"Химия", Габриелян О.С.
Кремний — распространённый в земной коре неметалл, из соединений которого получают стекло, керамику и цемент. Его атомы образуют прочную кристаллическую решётку, а свойства делают кремний важным полупроводником. В природе он встречается главным образом в виде кремнезёма и силикатов. Разберём, как устроены кремний и его соединения, какие реакции для них характерны и как сырьё превращается в полезные материалы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кремний (Si) — химический элемент 14-й группы Периодической системы; его атом имеет четыре электрона на внешнем уровне. В природе кремний обычно входит в состав соединений, а не встречается как простое вещество. Знание положения элемента помогает предсказать состав и свойства его соединений.
Кремнезём — диоксид кремния с формулой SiO₂. В природе он встречается в виде кварца и входит в состав песка; кварц — кристаллическая форма кремнезёма. Это важное сырьё для получения стекла и других материалов.
Силикаты — соли кремниевых кислот. К ним относятся природные минералы, из которых состоят многие горные породы; например, полевой шпат и слюда. Силикаты важны как природное сырьё и как основа ряда строительных материалов.
Силикатная промышленность — производство стекла, керамики и цемента из кремнезёма и силикатного сырья. Исходные вещества обрабатывают и нагревают, чтобы получить материалы с нужными свойствами. Продукция этой промышленности используется в строительстве и быту.
Кремний находится в той же группе, что и углерод, поэтому у атомов этих элементов одинаковое число электронов на внешнем уровне — четыре. Именно внешний уровень в первую очередь определяет, как атом образует химические связи. В кристалле кремния каждый атом связывается с четырьмя соседними атомами.
Такие связи создают прочную пространственную атомную решётку, поэтому твёрдый кремний трудно деформировать, а сам он хрупок. Электроны в ней не могут свободно перемещаться, как в металлах, и чистый кремний проводит ток слабо. При нагревании часть электронов становится подвижной, поэтому электропроводность увеличивается; этим объясняется полупроводниковое поведение кремния.
Для получения кремния кремнезём нагревают с углеродом. Углерод связывает кислород из SiO₂, а кремний выделяется как простое вещество: SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑. Углерода берут достаточно, чтобы кислород перешёл в соединение CO — угарный газ, а не CO₂; реакцию проводят при высокой температуре.
В твёрдом SiO₂ атомы соединены в общую пространственную решётку, а не собраны в отдельные молекулы. Чтобы расплавить её, нужны значительные затраты энергии, поэтому у кремнезёма высокая температура плавления. Вода не разрушает эту решётку и не вступает с SiO₂ в реакцию, поэтому диоксид кремния не растворяется в воде.
Кремнезём проявляет свойства кислотного оксида: при нагревании он реагирует со щелочами и основными оксидами, образуя силикаты. Например, при сплавлении с содой получают растворимый силикат натрия: SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂↑. Если к раствору силиката добавить кислоту, выделяется слабая малорастворимая кремниевая кислота: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl; силикатные расплавы и смеси служат основой производства стекла.
| Вещество | Формула | Строение и основные свойства | Характерные реакции и применение |
|---|---|---|---|
| Кремний | Si | Атомная кристаллическая решётка; твёрдый, хрупкий полупроводник. | При нагревании реагирует с кислородом: Si + O₂ → SiO₂. Используется в электронике и солнечных батареях. |
| Диоксид кремния (кремнезём) | SiO₂ | Прочная атомная решётка; твёрдое вещество с высокой температурой плавления, не растворяется в воде. | Реагирует со щелочами и основными оксидами с образованием силикатов; сырьё для стекла. |
| Кремниевая кислота | H₂SiO₃ | Слабая кислота, практически нерастворимая в воде. | Образуется при действии кислоты на растворимый силикат; выпадает в виде студенистого осадка. |
| Силикаты и силикатное сырьё | Например, Na₂SiO₃ | Соли кремниевых кислот; многие природные силикаты входят в состав горных пород. | Растворимые силикаты с кислотами дают кремниевую кислоту; сырьё используют для стекла, керамики и цемента. |
Сначала сравните формулы и строение: простое вещество кремний — это Si, а его оксид — SiO₂. Затем по последнему столбцу проследите, как свойства веществ связаны с характерными реакциями и применением. Формула Na₂SiO₃ приведена как пример одного из силикатов.
