בהרכב קרבונטים טבעיים: אבן גיר, שיש, גיר CaCO₃, מגנזיט MgCO₃, דולומיט MgCO₃·CaCO₃. הוא המרכיב העיקרי בחומרים אורגניים. תכולת הפחמן בקרום כדור הארץ היא 0.1%. באוויר נמצא פחמן דו-חמצני.

תכונות פיזיקליות. לצורות האלוטרופיות של הפחמן — יהלום, גרפיט וקרבין — תכונות פיזיקליות שונות מאוד. הדבר מוסבר במבנה הסריגים הגבישיים שלהן.

יהלום (diamond) הוא חומר גבישי חסר צבע בעל סריג אטומי. אטומי הפחמן בגבישי היהלום נמצאים במצב היברידיזציה sp³ (ראו כימיה כללית 3.2). הם מחוברים בקשרים קוולנטיים בלתי קוטביים חזקים. כל אטום פחמן ביהלום מוקף בארבעה אטומים אחרים, הממוקמים ביחס אליו לכיוון פינות הטטרהדרון ממרכזו (ארבעה קשרי σ, איור 4.1). כל זאת קובע את הקשיות היוצאת דופן, הצפיפות הרבה (3.5 g/cm³) ותכונות אופייניות נוספות של היהלום. לכן הוא נמצא בשימוש נרחב לחיתוך זכוכית, קידוח סלעים והשחזת מינרלים קשים במיוחד. היהלום מוליך חום בצורה גרועה, וכמעט אינו מוליך זרם חשמלי. דגמים טהורים שלו שוברים אור בעוצמה רבה (זוהרים). לכן מייצרים מיהלומים תכשיטים (יהלומי-ברק).

מרבצים גדולים של יהלומים טבעיים מנוצלים במדינות שונות בעולם — ברוסיה (יקוטיה), בוצוואנה, דרום אפריקה, הרפובליקה הדמוקרטית של קונגו, קנדה ועוד. היהלומים המלאכותיים הראשונים סונתזו ב-1954 במעבדות חברת General Electric (ארה”ב); בעשורים שלאחר מכן פותח ייצור תעשייתי של יהלומים סינתטיים מגרפיט בלחץ ובטמפרטורה גבוהים במדינות רבות.

גרפיט (graphite) הוא חומר גבישי בצבע אפור כהה בעל ברק מתכתי חלש, שמנוני למגע. אטומי הפחמן בגבישי הגרפיט נמצאים במצב היברידיזציה sp² (ראו כימיה כללית 3.2). הם מאוחדים בשכבות שטוחות, המורכבות ממשושים סדירים (איור 4.2). בהן כל אטום פחמן מחובר בקשרים קוולנטיים חזקים לשלושה אטומים שכנים (שלושה קשרי σ).

הקשרים מכוונים זה לזה בזווית של 120°. האלקטרון הרביעי של הערכיות של כל אטום בשכבה נותר נייד, כמו במתכת, ויכול לעבור מאטום פחמן אחד לאחר. בזכות אלקטרונים אלה נוצר קשר מתכתי. בכך מוסברת המוליכות החשמלית הטובה של הגרפיט (אך גרועה יותר מזו של מתכות), וכן מוליכות החום שלו והברק המתכתי.

המרחק בין השכבות בגרפיט גדול למדי (0.335 nm), וכוחות האינטראקציה ביניהן חלשים יחסית (אלה בעיקר כוחות בין-מולקולריים). לכן הגרפיט מתפצל לקשקשים דקים, החזקים מאוד כשלעצמם. הקשקשים נדבקים בקלות לנייר.

הגרפיט משמש לייצור עופרות עפרונות, וכן אלקטרודות (באלקטרוליזה תעשייתית). בתערובת עם שמנים טכניים משמש כחומר סיכה: קשקשיו מיישרים אי-סדירויות בפני השטח המסוכים. מכיוון שהוא עמיד לחום ונושא היטב שינויי טמפרטורה חדים, מתערובת גרפיט וחרסית מייצרים כלי היתוך למטלורגיה. הגרפיט משמש גם בכורים גרעיניים כמאט נייטרונים.

מרבצים גדולים של גרפיט מנוצלים ברוסיה, סין, הודו, ברזיל, מדגסקר ובמדינות נוספות רבות. פותח גם ייצור מלאכותי של גרפיט מקוקס.

קרבין (carbyne) הוא אבקה מיקרו-גבישית בצבע שחור. צורות המתפרשות כקרבין הוכנו לראשונה בשנות ה-60 של המאה ה-20 על ידי כימאים סובייטיים (וו”י קסטוצ’קין, א”מ סלדקוב, יו”פ קודריאבצב ואחרים); בהמשך דווח על גילוי מבנים דמויי-קרבין גם בדגימות טבעיות מסוימות. גבישי הקרבין, לפי תפיסה זו, מורכבים משרשראות ליניאריות של אטומי פחמן, המחוברות בקשרים יחידים ומשולשים לסירוגין:

$\dots -C\equiv C-C\equiv C-\dots$

בקשיותו עולה הקרבין על הגרפיט, אך נופל בהרבה מהיהלום. בעל תכונות מוליך למחצה. בחימום ל-2800°C ללא גישת אוויר הוא הופך לגרפיט.

נציין כי מעמדו של הקרבין כצורה אלוטרופית עצמאית של פחמן נותר עד היום נושא לוויכוח מדעי: חלק מהחוקרים סבורים שקיומן של שרשראות פחמן ליניאריות יציבות ומורחבות במצב חופשי אינו מוכח בקפדנות מספקת.

הפחמן הטבעי כיסוד מורכב משני איזוטופים: ¹²C (98.892%) ו-¹³C (1.108%). מלבד זאת, באטמוספרה מתגלות תערובות זעירות של האיזוטופ הרדיואקטיבי ¹⁴C, המוכן בדרך מלאכותית ונמצא בשימוש נרחב במחקר מדעי.

פחם. בפירוק תרמי של תרכובות פחמן נוצרת מסה שחורה — פחם, ומשתחררים תוצרים נדיפים. הפחם הוא למעשה גרפיט טחון דק. הסוגים החשובים ביותר של פחם הם קוקס, פחם עץ ופיח.

קוקס (coke) מתקבל בחימום פחם אבן ללא גישת אוויר. משמש במטלורגיה כמחזר.

פחם עץ (charcoal) מתקבל בהפחמת עץ (חימום ללא גישת אוויר או בגישה מועטה של אוויר). משמש בתעשיית המטלורגיה, בכורי נפחות, להכנת אבקת שריפה שחורה, לספיגת גזים, וכן בבית.

