§ 38. Кремний и его соединения

Определения и обозначения

Кремний — химический элемент с символом Si, расположенный в 3-м периоде и 14-й группе периодической системы. В его атоме 14 электронов, из них четыре находятся на внешнем уровне. Кремний проявляет степени окисления −4, +2 и +4; это помогает объяснять состав его соединений и сравнивать его с углеродом.

Оксид кремния(IV), или кремнезём, — соединение состава SiO₂. Он встречается в природе в виде кварца, а также входит в состав песка и многих горных пород. Знание его строения объясняет, почему кремнезём твёрдый и тугоплавкий и почему его нельзя считать обычным молекулярным веществом.

Кремниевая кислота — слабая малорастворимая кислота условного состава H₂SiO₃. Её формулу используют, чтобы описывать реакции силикатов с кислотами; в природе и в растворе она не образуется простым растворением SiO₂ в воде. Поскольку кислота плохо растворяется, её обычно получают из растворимого силиката действием сильной кислоты.

Силикаты — соли кремниевых кислот, содержащие кремний и кислород вместе с металлами. К распространённым природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда и глины; например, гранит содержит минералы-силикаты. По составу силикатов можно судить о строении многих горных пород и сырья для производства керамики и стекла.

Как это устроено

У кремния, как и у углерода, четыре электрона на внешнем энергетическом уровне, поэтому оба элемента способны образовывать много ковалентных связей. Однако кремний находится ниже углерода в одной группе: его атом крупнее, а связи между атомами кремния обычно отличаются по прочности и характеру. Это влияет на свойства веществ: кремний охотно соединяется с кислородом и металлами, образуя SiO₂ и силикаты. В соединениях он часто имеет степень окисления +4, поскольку отдаёт или условно смещает к партнёрам четыре внешних электрона.

Кремний химически активен по отношению к кислороду, поэтому в земной коре он преимущественно связан, а не свободен. SiO₂ встречается как кварц и составляет основу многих разновидностей песка; силикаты входят в состав гранита, глины и других пород. Природные минералы могут содержать также алюминий, железо, кальций, натрий и другие элементы. Такое распространение соединений объясняет, почему кремний — один из главных элементов земной коры.

Для получения кремния оксид кремния(IV) нагревают с углеродом: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. В SiO₂ кремний имеет степень окисления +4, а в простом веществе — 0, значит, он принимает электроны и восстанавливается. Углерод из простого вещества со степенью окисления 0 переходит в CO, где его степень окисления +2, поэтому углерод окисляется. Уравнение сбалансировано: по обе стороны два атома кислорода и два атома углерода, а кремния — по одному.

В кристалле каждый атом кремния связан с соседними атомами в прочную пространственную сеть. Из-за этих связей кремний твёрдый, но при ударе он может раскалываться, то есть является хрупким. При низкой температуре в кристалле мало свободных носителей заряда, поэтому ток проходит ограниченно; при нагревании или добавлении примесей проводимость увеличивается. Именно управляемая проводимость позволяет применять кремний в электронных приборах.

В SiO₂ атомы также образуют протяжённую прочную структуру, поэтому для её разрушения требуется много энергии: кремнезём твёрдый и тугоплавкий. Как кислотный оксид, при нагревании он реагирует со щёлочами и основными оксидами, например образует силикаты натрия и кальция. С водой SiO₂ в обычных условиях не реагирует: вода не разрушает его прочную структуру и не превращает его напрямую в кремниевую кислоту. Поэтому кислоту получают иначе — из растворимых силикатов.

Кремний и его важнейшие соединения

Сравнивайте вещества по строению, нахождению, свойствам и применению: так видно, как состав влияет на практическую роль каждого из них. В строке о химических свойствах особенно полезно сопоставлять, какие реакции характерны для SiO₂ и силикатов. Помните, что условная формула кислоты не означает, будто её можно получить простым смешиванием оксида с водой.

Разбор задач

Получение кремния из SiO₂

Условие. Записать реакцию оксида кремния(IV) с углеродом при нагревании и расставить коэффициенты. Нужно определить продукты и проверить число атомов каждого элемента. Углерод забирает кислород у оксида, поэтому в школьной записи образуются кремний и угарный газ CO.

1. Запишем схему: SiO₂ + C → Si + CO.
2. Слева два атома кислорода, поэтому поставим коэффициент 2 перед CO: SiO₂ + C → Si + 2CO.
3. Теперь справа два атома углерода, значит, поставим коэффициент 2 перед C: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
4. Проверим баланс: Si — 1 и 1, O — 2 и 2, C — 2 и 2.

