§ 38. Кремний и его соединения

Определения и обозначения

Кремний — химический элемент IV группы (14-й группы) и 3-го периода периодической таблицы; его символ — Si. Это положение указывает на число электронов внешнего уровня и помогает предсказывать химические связи. По символу Si также записывают состав веществ, например SiO₂.

Простое вещество кремний — твёрдое кристаллическое вещество, в котором атомы кремния соединены друг с другом. Это не то же самое, что химический элемент: элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — материал с определёнными свойствами. Различие нужно, чтобы не приписывать атому твёрдость или электропроводность.

Кремнезём — распространённое название диоксида кремния с формулой SiO₂. В природе он встречается в виде минерала кварца, а кварцевые зёрна входят в состав многих видов песка. Поэтому песок и кварц — не чистый кремний, а природные материалы с его соединением.

Силикаты — соли кремниевых кислот, содержащие кремний и кислород вместе с положительно заряженными ионами, например натрием или кальцием. Они входят в состав многих природных минералов и горных пород. Понятие помогает связать химические реакции кремнезёма с разнообразием минералов в земной коре.

Как это устроено

У атома кремния 14 электронов, распределённых по уровням как 2, 8, 4. Четыре электрона внешнего уровня объясняют, почему атом обычно образует четыре ковалентные связи — связи, возникающие при совместном использовании электронов. В соединениях кремний часто имеет степень окисления +4, например в SiO₂; это помогает правильно составлять формулы и уравнения реакций.

В кристалле каждый атом кремния связан с четырьмя соседями, а связи повторяются во всех направлениях и образуют алмазоподобную решётку. Чтобы разрушить эту сеть, требуется много энергии, поэтому кремний твёрдый и плавится при высокой температуре. Электроны в нём не движутся так свободно, как в металлах, однако нагревание и примеси увеличивают их подвижность — так проявляются полупроводниковые свойства.

Для получения кремния диоксид кремния нагревают с углеродом: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Высокая температура нужна, чтобы преодолеть прочные связи в структуре SiO₂ и обеспечить протекание реакции восстановления. При восстановлении кислород переходит из оксида в угарный газ CO, а кремний выделяется как простое вещество.

При нагревании кремний соединяется с кислородом и образует SiO₂, а с галогенами — например, с хлором — образует галогениды, такие как SiCl₄. В формулах отражается способность атома кремния образовать четыре связи: кислород двухвалентен, а каждый атом хлора образует одну связь. Оксид SiO₂ — твёрдое тугоплавкое вещество с прочной пространственной структурой, тогда как многие молекулярные галогениды, в частности SiCl₄, при обычных условиях являются летучими жидкостями.

В диоксиде кремния каждый атом включён в прочную сеть связей, поэтому вещество твёрдое и тугоплавкое. SiO₂ проявляет свойства кислотного оксида: с основным оксидом CaO при нагревании образует силикат кальция CaSiO₃, а со щёлочью — силикат и воду. С водой в обычных условиях SiO₂ не реагирует, поэтому его кислотные свойства проявляются не так, как у оксидов, растворимых в воде.

Кремний и его важнейшие соединения

Сначала найдите формулу вещества и определите, к какому типу оно относится: простое вещество, оксид, соль или кислота. Затем сопоставьте состав с характерными свойствами и реакцией. Таблица помогает быстро увидеть, что одинаковый элемент входит в вещества с разными классами и применением.

Разбор задач

1. Получение кремния

Нужно записать реакцию восстановления SiO₂ углеродом и уравнять её. Продуктами будут кремний и угарный газ: кислород из оксида соединяется с углеродом. Коэффициенты подбираем так, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.

1. Записываем схему: SiO₂ + C → Si + CO.
2. Слева два атома кислорода, поэтому перед CO ставим 2: SiO₂ + C → Si + 2CO.
3. В двух молекулах CO содержатся два атома углерода, значит, перед C ставим 2. Проверяем: Si — 1, O — 2, C — 2 с каждой стороны.