פיח (soot) מתקבל מפחמימנים (גז טבעי, אצטילן, טרפנטין ועוד) בשריפתם בגישה מוגבלת של אוויר (או בפירוק תרמי בהיעדר אוויר). משמש כמילוי בייצור גומי, וכן להכנת צבעים שחורים (דיו דפוס, דיו סיני) ומשחת נעליים.

זכוכית פחמן (glassy carbon) היא דוגמה לקיום הפחמן בצורה אמורפית. אף היא מתקבלת בפירוק תרמי של תרכובות פחמן. בעלת תכונות ייחודיות: חוזק פיזיקלי רב, צפיפות נמוכה, מוליכות חשמלית, עמידות בחום ועמידות לסביבות תוקפניות. לכן משמשת לייצור מכשור לסביבות תוקפניות מאוד, וכן בתעופה ובחלל.

אדסורפציה. לפחם (בעיקר פחם עץ) יכולת אדסורפציה גבוהה.

אדסורפציה (adsorption) נקראת תכונתם של פחם וחומרים מוצקים או נוזליים אחרים להחזיק על פני שטחם אדים, גזים וחומרים מומסים.

חומרים שעל פני שטחם מתרחשת אדסורפציה נקראים אדסורבנטים (adsorbents). חומרים הנספגים נקראים אדסורבטים (adsorbates). אם, למשל, מנערים תמיסת דיו עם פחם טחון דק, ולאחר מכן מסננים את התערובת, יהיה בפילטרט נוזל חסר צבע — מים. במקרה זה כל הצבע המומס נספג על ידי הפחם. הפחם הוא אדסורבנט, הצבע — אדסורבט.

בטכנולוגיה משמשים כאדסורבנטים אלומוסיליקטים, שרפים סינתטיים וחומרים נוספים.

יכולת האדסורפציה של הפחם נובעת מנקבוביותו. ככל שיש יותר נקבים, כך גדול יותר פני השטח של הפחם, וכך גדולה יותר יכולת האדסורפציה. בדרך כלל, נקבי פחם העץ מלאים חלקית בחומרים שונים, מה שמפחית את יכולת האדסורפציה שלו. להגברת האדסורפציה מבצעים בפחם עיבוד מיוחד — מחממים אותו בזרם קיטור מים, כדי לשחרר את נקביו מחומרים מזהמים. פחם המעובד בדרך זו נקרא פחם פעיל.

פחם פעיל נמצא בשימוש נרחב לטיהור סירופ סוכר מתערובות המקנות לו גוון צהוב, לטיהור שמנים וחלבונים צמחיים. ברפואה משמשות טבליות פחם פעיל (הידועות גם בשם “קרבולן”) להוצאת חומרים מזיקים מהגוף. פחם פעיל משמש במסכות גז לספיגת חומרים רעילים.

תכונות כימיות. בטמפרטורה רגילה, הפחם אינרטי מאוד. פעילותו הכימית ניכרת רק בטמפרטורות גבוהות. כמחמצן, הפחם מגיב עם מתכות ואל-מתכות מסוימות. תרכובות הפחמן עם מתכות נקראות קרבידים (carbides). למשל:

$4Al+3C\to A{l}_4{C}_3\text{(aluminum carbide)}$

חשיבות מעשית רבה יש לקרביד הסידן, המתקבל בחימום סיד CaO וקוקס בכבשנים חשמליים:

$CaO+3C\to Ca{C}_2+CO\text{(calcium carbide)}$

עם מימן, בנוכחות זרז ניקל ובחימום, יוצר הפחם מתאן — המרכיב העיקרי של גזים דליקים טבעיים:

$C+2H_2\to C{H}_4$

אולם לפחם אופייניות יותר תגובות שבהן הוא מפגין תכונות מחזרות. זה מתרחש בשריפה מלאה של פחמן מכל צורה אלוטרופית:

$C+O_2\to C{O}_2$

הפחם מחזר ברזל, נחושת, אבץ, עופרת ומתכות נוספות מתחמוצותיהן, מה שמנוצל בהיקף נרחב במטלורגיה בהפקת מתכות אלה. למשל:

$2ZnO+C\to 2Zn+C{O}_2$

תכונה כימית חשובה מאוד של הפחמן היא יכולת אטומיו ליצור קשרים חזקים ביניהם — שרשראות פחמן (ראו כימיה אורגנית).

4.3. תחמוצות פחמן. חומצה פחמתית (carbonic acid)

ידועות שתי תחמוצות פחמן: CO ו-CO₂.

תחמוצת פחמן (II). תחמוצת פחמן (II) CO נוצרת בתהליך שריפת פחם בחוסר חמצן. בתעשייה מכינים אותה בהעברת פחמן דו-חמצני מעל פחם לוהט בטמפרטורה גבוהה:

$C{O}_2+C\to 2CO$

בתנאי מעבדה מכינים תחמוצת פחמן (II) בפעולת חומצה גופרתית מרוכזת על חומצה פורמית בחימום (החומצה הגופרתית שוללת מים):

$HCOOH\underset{\Delta }{\overset{H_{2}S{O}_4}{\to }}{H}_{2}O+CO\uparrow$

תחמוצת פחמן (II) היא גז חסר צבע, חסר ריח, רעיל ביותר. התכולה המותרת של CO בחללי ייצור היא 0.03 mg ל-1 L אוויר. בכמויות מסוכנות לחיים היא נמצאת בגזי הפליטה של רכב. לכן על מוסכים לאוורר היטב, בעיקר בהתנעת מנועים. בטמפרטורות גבוהות, תחמוצת פחמן (II) היא מחזר חזק. היא מחזרת מתכות רבות מתחמוצותיהן. למשל:

$CO+CuO\to Cu+C{O}_2$

תכונה זו של תחמוצת פחמן (II) מנוצלת בהתכת מתכות מעפרות. באוויר, תחמוצת פחמן (II) בוערת בלהבה כחולה, ומשתחרר חום רב:

$2CO+O_2\to 2C{O}_2,\Delta H°=-572\text{ kJ}$

לכן, יחד עם גזים נוספים, היא נכללת בהרכב סוגי דלק גזי מסוימים — גז מחולל וגז מים. בתחמוצת פחמן (II) ערכיות הפחמן שווה שלוש, ומספר החמצון של הפחמן +2. הסבר לכך ראו כימיה כללית 3.10.

תחמוצת פחמן (IV). תחמוצת פחמן (IV) CO₂ (או פחמן דו-חמצני) נוצרת בטבע בשריפה ובריקבון של חומרים אורגניים. נמצאת באוויר (חלק נפחי 0.03%), וכן במעיינות מינרלים רבים. משתחררת בנשימת בעלי חיים וצמחים.

