"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Кремний — элемент 14-й группы, важный компонент земной коры и основа многих природных минералов. Его соединения встречаются в песке и горных породах, а сам кремний используют в полупроводниках. Главные вещества темы — кремнезём SiO₂, кремниевая кислота H₂SiO₃ и силикаты. Их свойства объясняются строением: у кремния и кремнезёма атомные кристаллические решётки, а многие силикаты служат сырьём для стекла, цемента и керамики.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кремний — химический элемент Si с атомным номером 14, расположенный в 3-м периоде и 14-й группе Периодической системы. Для него характерна валентность IV и наиболее часто встречается степень окисления +4; в некоторых соединениях возможна −4. Эти обозначения помогают описывать состав веществ и составлять формулы.
Кремнезём — оксид кремния(IV) состава SiO₂, один атом кремния на два атома кислорода. В природе он встречается, например, в кварце и песке. В отличие от CO₂, кремнезём не состоит из отдельных молекул: его атомы образуют общую пространственную решётку, поэтому он твёрдый и тугоплавкий.
Кремниевая кислота — слабая малорастворимая кислота, условную формулу которой в школьном курсе записывают как H₂SiO₃. Её получают действием сильной кислоты на растворимый силикат, а не растворением SiO₂ в воде. При нагревании кислота разлагается на оксид кремния(IV) и воду; её свойства помогают понять реакции силикатов.
Силикаты — соли кремниевых кислот, например Na₂SiO₃ и CaSiO₃. Силикат натрия растворим в воде, а многие другие силикаты, включая природные минералы, нерастворимы. Силикаты важны как сырьё и компоненты в производстве стекла, цемента и керамики.
У атома кремния 14 электронов, из них четыре находятся на внешнем энергетическом уровне. Чтобы заполнить его до устойчивой оболочки, кремний способен образовывать четыре связи, что объясняет валентность IV. В соединениях с кислородом и другими более электроотрицательными элементами кремний обычно имеет степень окисления +4; в соединениях с металлами возможна отрицательная степень окисления.
В твёрдом кремнии каждый атом связан с четырьмя соседними атомами в прочную пространственную сеть. Для разрыва таких связей требуется много энергии, поэтому у кремния высокая температура плавления и значительная твёрдость. При этом слои и участки решётки могут смещаться и разрушаться, поэтому кристалл хрупкий. Электроны в нём не перемещаются так свободно, как в металлах, но условия могут менять проводимость — это и делает кремний полупроводником.
Кремний получают восстановлением его соединений, чаще всего оксида кремния(IV) углеродом при высокой температуре: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. При нагревании кремний реагирует с кислородом, образуя SiO₂, а с галогенами — соответствующие галогениды, например Si + 2Cl₂ → SiCl₄. С металлами он образует силициды. Нагрев нужен, чтобы преодолеть прочные связи в кристаллической решётке и запустить реакцию.
В SiO₂ атомы объединены прочными связями в трёхмерную сеть, а не собраны в отдельные молекулы. Поэтому кремнезём твёрдый, тугоплавкий и нерастворимый в воде: молекулы воды не могут легко разрушить эту сеть. При нагревании оксид реагирует со щелочами и основными оксидами, образуя соли-кремнезёмы, например SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O и SiO₂ + CaO → CaSiO₃.
Растворимый силикат натрия при добавлении кислоты превращается в малорастворимую кремниевую кислоту: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Частицы кислоты соединяются в крупные структуры, удерживающие воду, поэтому осадок выглядит как студенистая масса. При нагревании он даёт SiO₂ и воду. Сырьё с силикатами перерабатывают: стекло получают сплавлением песка с содой и известняком, а цемент и керамику производят из смесей минеральных веществ с последующим обжигом.
Таблица сопоставляет состав, класс и свойства веществ, чтобы было проще увидеть, чем элемент отличается от его соединений. При подготовке к задаче сначала определите, о каком веществе идёт речь, а затем используйте его формулу и характерные свойства. Строка о силикатной промышленности описывает не отдельное вещество, а область производства.
| Вещество | Формула | Класс вещества | Основные свойства | Применение или значение |
|---|---|---|---|---|
| Кремний | Si | Простое вещество | Твёрдый, хрупкий, полупроводник | Полупроводниковая техника, получение сплавов |
| Оксид кремния(IV), кремнезём | SiO₂ | Кислотный оксид | Твёрдый, тугоплавкий, нерастворимый в воде | Кварц и песок; сырьё для стекла |
| Кремниевая кислота | H₂SiO₃ | Кислота | Слабая, малорастворимая, образует студенистый осадок | Получение при подкислении растворимых силикатов |
| Силикаты | Например, Na₂SiO₃, CaSiO₃ | Соли | Бывают растворимыми и нерастворимыми | Природные минералы и промышленное сырьё |
| Силикатная промышленность | — | Производство материалов | Переработка минерального сырья, часто с обжигом | Стекло, цемент, керамика |
Условие: определите степени окисления кремния в Si, SiO₂, H₂SiO₃ и Na₂SiO₃ и назовите вещества. Степень окисления простого вещества равна нулю. В соединениях используйте известные значения для кислорода, водорода и натрия, а сумму степеней окисления приравняйте заряду частицы.