Итоговое уравнение: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Оно показывает соотношение веществ и понадобится для расчётов по количеству вещества.

2. Реакции диоксида кремния

В обоих случаях SiO₂ выступает как кислотный оксид. С основным оксидом кальция он образует соль — силикат кальция, а со щёлочью образует силикат натрия и воду. После записи продуктов коэффициенты проверяют по числу атомов каждого элемента.

1. Составляем уравнение с оксидом кальция: SiO₂ + CaO → CaSiO₃. Формула соли учитывает ион кальция и силикатный остаток; атомы всех элементов уже уравнены.
2. Для реакции со щёлочью записываем SiO₂ + NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
3. В продукте два атома натрия, поэтому ставим 2 перед NaOH. Получаем: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; число атомов Si, Na, O и H совпадает.

Ответ: SiO₂ + CaO → CaSiO₃; SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O. При нагревании эти реакции демонстрируют способность кислотного оксида образовывать соли.

3. Масса кремния и объём угарного газа

По условию образовалось 5,6 г кремния, а углерод взят в достаточном количестве. Уравнение SiO₂ + 2C → Si + 2CO задаёт соотношение: на 1 моль Si получается 2 моль CO. Сначала найдём количество кремния, затем по коэффициентам — количество и объём CO.

1. Молярная масса кремния M(Si) = 28 г/моль. Количество вещества n(Si) = m/M = 5,6/28 = 0,2 моль.
2. По уравнению n(CO) = 2n(Si) = 0,4 моль. Такой переход возможен благодаря коэффициентам перед формулами в уравнении.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Поэтому V(CO) = 0,4 · 22,4 = 8,96 л.

Масса полученного кремния уже дана в условии и равна 5,6 г. Ответ: m(Si) = 5,6 г; V(CO) = 8,96 л при н. у.

Типичные ошибки

Путают химический элемент кремний и простое вещество кремний, потому что для обоих используют символ Si. Элемент — это вид атомов, а простое вещество — кристалл, составленный из таких атомов. Проверьте себя вопросом: говорится ли о составе и атомах или о свойствах материала?

SiO₂ иногда называют кремниевой кислотой, смешивая название элемента с названием соединения. Но это диоксид кремния, то есть оксид; формула кремниевой кислоты в школьных примерах — H₂SiO₃. Проверка проста: кислота содержит атомы водорода в формуле, а SiO₂ водорода не содержит.

Некоторые считают, что SiO₂, как ряд других кислотных оксидов, реагирует с водой и образует кислоту. Однако его прочная структура не позволяет такой реакции происходить в обычных условиях. Не добавляйте продукт реакции с водой без основания: кислотные свойства SiO₂ подтверждают реакции со щёлочами и основными оксидами.

Формулы силикатов записывают неверно, если не учитывают заряд катиона и состав кислотного остатка. Например, в силикате натрия формула Na₂SiO₃, а не NaSiO₃: два иона Na⁺ уравновешивают заряд остатка SiO₃²⁻. Проверяйте, чтобы суммарный заряд в формуле соли был равен нулю.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить свойства кремния, нужно уметь определять положение элемента в таблице, считать электроны внешнего уровня и понимать ковалентную связь. Знания о классах неорганических веществ помогают распознавать SiO₂ как кислотный оксид, а силикаты — как соли, и составлять уравнения их реакций. Эти понятия пригодятся при изучении стекла, керамики, цемента и полупроводников: химический состав веществ связан с их свойствами и применением.

Что запомнить

• Символ химического элемента кремния — Si.
• В простом веществе атомы кремния образуют прочную пространственную решётку.
• При взаимодействии с кислородом кремний образует SiO₂.
• SiO₂ — кислотный оксид, но с водой в обычных условиях не реагирует.
• При взаимодействии SiO₂ со щелочами и основными оксидами образуются силикаты.
• Кремний и его соединения широко применяют в технике и промышленности.