בתנאי מעבדה, CO₂ מתקבל בפעולת חומצה מלחית על שיש:

$CaC{O}_3+2H^{+}\to C{a}^{2+}+H_{2}O+C{O}_2\uparrow$

בתעשייה, תחמוצת פחמן (IV) מתקבלת בקליית אבן גיר:

$CaC{O}_3\to CaO+C{O}_2\uparrow$

את נוסחת המבנה של מולקולת CO₂ ניתן להציג כך: O=C=O. לה צורה ליניארית. הקשר בין הפחמן לחמצן קוטבי, אולם הודות לסידור הסימטרי של הקשרים, מולקולת CO₂ עצמה בלתי קוטבית (ראו כימיה כללית איור 3.13, א).

תחמוצת פחמן (IV) היא חומר גזי חסר צבע. היא כבדה פי 1.5 מאוויר, ולכן ניתן להעבירה מכלי לכלי. אינה תומכת בשריפה ובנשימה. גזיר דולק כבה בה, ובני אדם ובעלי חיים נחנקים בריכוז גבוה של תחמוצת פחמן (IV). לעיתים קרובות היא מצטברת בכמויות מסוכנות במכרות, בורות ומרתפים.

CO₂ מתנזל בטמפרטורת החדר בלחץ 6 MPa. במצב נוזלי הוא מאוחסן ומובל בבלוני פלדה. בפתיחת ברז הבלון, תחמוצת הפחמן (IV) הנוזלית מתאדה, מה שגורם לקירור חזק, וחלק מהגז עובר למסה דמוית שלג. תחמוצת פחמן (IV) מוצקה נקראת קרח יבש (dry ice).

תחמוצת פחמן (IV) מפגינה תכונות של תחמוצת חומצית: מגיבה עם מים ותמיסות בסיסים. בטמפרטורת החדר, בנפח מים אחד מתמוסס בערך נפח אחד של CO₂. בכך נוצרת חומצה פחמתית. התגובה הפיכה:

$C{O}_2+H_{2}O\rightleftharpoons H_{2}C{O}_3$

שיווי המשקל מוסט בעוצמה לעבר חומרי המוצא, כלומר רק כמות קטנה מאוד מה-CO₂ המומס הופך לחומצה. באינטראקציה עם תמיסות בסיסים נוצרים מלחים:

$C{O}_2+2NaOH\to N{a}_{2}C{O}_3+H_{2}O$

CO₂ בטמפרטורות גבוהות מפגין תכונות מחמצנות: מגיב עם פחם ומתכות פעילות. למשל:

$C{O}_2+C\to 2CO$ $C{O}_2+2Mg\to 2MgO+C$

סרט מגנזיום מוצת בוער באטמוספרת פחמן דו-חמצני.

תחמוצת פחמן (IV) משמשת בייצור סודה, סוכר, לגזזוז מים ומשקאות, ובמצב נוזלי — במטפי כיבוי. קרח יבש משמש לאחסון מוצרים מתכלים.

חומצה פחמתית. חומצה פחמתית קיימת רק בתמיסה. בחימום היא מתפרקת לתחמוצת פחמן (IV) ומים. במולקולת החומצה הפחמתית, אטומי המימן מחוברים לאטומי החמצן. בהיותה דו-בסיסית, היא עוברת דיסוציאציה מדורגת. תחילה:

$H_{2}C{O}_3\rightleftharpoons H^{+}+HC{O}_3^{-}$

ולאחר מכן, במידה קטנה מאוד:

$HC{O}_3^{-}\rightleftharpoons H^{+}+C{O}_3^{2-}$

חומצה פחמתית משתייכת לאלקטרוליטים חלשים.

4.4. מלחי החומצה הפחמתית

חומצה פחמתית יוצרת שני סוגי מלחים: ניטרליים — קרבונטים, וחומציים — הידרוגן-קרבונטים (ביקרבונטים). הם מפגינים את התכונות הכלליות של מלחים. קרבונטים והידרוגן-קרבונטים של מתכות אלקליות ואמוניום מסיסים היטב במים.

מלחי החומצה הפחמתית הם תרכובות יציבות, אף שהחומצה עצמה בלתי יציבה. ניתן להכינם באינטראקציה של החומצה עם בסיס. בשל ההידרוליזה, לתמיסות של קרבונטים של מתכות אלקליות ואמוניום תגובה בסיסית:

$C{O}_3^{2-}+H_{2}O\rightleftharpoons HC{O}_3^{-}+O{H}^{-}$

קרבונטים של מתכות אלקליות-עפרוריות דלי-מסיסות במים. הידרו-קרבונטים, לעומת זאת, מסיסים. הידרו-קרבונטים נוצרים מקרבונטים, תחמוצת פחמן (IV) ומים:

$CaC{O}_3+C{O}_2+H_{2}O\to Ca(HC{O}_3{)}_2$

ברתיחת תמיסות של הידרו-קרבונטים, הם הופכים לקרבונטים:

$Ca(HC{O}_3{)}_2\stackrel{\Delta }{\to }CaC{O}_3\downarrow +H_{2}O+C{O}_2$

החשיבות המעשית הרבה ביותר יש למלחי החומצה הפחמתית הבאים.

קרבונט נתרן Na₂CO₃, שמות טכניים: סודה, סודה פחמתית. זוהי אבקה לבנה, מסיסה היטב במים. מתמיסה מימית היא מתגבשת בצורת קריסטלוהידרטים Na₂CO₃·10H₂O, וכן Na₂CO₃·7H₂O ו-Na₂CO₃·H₂O. קריסטלוהידרטים אלה נקראים סודה גבישית. בקלייה נוצרת סודה חסרת מים, או קלצינית, Na₂CO₃ (מהמילה קלצינציה — קלייה). מהסודה הקלצינית מכינים סוגים נוספים שלה: הגבישית, השתייתית. הסודה משמשת בייצור זכוכית, סבון, נייר, ובבית — כחומר ניקוי וכו’.

הידרו-קרבונט נתרן NaHCO₃, שמות טכניים: סודה שתייתית, סודה דו-פחמתית. זוהי אבקה לבנה, דלת-מסיסות במים. בחימום (עד 100°C) היא מתפרקת בקלות:

$2NaHC{O}_3\to N{a}_{2}C{O}_3+H_{2}O+C{O}_2\uparrow$

הסודה השתייתית משמשת ברפואה (נלקחת פנימית נגד צרבת), בבית, לייצור מים מינרליים מלאכותיים וציוד כיבוי, בקונדיטוריה ובאפייה.

קרבונט אשלגן K₂CO₃, או פוטש, הוא אבקה לבנה, מסיסה היטב במים. נמצא באפר צמחים. משמש בייצור סבון נוזלי, זכוכית אופטית עמידה בחום, פיגמנטים.