Кремний при нагревании соединяется с кислородом. Продукт реакции — диоксид кремния, так как один атом Si связывается с двумя атомами O. Проверим, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.
Ответ: Si + O₂ → SiO₂; образуется диоксид кремния.
SiO₂ — кислотный оксид, поэтому при реакции со щёлочью образует соль и воду. Чтобы получить силикат натрия, учитываем, что в соли два атома натрия на один атом кремния. После подбора коэффициентов проверяем количество атомов всех элементов.
Ответ: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O. Na₂SiO₃ — соль, силикат натрия.
В первой части цепочки нужно получить растворимый силикат из кислотного оксида, поэтому подойдёт щёлочь. Затем из соли слабой малорастворимой кислоты вытесняем её более сильной кислотой. Так выполняются оба перехода, а осадок H₂SiO₃ подтверждает образование кремниевой кислоты.
Ответ: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Для первой реакции требуется нагревание или сплавление, для второй — раствор кислоты.
Ошибка: считать твёрдый SiO₂ веществом из отдельных молекул. Так могут рассуждать по формуле, но она показывает лишь соотношение атомов. В кристалле атомы образуют единую пространственную решётку; проверяйте, описывает ли формула состав или отдельную молекулу.
Ошибка: ожидать реакции SiO₂ с водой по аналогии с другими оксидами. Не каждый оксид взаимодействует с водой, а прочная решётка кремнезёма не разрушается ею. Проверяйте конкретные свойства вещества: SiO₂ реагирует со щелочами, но не с водой.
Ошибка: записывать формулу простого вещества кремния как SiO₂. Эту путаницу вызывает сходство названий «кремний» и «кремнезём». Сам элемент и простое вещество обозначают Si, а SiO₂ — его соединение, диоксид кремния.
Ошибка: считать кремниевую кислоту сильной и хорошо растворимой. Название «кислота» само по себе не означает, что вещество растворяется или полностью распадается на ионы. H₂SiO₃ слабая и практически нерастворима в воде, поэтому при её получении наблюдают осадок.
Для понимания темы нужны знания о положении элементов в Периодической системе и строении атома: они помогают объяснить число внешних электронов кремния. Представление об атомной кристаллической решётке связывает строение вещества с его свойствами, а свойства оксидов помогают предсказать реакции SiO₂. При изучении кислот и солей пригодятся уравнения образования силикатов и кремниевой кислоты.
Эти знания применяются при изучении неметаллов и химических производств. Кремнезём и силикаты превращают в стекло, цемент и керамику, поэтому химические реакции здесь связаны с привычными строительными материалами и изделиями.
Почему кремний относят к полупроводникам?
В кристалле кремния каждый атом связан с четырьмя соседями, поэтому электроны не перемещаются так свободно, как в металлах. Однако нагревание или добавление небольшого количества примесей увеличивает число подвижных носителей заряда. Поэтому кремний проводит ток лучше изолятора, но хуже проводника.
Где кремний встречается в природе?
Из-за высокой химической активности кремний в природе почти не встречается в свободном виде. Он входит в состав кремнезёма — например, кварца и песка — и силикатов, образующих многие горные породы. Кремний — один из наиболее распространённых элементов земной коры.
Почему SiO₂ не растворяется в воде?
В твёрдом SiO₂ атомы кремния и кислорода связаны в прочную пространственную кристаллическую решётку. Вода не разрушает её и не образует с диоксидом кремния продукт реакции. Поэтому SiO₂ не растворяется в воде и с ней не взаимодействует.
Как доказать, что раствор силиката натрия содержит силикат-ионы?
К раствору силиката натрия добавляют кислоту, например соляную. Если в растворе были силикат-ионы, появляется студенистый осадок слабой малорастворимой кремниевой кислоты: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Осадок служит признаком реакции.
Из каких веществ и как получают стекло?
Обычное стекло получают из кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и известняка (CaCO₃). Смесь нагревают до плавления, при этом образуются силикаты натрия и кальция. Расплав охлаждают, придавая ему нужную форму.
§ 35. Кремний и его соединения