Проверка: сумма степеней окисления в каждой нейтральной формуле равна нулю. Ответ: 0; +4; +4; +4. Вещества — кремний, оксид кремния(IV), кремниевая кислота и силикат натрия.
Условие: какую массу SiO₂ можно получить при полном сгорании 14 г кремния? Сначала запишите уравнение и сравните коэффициенты: один моль Si даёт один моль SiO₂. Затем найдите количество кремния и массу продукта по молярной массе.
При полном сгорании весь кремний превращается в оксид, поэтому потерь по условию нет. Ответ: можно получить 30 г SiO₂.
Условие: из 14,2 г Na₂SiO₃ действием избытка соляной кислоты получили кремниевую кислоту, которую затем прокалили. Найдите массу SiO₂. Важно проследить обе реакции: один моль силиката сначала даёт один моль кислоты, а один моль кислоты — один моль оксида.
Избыток кислоты означает, что лимитирует количество силиката натрия. С учётом округления ответ: около 7,0 г SiO₂.
Кремний считают типичным металлом или типичным неметаллом и автоматически приписывают ему свойства соседних элементов. Этому мешает его внешнее сходство с металлом и одновременно неметаллическое поведение в реакциях. Проверяйте вывод по конкретным свойствам: кремний хрупкий, а его проводимость характерна для полупроводников.
Формулу H₂SiO₃ запоминают, но называют кремниевую кислоту сильной и хорошо растворимой. Ошибка возникает из-за переноса свойств привычных кислот на любое вещество с водородом в формуле. Сверяйте свойства: кислота слабая, малорастворимая, при действии на растворимый силикат выпадает в осадок.
SiO₂ иногда изображают как отдельные молекулы по аналогии с CO₂. Причина — похожее соотношение элементов в формулах, но формула не сообщает, что частицы устроены одинаково. Проверка: кремнезём при обычных условиях твёрдый и образует атомную решётку, а углекислый газ состоит из молекул.
В уравнениях SiO₂ со щёлочью или силикатов с кислотами могут пропускать коэффициенты либо записывать неверные продукты. Ошибку провоцирует попытка угадать реакцию без проверки состава и заряда. Сначала определите классы веществ и ожидаемые продукты, затем уравняйте число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, Периодической системе и степенях окисления: они помогают объяснить валентность кремния и состав его соединений. При разборе реакций пригодятся классификация неорганических веществ и свойства оксидов, кислот, оснований и солей. Тема связывает школьную химию с производством стекла, цемента и керамики, а также с материаловедением и созданием полупроводников.
Почему кремний относят к неметаллам, если он обладает некоторыми свойствами металлов?
Кремний имеет промежуточные свойства: он твёрдый и блестящий, но хрупкий и не проводит электрический ток так, как обычные металлы. Его проводимость возрастает при определённых условиях, поэтому кремний называют полупроводником. В химических реакциях он чаще проявляет свойства неметалла.
Почему SiO₂ не растворяется в воде, хотя многие оксиды реагируют с водой?
Атомы в SiO₂ связаны в прочную пространственную сеть, которую воде трудно разрушить. Поэтому кремнезём не растворяется и обычно не реагирует с водой. Способность оксида реагировать с водой зависит от его состава и строения.
Чем кремнезём отличается от углекислого газа?
Углекислый газ CO₂ состоит из отдельных молекул, а SiO₂ образует прочную атомную кристаллическую решётку. Поэтому CO₂ — газ при обычных условиях, а кремнезём — твёрдое тугоплавкое вещество. Формулы похожи по соотношению атомов, но строение и свойства различны.
Почему кремниевую кислоту нельзя получить прямым растворением SiO₂ в воде?
Кремнезём очень прочен и с водой практически не взаимодействует. Кремниевую кислоту получают иначе: к раствору растворимого силиката добавляют кислоту. При этом образуется малорастворимая кремниевая кислота.
Где в быту и промышленности применяются силикаты?
Силикаты используют как сырьё при производстве стекла, цемента и керамики. Растворимое стекло применяют для изготовления клеящих и защитных составов. Силикаты также входят в состав многих природных горных пород и строительных материалов.
§ 24. Кремний и его соединения