קרבונט סידן CaCO₃ נמצא בטבע בצורת גיר, שיש ואבן גיר, המשמשים בבנייה. מאבן גיר מכינים סיד ותחמוצת פחמן (IV).

תגובה איכותית ליון קרבונט. התגובה החשובה ביותר ליון קרבונט CO₃²⁻ היא פעולת חומצות מינרליות מדוללות — מלחית או גופרתית. בכך, בליווי בעבוע, משתחררים בועות של תחמוצת פחמן (IV), שבהעברתן דרך תמיסת הידרוקסיד סידן (מי סיד) הופכת התמיסה עכורה כתוצאה מיצירת CaCO₃:

$C{O}_3^{2-}+2H^{+}\to C{O}_2\uparrow +H_{2}O$

ולאחר מכן

$C{O}_2+C{a}^{2+}+2O{H}^{-}\to CaC{O}_3\downarrow +H_{2}O$

בעודף CO₂, העכירות נעלמת:

$CaC{O}_3+C{O}_2+H_{2}O\to C{a}^{2+}+2HC{O}_3^{-}$

4.5. צורן (silicon) ותכונותיו

הימצאות בטבע. צורן, אחרי חמצן, הוא היסוד הנפוץ ביותר על כדור הארץ. הוא מהווה 27.6% ממסת קרום כדור הארץ. בטבע נמצא בעיקר בצורת תחמוצת צורן (IV) SiO₂ ומלחי חומצות הצורן — סיליקטים. הם יוצרים את מעטפת קרום כדור הארץ. תרכובות צורן נמצאות באורגניזמים צמחיים וחיים.

הכנה ושימושים. בתעשייה מכינים צורן בחיזור SiO₂ בקוקס בכבשנים חשמליים:

$Si{O}_2+2C\to Si+2CO$

במעבדה, כמחזרים משתמשים במגנזיום או אלומיניום:

$Si{O}_2+2Mg\to Si+2MgO$ $3Si{O}_2+4Al\to 3Si+2A{l}_2{O}_3$

צורן הטהור ביותר מתקבל בחיזור טטרהכלוריד צורן באדי אבץ:

$SiC{l}_4+2Zn\to Si+2ZnC{l}_2$

צורן משמש כמוליך למחצה. ממנו מייצרים את מה שמכונה תאים סולריים, ההופכים אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית (הזנת מערכות רדיו בחלליות). צורן משמש במטלורגיה להכנת פלדות צורניות, בעלות עמידות גבוהה בחום ובחומצה.

תכונות פיזיקליות. צורן גבישי הוא חומר בצבע אפור כהה בעל ברק פלדתי. מבנה הצורן דומה למבנה היהלום. בגבישו, כל אטום מוקף באופן טטרהדרלי בארבעה אטומים אחרים ומחובר אליהם בקשר קוולנטי, החלש בהרבה מהקשר בין אטומי הפחמן ביהלום. בגביש הצורן, גם בתנאים רגילים, חלק מהקשרים הקוולנטיים נשברים. לכן יש בו אלקטרונים חופשיים, המקנים לו מוליכות חשמלית קטנה. בהארה ובחימום גדל מספר הקשרים הנשברים, ומכאן גדל מספר האלקטרונים החופשיים וגדלה המוליכות החשמלית. כך יש להסביר את תכונות המוליכות למחצה של הצורן.

הצורן שביר מאוד, צפיפותו 2.33 g/cm³. כמו הפחם, הוא משתייך לחומרים עמידי-חום.

הצורן מורכב משלושה איזוטופים יציבים: ²⁸Si (92.27%), ‏²⁹Si (4.68%) ו-³⁰Si (3.05%).

תכונות כימיות. בתכונותיו הכימיות, הצורן, כמו הפחמן, הוא אל-מתכת, אך אופיו האל-מתכתי מובע בחולשה, שכן רדיוס האטום שלו גדול יותר (סעיף 6 בטבלה 4.1). מכיוון שלאטומי הצורן ברמה האנרגטית החיצונית 4 אלקטרונים, אופייני לצורן מספר חמצון −4 וגם +4 (ידועה תרכובת צורן שבה מספר החמצון שלו שווה +2).

הצורן בתנאים רגילים אינרטי למדי, מה שיש להסביר בחוזק סריגו הגבישי. ישירות הוא מגיב רק עם פלואור:

$Si+2F_2\to Si{F}_4\text{(silicon tetrafluoride)}$

חומצות (פרט לתערובת חומצה הידרופלואורית HF וחומצה חנקתית HNO₃) אינן פועלות על הצורן. אולם הוא מתמוסס בהידרוקסידים של מתכות אלקליות, ויוצר סיליקט ומימן:

$Si+2O{H}^{-}+H_{2}O\to Si{O}_3^{2-}+2H_2\uparrow$

בטמפרטורה גבוהה, בכבשן חשמלי, מתערובת חול וקוקס מתקבל קרביד צורן SiC (קורונדום מלאכותי, קרבורונדום (carborundum)):

$Si{O}_2+2C\to SiC+C{O}_2$

לקרבורונדום סריג גבישי דמוי-יהלום, שבו כל אטום צורן מוקף בארבעה אטומי פחמן ולהפך, והקשרים הקוולנטיים חזקים מאוד, כמו ביהלום. לכן בקשיותו הוא קרוב ליהלום. מקרביד הצורן מייצרים אבני השחזה וגלגלי ליטוש.

תרכובות מתכות עם צורן נקראות סיליצידים (silicides). למשל:

$Si+2Mg\to M{g}_{2}Si\text{(magnesium silicide)}$

בפעולת חומצה מלחית על סיליציד מתקבלת תרכובת המימן הפשוטה ביותר של הצורן — סילאן (silane) SiH₄:

$M{g}_{2}Si+4H^{+}\to 2M{g}^{2+}+Si{H}_4\uparrow$

סילאן הוא גז רעיל בעל ריח לא נעים, מצית את עצמו באוויר:

$Si{H}_4+2O_2\to Si{O}_2+2H_{2}O$

צורן טחון דק, בחימום עם חמצן, נשרף, ונוצרת תחמוצת צורן (IV):

$Si+O_2\to Si{O}_2$

בכך משתחרר חום רב, המצביע על חוזק רב של הקשר בין האטומים ב-SiO₂.

בטמפרטורות גבוהות, הצורן מחזר מתכות רבות מתחמוצותיהן.