Ответ. SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Кремний восстанавливается от +4 до 0, а углерод окисляется от 0 до +2. Нагревание необходимо для протекания реакции.

Реакции SiO₂ с щёлочью и основным оксидом

Условие. Составить уравнения реакций SiO₂ с гидроксидом натрия при нагревании и с оксидом кальция, назвать соли. Следует распознать SiO₂ как кислотный оксид: он вступает в реакции со щёлочами и основными оксидами. Соль кремниевой кислоты называется силикатом.

1. Для реакции со щёлочью запишем продукты Na₂SiO₃ и воду. Чтобы уравнять натрий, поставим 2 перед NaOH: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
2. Проверим атомы: Na — 2, Si — 1, O — 4, H — 2 с каждой стороны.
3. С оксидом кальция соль образуется без воды: SiO₂ + CaO → CaSiO₃.
4. Проверим состав: в обеих частях по одному атому Ca и Si и по три атома O.

Ответ. SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O — образуется силикат натрия. SiO₂ + CaO → CaSiO₃ — образуется силикат кальция.

Получение кремниевой кислоты из силиката

Условие. К раствору силиката натрия добавили избыток соляной кислоты. Записать молекулярное и сокращённое ионное уравнения и указать признак реакции. Поскольку кремниевая кислота слабая и малорастворимая, она образуется как осадок, а ионы натрия и хлора остаются в растворе.

1. Запишем формулы исходных веществ: Na₂SiO₃ и HCl. Продукты реакции — H₂SiO₃ и NaCl.
2. Уравняем натрий и хлор: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl.
3. Для ионного уравнения распишем растворимые сильные электролиты на ионы: 2Na⁺ + SiO₃²⁻ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → H₂SiO₃↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
4. Сократим одинаковые ионы Na⁺ и Cl⁻, которые не участвуют в образовании осадка.

Ответ. Молекулярное уравнение: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Сокращённое ионное уравнение: SiO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂SiO₃↓. Признак реакции — появление белого студенистого осадка или геля.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кремний обычно находится в природе свободным. Так могут думать, потому что его символ и свойства элемента легко представить отдельно от минералов, но химическая активность приводит к образованию соединений. Проверьте себя: назовите природные формы кремния — это прежде всего SiO₂ и силикаты, а не крупицы чистого элемента.

Ошибка — называть SiO₂ газом или веществом из отдельных молекул. Формулу легко принять за запись одной молекулы, однако атомы кремния и кислорода образуют прочную пространственную структуру. Проверьте себя по свойствам: кремнезём твёрдый и тугоплавкий, что соответствует атомной структуре.

Ошибка — ожидать, что SiO₂ растворится в воде и образует кремниевую кислоту. Такое предположение кажется логичным, потому что кислородные кислоты часто связывают с кислотными оксидами, но этот оксид с водой в обычных условиях не реагирует. Проверьте себя, отдельно вспомнив реакции SiO₂ со щёлочами и способ получения H₂SiO₃ из растворимого силиката.

Ошибка — путать кремниевую кислоту с силикатом или считать её сильной. Причина путаницы — похожие названия и наличие кремния в составе обоих веществ, но силикат является солью, а H₂SiO₃ — слабая малорастворимая кислота. Проверьте запись реакции: сильная кислота вытесняет кремниевую кислоту из растворимого силиката, а сама кислота выпадает в осадок.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать строение атома, периодическую систему и степени окисления: эти знания помогают объяснить состав SiO₂ и ход окислительно-восстановительной реакции получения кремния. Также пригодятся правила составления уравнений ионных реакций и представления о кислотах, оксидах и солях. Силикатные минералы связывают химию с геологией, а применение кремния и его соединений — с производством стекла, керамики, цемента и материалов для электроники.

Что запомнить

• Символ химического элемента кремния — Si.
• В природе кремний преимущественно входит в состав оксида кремния(IV) и силикатов.
• Кремний получают восстановлением SiO₂ углеродом при нагревании.
• Кремний — твёрдый хрупкий полупроводник.
• Оксид кремния(IV) имеет формулу SiO₂ и не реагирует с водой.
• При взаимодействии растворимого силиката с сильной кислотой образуется кремниевая кислота.
• Кремниевая кислота слабая и малорастворимая.