4.6. תחמוצת צורן (IV) וחומצה סיליקתית (silicic acid)

תחמוצת צורן (IV) נקראת גם סיליקה (silica). זהו חומר מוצק עמיד חום, נפוץ מאוד בטבע בשתי צורות: 1) סיליקה גבישית — בצורת מינרל הקוורץ ונגזרותיו (בדולח הרים, כלצדון, אקאט, ישפה, צור); הקוורץ מרכיב את בסיס חולות הקוורץ, הנמצאים בשימוש נרחב בבנייה ובתעשיית הסיליקטים; 2) סיליקה אמורפית — בצורת מינרל האופל בהרכב SiO₂·nH₂O; צורות אדמתיות של סיליקה אמורפית הן דיאטומיט וטריפולי (אדמת אינפוזוריה); דוגמה לסיליקה אמורפית חסרת מים מלאכותית היא ג’ל סיליקה (silica gel), המתקבל ממטא-סיליקט נתרן:

$N{a}_{2}Si{O}_3+2HCl\to 2NaCl+H_{2}Si{O}_3$ $H_{2}Si{O}_3\to H_{2}O+Si{O}_2$

לג’ל הסיליקה פני שטח מפותחים, ולכן הוא סופג היטב לחות.

ב-1710°C נמס הקוורץ. בקירור מהיר של המסה המותכת נוצרת זכוכית קוורץ. יש לה מקדם התפשטות קטן מאוד, ובזכות זאת זכוכית קוורץ לוהטת אינה נסדקת בקירור מהיר במים. מזכוכית קוורץ מייצרים כלי מעבדה ומכשירים למחקר מדעי.

הנוסחה הפשוטה ביותר של תחמוצת צורן (IV), SiO₂, דומה לנוסחת תחמוצת פחמן (IV) CO₂. יחד עם זאת, תכונותיהן הפיזיקליות שונות בתכלית (SiO₂ הוא חומר מוצק, CO₂ הוא גז). הבדל זה מוסבר במבנה הסריגים הגבישיים. CO₂ מתגבש בסריג מולקולרי, SiO₂ — בסריג אטומי.

מספר הקואורדינציה של אטום הפחמן ב-CO₂ המוצק שווה 2, ושל הצורן ב-SiO₂ שווה 4. כל אטום צורן כלוא בטטרהדרון בן 4 אטומי חמצן. אטום הצורן נמצא במרכז, ובפינות הטטרהדרון ממוקמים אטומי החמצן. את כל גוש הסיליקה ניתן לראות כגביש, שנוסחתו (SiO₂)ₙ. מבנה זה של תחמוצת צורן (IV) קובע את קשיותה הגבוהה ואת עמידותה בחום.

בתכונותיה הכימיות, תחמוצת צורן (IV) SiO₂ שייכת לתחמוצות החומציות. בהיתוכה עם בסיסים מוצקים, תחמוצות בסיסיות וקרבונטים, נוצרים מלחי חומצה סיליקתית:

$Si{O}_2+2NaOH\to N{a}_{2}Si{O}_3+H_{2}O$ $Si{O}_2+CaO\to CaSi{O}_3$ $Si{O}_2+N{a}_{2}C{O}_3\to N{a}_{2}Si{O}_3+C{O}_2$

עם תחמוצת צורן (IV) מגיבה רק חומצה הידרופלואורית:

$Si{O}_2+4HF\to Si{F}_4+2H_{2}O$

בעזרת תגובה זו מבצעים תקיפת זכוכית.

במים אין תחמוצת צורן (IV) נמסה, ואינה מגיבה עמם כימית. לכן מכינים חומצה סיליקתית בדרך עקיפה, בפעולת חומצה על תמיסת סיליקט אשלגן או נתרן:

$Si{O}_3^{2-}+2H^{+}\to H_{2}Si{O}_3$

בכך, חומצה סיליקתית (בהתאם לריכוז תמיסות המלח והחומצה ההתחלתיים) יכולה להתקבל הן בצורת מסה ג’לית המכילה מים, והן בצורת תמיסה קולואידית (זול).

חומצה סיליקתית בנויה מיחידות מבנה טטרהדריות (בכל יחידה כזו אטום הצורן נמצא במרכז הטטרהדרון, ובפינותיו ממוקמים אטומי החמצן). יחידות המבנה, המתחברות לשרשראות, יוצרות חומצות פולי-סיליקתיות יציבות יותר. את הרכב תרכובת כזו ניתן לבטא בנוסחה (H₂SiO₃)ₙ. אולם בדרך כלל מתארים את חומצת הצורן בנוסחה H₂SiO₃.

H₂SiO₃ היא חומצה חלשה מאוד, דלת-מסיסות במים. בחימום היא מתפרקת בקלות באנלוגיה לחומצה הפחמתית:

$H_{2}Si{O}_3\to H_{2}O+Si{O}_2\downarrow$

בהיותה חומצה דו-בסיסית, היא עוברת דיסוציאציה מדורגת:

$H_{2}Si{O}_3\rightleftharpoons H^{+}+HSi{O}_3^{-}$ $HSi{O}_3^{-}\rightleftharpoons H^{+}+Si{O}_3^{2-}$

4.7. מושג התמיסות הקולואידיות (colloidal solutions)

בטבע ובטכנולוגיה נפוצות מערכות דיספרסיות, שבהן חומר אחד מפוזר באופן אחיד בצורת חלקיקים בתוך חומר אחר.

במערכות דיספרסיות מבחינים בפאזה הדיספרסית — החומר המפוזר דק, ובסביבת הדיספרסיה — החומר האחיד שבו מפוזרת הפאזה הדיספרסית. למשל, במים עכורים המכילים חרסית, הפאזה הדיספרסית היא חלקיקי החרסית המוצקים, וסביבת הדיספרסיה — המים; בערפל, הפאזה הדיספרסית — חלקיקי נוזל, סביבת הדיספרסיה — האוויר; בעשן, הפאזה הדיספרסית — חלקיקי פחם מוצקים, סביבת הדיספרסיה — האוויר; בחלב — הפאזה הדיספרסית — חלקיקי שומן, סביבת הדיספרסיה — הנוזל וכן הלאה.

למערכות דיספרסיות משתייכות תמיסות רגילות (אמיתיות), תמיסות קולואידיות, וכן תרחיפים ואמולסיות. הן נבדלות זו מזו בעיקר בגודל החלקיקים, כלומר במידת הפיזור (הריסוק).

מערכות שגודל חלקיקיהן קטן מ-1 nm* הן תמיסות אמיתיות, המורכבות ממולקולות או יונים של החומר המומס. יש לראותן כמערכת חד-פאזית. מערכות שגודל חלקיקיהן גדול מ-100 nm הן מערכות מחוספסות-פיזור — תרחיפים ואמולסיות.

* nm — ננומטר (1 nm \rightarrow 10⁻⁹ m).

תרחיפים (suspensions) הם מערכות דיספרסיות שבהן הפאזה הדיספרסית היא חומר מוצק, וסביבת הדיספרסיה — נוזל, כאשר החומר המוצק כמעט בלתי מסיס בנוזל. כדי להכין תרחיף, יש לרסק את החומר לאבקה דקה, לפזרו בנוזל שהחומר אינו מסיס בו, ולנער היטב (למשל, ניעור חרסית במים). עם הזמן ישקעו החלקיקים לתחתית הכלי. מובן שככל שהחלקיקים קטנים יותר, כך יישמר התרחיף זמן רב יותר.

תחליבים (emulsions) הן מערכות דיספרסיות שבהן הן הפאזה הדיספרסית והן סביבת הדיספרסיה הם נוזלים, שאינם מתערבבים זה בזה. ממים ושמן ניתן להכין אמולסיה בניעור ממושך של התערובת. דוגמה לאמולסיה היא חלב, שבו כדוריות שומן זעירות צפות בנוזל.

תרחיפים ואמולסיות הן מערכות דו-פאזיות.

תמיסות קולואידיות הן מערכות דו-פאזיות בעלות פיזור גבוה, המורכבות מסביבת דיספרסיה ופאזה דיספרסית, כאשר גדלי החלקיקים הליניאריים של האחרונה נמצאים בטווח שבין 1 ל-100 nm. כפי שרואים, בגדלי חלקיקיהן, התמיסות הקולואידיות הן ביניים בין תמיסות אמיתיות לבין תרחיפים ואמולסיות. חלקיקים קולואידיים מורכבים בדרך כלל ממספר גדול של מולקולות או יונים.

תמיסות קולואידיות מכונות גם זולים (sols). מכינים אותם בשיטות דיספרגציה וקונדנסציה. דיספרגציה מבוצעת לרוב באמצעות “טחנות קולואידיות” מיוחדות. בשיטה הקונדנסטיבית, החלקיקים הקולואידיים נוצרים בזכות איחוד אטומים או מולקולות לצבירים. כך, אם מעוררים במים פריקה חשמלית קשתית בין שני חוטי כסף, אדי המתכת מתעבים לחלקיקים קולואידיים. גם בתגובות כימיות רבות מתרחשת קונדנסציה ונוצרות מערכות בעלות פיזור גבוה (שיקוע משקעים, התרחשות הידרוליזה, תגובות חמצון-חיזור וכו’).

לזולים תכונות ייחודיות רבות, הנחקרות ביסודיות על ידי הכימיה הקולואידית. כך, זולים, בהתאם לגודל חלקיקיהם, עשויים לקבל צבעים שונים, בעוד לתמיסות אמיתיות צבע אחיד. למשל, זולי זהב עשויים להיות כחולים, סגולים, שמנת, אדום-רובין.

בשונה מתמיסות אמיתיות, לזולים אופייני אפקט טינדל (Tyndall effect), כלומר פיזור אור על ידי החלקיקים הקולואידיים. בהעברת קרן אור דרך זול, מופיע חרוט אור בהיר, הנראה בחדר מוחשך (איור 4.3). כך ניתן לזהות אם התמיסה הנתונה היא קולואידית או אמיתית.

תכונה חשובה של זולים היא שלחלקיקיהם מטענים חשמליים באותו הסימן. הודות לכך הם אינם מתאחדים לחלקיקים גדולים יותר ואינם שוקעים. חלקיקים של זולים מסוימים, למשל מתכות, סולפידים, חומצות הצורן והבדיל, נושאים מטען שלילי, ואילו אחרים, למשל הידרוקסידים ותחמוצות מתכת — מטען חיובי. היווצרות המטען מוסברת באדסורפציה של יונים מהתמיסה על ידי החלקיקים הקולואידיים.

לשיקוע זול, נדרש שחלקיקיו יתאחדו לצבירים גדולים יותר. איחוד חלקיקים לצבירים גדולים יותר נקרא קואגולציה (coagulation), ושקיעתם בהשפעת כוח הכבידה — סדימנטציה (sedimentation).

בדרך כלל מתרחשת קואגולציה בהוספה לזול של: 1) אלקטרוליט; 2) זול אחר, שחלקיקיו נושאים מטען הפוך; ו-3) בחימום.

בתנאים מסוימים, קואגולציה של זולים מובילה ליצירת מסה ג’לטינית, הנקראת ג’ל (gel). במקרה זה, כל מסת החלקיקים הקולואידיים, בקושרם את הממס, עוברת למצב חצי-נוזלי-חצי-מוצק ייחודי. יש להבדיל בין ג’לים לבין קרישים, שהם תמיסות של חומרים בעלי מסה מולקולרית גבוהה בנוזלים בעלי מסה מולקולרית נמוכה (מערכות הומוגניות). ניתן להכין אותם בתפיחת פולימרים מוצקים בנוזלים מסוימים.

חשיבות הזולים רבה מאוד, שכן הם נפוצים יותר מתמיסות אמיתיות. הפרוטופלזמה של תאים חיים, הדם, מיצי הצמחים — כל אלה זולים מורכבים. עם זולים קשורים ייצור סיבים מלאכותיים, עיבוד עורות, צביעה, ייצור דבקים, לכות, סרטים, דיו. זולים רבים נמצאים בקרקע, ולהם חשיבות ראשונית לפוריותה. ג’ל סיליקה, כלומר חומצה סיליקתית חסרת מים, נמצא בשימוש נרחב בטיהור נוזלים וגזים.

4.8. מלחי חומצת הצורן

מלחי חומצת הצורן נקראים סיליקטים (silicates). הרכבם מתואר בדרך כלל בנוסחה בצורת תרכובות של תחמוצות היסודות. למשל, סיליקט סידן CaSiO₃ ניתן לבטא כך: CaO·SiO₂.

סיליקטים בהרכב R₂O·nSiO₂, כאשר R₂O הן תחמוצות נתרן או אשלגן, נקראים זכוכית מסיסה (soluble glass), ותמיסותיהם המימיות המרוכזות — זכוכית נוזלית (liquid glass / water glass). החשיבות הרבה ביותר יש לזכוכית המסיסה מנתרן. בטכנולוגיה מכינים אותה הן בהיתוך חול קוורץ עם סודה, והן בעיבוד סיליקה אמורפית בתמיסת בסיס מרוכזת:

$Si{O}_2+N{a}_{2}C{O}_3\to N{a}_{2}Si{O}_3+C{O}_2$ $Si{O}_2+2NaOH\to N{a}_{2}Si{O}_3+H_{2}O$

הזכוכית הנוזלית משמשת כחומר קושר בייצור בטון עמיד לחומצה, וכן להכנת אטמים ודבק משרד. אורגים בה בדים, עץ ונייר להענקת עמידות אש ואי-חדירות מים.

תרכובות טבעיות של צורן. קרום כדור הארץ מורכב מתחמוצת צורן (IV) ומסיליקטים שונים. לסיליקטים הטבעיים הרכב ומבנה מורכבים. להלן הרכב כמה סיליקטים טבעיים:

מינרל	נוסחה
פלדספר (feldspar)	K₂O·Al₂O₃·6SiO₂
נציץ (מיקה, mica)	K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O
אזבסט (asbestos)	3MgO·2SiO₂·2H₂O
קאולניט (kaolinite)	Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O

סיליקטים המכילים בהרכבם גם תחמוצת אלומיניום נקראים אלומוסיליקטים (aluminosilicates). מבין הסיליקטים שנמנו, אלומוסיליקטים הם הפלדספר, הקאולניט והנציץ. בטבע נפוצים ביותר דווקא האלומוסיליקטים, למשל הפלדספרים. נפוצות גם תערובות של סיליקטים שונים. כך, סלעים — גרניט וגניס — מורכבים מגבישוני קוורץ, פלדספר ונציץ.

סלעים ומינרלים על פני כדור הארץ, בהשפעת טמפרטורה, ולאחר מכן לחות ופחמן דו-חמצני, עוברים בליה, כלומר הרס איטי. את תהליך בליית הפלדספר ניתן לבטא במשוואת התגובה:

$K_{2}O\cdot A{l}_2{O}_3\cdot 6Si{O}_2+2H_{2}O+C{O}_2\to A{l}_2{O}_3\cdot 2Si{O}_2\cdot 2H_{2}O+K_{2}C{O}_3+4Si{O}_2$

תוצר ההרס העיקרי הוא המינרל קאולניט — המרכיב העיקרי של החרסית הלבנה. כתוצאה מבליית סלעים נוצרו מרבצי חרסית, חול ומלחים.

4.9. הכנת זכוכית וצמנט

מבין הסיליקטים המלאכותיים, החשיבות הרבה ביותר יש לזכוכית, לצמנט ולקרמיקה*.

* קרמיקה נקראים חומרים ומוצרים שונים, המיוצרים מחרסיות טבעיות בעיצוב, ייבוש וקלייה. אלה לבנים, אריחי ציפוי, רעפים, צינורות, כלי חרס, מוצרי חרסינה וחרסינה-אבן ועוד.

זכוכית (glass). הרכב זכוכית החלון הרגילה מתואר בקירוב בנוסחה Na₂O·CaO·6SiO₂.

זכוכית מוכנה בהיתוך, בכבשנים מיוחדים, של תערובת סודה Na₂CO₃, אבן גיר CaCO₃ וחול לבן SiO₂. את הכימיה של התהליך ניתן להציג כך: בהיתוך נוצרים סיליקטים של נתרן וסידן:

$Si{O}_2+N{a}_{2}C{O}_3\to N{a}_{2}Si{O}_3+C{O}_2\uparrow ;Si{O}_2+CaC{O}_3\to CaSi{O}_3+C{O}_2\uparrow$

סיליקטים אלה והסיליקה (הנלקחת בעודף) מותכים למסה, המתקררת בהדרגה:

$N{a}_{2}Si{O}_3+CaSi{O}_3+4Si{O}_2\to N{a}_{2}O\cdot CaO\cdot 6Si{O}_2$

לעיתים קרובות, בייצור זכוכית, מחליפים את הסודה בסולפט נתרן ובפחם. במקרה זה מתקבל סיליקט נתרן לפי משוואת התגובה:

$2Si{O}_2+C+2N{a}_{2}S{O}_4\to 2N{a}_{2}Si{O}_3+C{O}_2\uparrow +2S{O}_2\uparrow$

להכנת זכוכית מיוחדת משנים את הרכב התערובת ההתחלתית. בהחלפת הסודה Na₂CO₃ בפוטש K₂CO₃ מתקבלת זכוכית עמידת חום (לכלי מעבדה כימיים). בהחלפת הגיר CaCO₃ בתחמוצת עופרת (II) PbO, והסודה בפוטש, מתקבלת זכוכית קריסטל. יש לה יכולת שבירת אור גדולה, והיא משמשת לייצור כלי אמנות. תוספת תחמוצות מתכת לתערובת ההתחלתית מקנה לזכוכית צבעים שונים: תחמוצת כרום (III) Cr₂O₃ — ירוק, תחמוצת קובלט (II) CoO — כחול, תחמוצת מנגן (IV) MnO₂ — סגול-אדמדם וכן הלאה.

זכוכיות, בעליית הטמפרטורה, מתרככות בהדרגה ועוברות למצב נוזלי. גם התהליך ההפוך מתבצע בהדרגה — מסת הזכוכית מסמיקה עם ההתקררות. על תכונה זו של הזכוכית מבוססת יצירת מוצרים שונים ממנה. באמצעות מכונות מותחים מהמסת הזכוכית זכוכית ליריעות (איור 4.4).

מזכוכית מייצרים סיבים ובדים לצרכים טכניים. פותח ייצור חומרים זכוכיתיים-גבישיים — סיטלים (glass-ceramics), בעלי חוזק גבוה יותר בהשוואה לזכוכית. מהם מייצרים מבודדים חשמליים, כלים וכו’.

צמנט (cement). צמנט סיליקטי רגיל, או צמנט פורטלנד (Portland cement), הוא אבקה בגוון אפור-ירקרק, המתקשה במגע עם מים באוויר (או במים) למסה דמוית אבן. בדרך כלל מכינים אותו בקלייה (1400–1600°C) עד ריתוך של תערובת חומרי גלם המורכבת מאבן גיר וחרסית.

הקלייה מתבצעת בכבשנים גליליים מסתובבים מיוחדים. המסה המרותכת הגרעינית המתקבלת נקראת קלינקר (clinker). זהו מוצר ביניים. את הקלינקר, עם תוספים מתאימים, טוחנים לאבקה דקה בטחנות כדוריות ומקבלים את המוצר הסופי.

בטבע נמצאים סלעים המכילים אבן גיר וחרסית ביחסים הדרושים להכנת צמנט פורטלנד. הם נקראים מרגלים; מרבצי מרגל המתאימים לייצור צמנט מנוצלים במדינות רבות בעולם.

את תערובת חומרי הגלם ניתן להכין גם בדרך מלאכותית. בוויסות הרכב התערובת מתקבלים סוגי צמנט שונים — מתקשה במהירות, עמיד בקור, עמיד בקורוזיה ואחרים.

מתערובת צמנט, מים ומילויים (חול, חצץ, אבן מרוסקת, סיגים), לאחר התקשותם, מתקבלת אבן מלאכותית — בטון (concrete). תערובת חומרים אלה לפני ההתקשות נקראת תערובת בטון. בהתקשות, עיסת הצמנט קושרת את גרגרי המילוי. ההתקשות מתרחשת אף במים. בטון עם זיון פלדה (שלד פנימי) נקרא בטון מזוין (reinforced concrete). בטון ובטון מזוין משמשים בכמויות גדולות בבניית תחנות כוח הידרואלקטריות, כבישים, מבני נשיאה של בניינים.

פותחו ומיוצרים גם בטונים שבהם משמשים כחומר קושר פולימרים אורגניים, או פולימרים יחד עם צמנט. אלה מה שמכונה פלסטובטונים, בעלי תכונות מיוחדות.

ייצור זכוכית, צמנט וקרמיקה משתייך לתעשיית הסיליקטים, המעבדת תרכובות טבעיות של צורן.

4.10. פתרון תרגילים אופייניים

תרגיל 1. בקליית קריסטלוהידרט CuSO₄·5H₂O במסה 10.0 g, התרחשה הוצאת מים חלקית. קבע את נוסחת הקריסטלוהידרט המתקבל, אם מסתו שווה 7.84 g.

פתרון. מרכיבים את משוואת התהליך:

$CuS{O}_4\cdot 5H_{2}O\to CuS{O}_4\cdot x{H}_{2}O+(5-x)H_{2}O$

כאשר x הוא מספר מולי המים הכלולים ב-1 mol של הקריסטלוהידרט המתקבל.

מחשבים את כמות החומר של CuSO₄·5H₂O שנלקח לקלייה:

$n(CuS{O}_4\cdot 5H_{2}O)\to \frac{m}{M}\to \frac{10.0}{250}\text{ mol}\to 0.04\text{ mol}.$

כמות החומר של הקריסטלוהידרט המתקבל אף היא שווה 0.04 mol, כלומר n(CuSO₄·xH₂O) \rightarrow 0.04 mol, כפי שעולה ממשוואת התהליך.

כמות החומר של המים בקריסטלוהידרט ההתחלתי היא:

$n(H_{2}O)\to 5\cdot n(CuS{O}_4\cdot 5H_{2}O)\to 5\cdot 0.04\text{ mol}\to 0.2\text{ mol}.$

מחשבים את מסת וכמות החומר של המים שהוצאו מהקריסטלוהידרט ושנותרו בו:

$m_{\text{lost}}(H_{2}O)\to m(CuS{O}_4\cdot 5H_{2}O)-m(CuS{O}_4\cdot x{H}_{2}O)\to (10.0-7.84)\text{ g}\to 2.16\text{ g};$

$n_{\text{lost}}(H_{2}O)\to \frac{2.16}{18}\text{ mol}\to 0.12\text{ mol};$

$n_{\text{rem}}(H_{2}O)\to n(H_{2}O)-n_{\text{lost}}(H_{2}O)\to (0.2-0.12)\text{ mol}\to 0.08\text{ mol}.$

מחשבים את המקדם x:

$x\to \frac{n_{\text{rem}}(H_{2}O)}{n(CuS{O}_4\cdot x{H}_{2}O)}\to \frac{0.08}{0.04}\to 2.$

אם כן, נוסחת הקריסטלוהידרט היא CuSO₄·2H₂O.

תרגיל 2. בתהליך ייצור חומצה מלחית, הכינו כלור מימני, תוך שימוש בכלור בנפח 560 L (תנאים נורמלים) ועודף מימן. הגז המתקבל הומס במים במסה 4.175 kg. קבע את חלק המסה של הכלור המימני בחומצה המלחית.

פתרון. קובעים את כמות החומר של הכלור שנלקח לסינתזת הכלור המימני:

$n(C{l}_2)\to \frac{V(C{l}_2)}{V_m}\to \frac{560}{22.4}\text{ mol}\to 25\text{ mol}.$

ממשוואת תגובת סינתזת הכלור המימני מחומרים פשוטים:

$H_2+C{l}_2\to 2HCl$

עולה כי n(HCl) \rightarrow 2·n(Cl₂) \rightarrow 2·25 mol \rightarrow 50 mol.

מחשבים את מסת הכלור המימני שנוצר:

$m(HCl)\to n(HCl)\cdot M(HCl)\to 50\cdot 36.5\text{ g}\to 1825\text{ g}\to 1.825\text{ kg}.$

מחשבים את מסת התמיסה המתקבלת:

$m\to m(HCl)+m(H_{2}O)\to (1.825+4.175)\text{ kg}\to 6\text{ kg}.$

קובעים את חלק המסה של הכלור המימני בחומצה המלחית:

$w(HCl)\to \frac{m(HCl)}{m(\text{soln})}\to \frac{1.825}{6}\approx 0.304,\text{ כלומר }30.4\%.$

תרגיל 3. הבא דוגמאות לתהליכים כימיים שבהם: (a) חומצה מגיבה עם חומצה; (b) חומצה חלשה מדיחה חומצה חזקה מתמיסת מלחה.

פתרון.

(a) חומצה יכולה להגיב עם חומצה אם אחת החומצות משמשת מחזר, והשנייה — מחמצן. למשל, חומצה יוד-מימנית HI (מחזר) תגיב עם חומצה גופרתית H₂SO₄ (מחמצן):

$2HI+H_{2}S{O}_4\to I_2+S{O}_2+2H_{2}O$

$$\begin{array}{rlr}2\stackrel{-1}{I}-2e^{-}& \to \stackrel{0}{I_2}& |1\\ \stackrel{+6}{S}+2e^{-}& \to \stackrel{+4}{S}& |1\end{array}$$

חומצה מימן-גופרתית H₂S (מחזר) תתחמצן על ידי חומצה חנקתית HNO₃:

$H_{2}S+2HN{O}_3\to S+2N{O}_2+2H_{2}O$

$$\begin{array}{rlr}\stackrel{-2}{S}-2e^{-}& \to \stackrel{0}{S}& |1\\ \stackrel{+5}{N}+e^{-}& \to \stackrel{+4}{N}& |2\end{array}$$

(b) חומצה חלשה יכולה להדיח חומצה חזקה מתמיסת מלח של חומצה חזקה, אם אחד מתוצרי התגובה דל-מסיסות מאוד במים ובחומצות. למשל, חומצה מימן-גופרתית תדיח חומצה גופרתית מתמיסת סולפט נחושת (II):

$CuS{O}_4+H_{2}S\to CuS\downarrow +H_{2}S{O}_4$ $C{u}^{2+}+H_{2}S\to CuS\downarrow +2H^{+}$

חומצה זרחתית תדיח חומצה חנקתית חזקה יותר מתמיסת ניטרט סידן:

$3Ca(N{O}_3{)}_2+2H_{3}P{O}_4\to C{a}_3(P{O}_4{)}_2\downarrow +6HN{O}_3$ $3C{a}^{2+}+2H_{3}P{O}_4\to C{a}_3(P{O}_4{)}_2\downarrow +6H^{+}$