§ 35. Кремний и его соединения

Определения и обозначения

Кремний — химический элемент 14-й группы, 3-го периода Периодической системы, его символ — Si. На внешнем уровне атома четыре электрона, поэтому наиболее характерна степень окисления +4, а в соединениях с металлами возможна −4. Положение кремния помогает предсказывать его валентность и сходство с углеродом.

Аллотропные модификации кремния — кристаллический и аморфный кремний, то есть разные простые вещества одного элемента. В кристаллическом веществе атомы упорядочены, а в аморфном дальнего порядка нет. Поэтому модификации отличаются твёрдостью, проводимостью и химической активностью.

Диоксид кремния — соединение состава SiO2, природные формы которого представлены кварцем, песком и кремнем. Его атомы образуют прочную пространственную решётку, поэтому это твёрдое тугоплавкое вещество, почти не растворяющееся в воде. Формула SiO2 нужна для понимания состава минералов и получения силикатных материалов.

Силикаты — соли кремниевой кислоты, например Na2SiO3 и CaSiO3. Они широко распространены в земной коре и входят в состав многих минералов. Силикаты имеют большое промышленное значение: из природного сырья получают стекло, цемент и керамику.

Как это устроено

У кремния четыре валентных электрона, как у углерода, поэтому оба элемента способны образовывать четыре ковалентные связи. Но атом кремния крупнее, связи Si–Si и Si–H слабее, чем соответствующие связи углерода, поэтому цепи и многообразные структуры у него менее устойчивы. В соединениях кремний чаще всего отдаёт или условно смещает четыре электрона к более электроотрицательным атомам, что объясняет степень окисления +4.

Кристаллический кремний имеет атомную решётку: каждый атом связан с четырьмя соседями прочными ковалентными связями. Такая решётка делает вещество твёрдым и хрупким, а наличие ограниченного числа подвижных электронов придаёт ему свойства полупроводника. В аморфной форме порядок нарушен, связи менее равномерны, поэтому вещество легче вступает в реакции.

Кремний получают восстановлением SiO2. При высокой температуре углерод отнимает кислород: SiO2 + 2C → Si + 2CO, а магний действует энергичнее: SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO. Если углерода слишком много или температура и состав смеси подобраны иначе, может образоваться карбид кремния SiC, поэтому условия определяют состав продукта.

При нагревании кремний соединяется с кислородом и галогенами: Si + O2 → SiO2, Si + 2Cl2 → SiCl4. В этих реакциях кремний повышает степень окисления с 0 до +4 и отдаёт электроны, то есть является восстановителем. С активными металлами, например с магнием, он принимает электроны и образует силициды, поэтому в таких реакциях выступает окислителем.

Цепочка превращений связана изменением состава и типа вещества. Si окисляется до SiO2, оксид со щёлочью образует силикат, а действие кислоты на силикат даёт слабую H2SiO3: Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3↓ + 2NaCl. При нагревании кремниевая кислота разлагается, а её соли служат исходными веществами для стекла, цемента и керамики.

Кремний и его важнейшие соединения

Таблица помогает сравнить вещества по одному признаку, двигаясь по строке, или проследить свойства одного вещества сверху вниз. Формулы показывают, как связаны простое вещество, оксид, кислота и соли. При решении задач сначала определяйте класс вещества, а затем выбирайте характерную для него реакцию.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнения реакций кремния с кислородом и магнием, укажите восстановитель и окислитель. Нужно определить, какие степени окисления изменяются, а затем проверить число атомов и заряд электронного баланса.

1. Кислород принимает электроны, кремний переходит из 0 в +4: Si + O2 → SiO2.
2. В реакции с магнием магний повышает степень окисления с 0 до +2, а кремний принимает электроны: Si + 2Mg → Mg2Si.
3. В первой реакции Si — восстановитель, O2 — окислитель; во второй Si — окислитель, Mg — восстановитель.

Ответ: уравнения составлены с учётом изменения степеней окисления. Роль кремния зависит от партнёра по реакции: с кислородом он восстановитель, а с активным металлом — окислитель.

Задача 2. Получите кремний из 12 г SiO2 восстановлением магнием и найдите массу продукта. Сначала записывают уравнение, затем используют соотношение веществ по коэффициентам и молярные массы.

1. Уравнение: SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO.
2. M(SiO2) = 60 г/моль, n(SiO2) = 12/60 = 0,2 моль.
3. По уравнению n(Si) = n(SiO2) = 0,2 моль; m(Si) = 0,2 · 28 = 5,6 г.

Ответ: образуется 5,6 г кремния, если SiO2 и магний взяты в нужных количествах. При недостатке магния расчёт пришлось бы вести по нему как по недостаточному реагенту.

Задача 3. Осуществите превращения Si → SiO2 → H2SiO3 → Na2SiO3 и назовите реагенты. Прямое взаимодействие SiO2 с водой не идёт, поэтому первый переход к кислоте проводят через растворимый силикат.

1. Si + O2 → SiO2; реагент — кислород, нагревание.
2. SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O; затем Na2SiO3 + 2HCl → H2SiO3↓ + 2NaCl.
3. H2SiO3 + 2NaOH → Na2SiO3 + 2H2O; реагент — раствор щёлочи.

Ответ: цепочка включает окисление, получение соли, осаждение слабой кислоты и её нейтрализацию. Промежуточный Na2SiO3 необходим, потому что SiO2 не реагирует с водой.

Типичные ошибки

Кремний считают металлом из-за блеска. Внешний блеск не определяет весь комплекс свойств: кремний хрупок и обладает полупроводимостью. Проверяйте классификацию по строению, электропроводности и типичным реакциям.

Путают SiO2 и H2SiO3. В формуле кислоты обязательно есть водород, а диоксид состоит только из кремния и кислорода. Чтобы не ошибиться, сначала определите класс вещества: оксид или кислота.

Называют SiO2 растворимым в воде кислотным оксидом. Кислотный характер не означает обязательную реакцию с водой, а SiO2 практически нерастворим и с большинством кислот не взаимодействует. Проверяйте свойства конкретного оксида, а не переносите их автоматически на все кислотные оксиды.

Неверно составляют формулы силикатов. Силикаты являются солями H2SiO3, поэтому в них водород кислоты заменён металлом: например, Na2SiO3 или CaSiO3. При реакции растворимого силиката с кислотой образуется H2SiO3 и соответствующая соль.

Связь с другими темами

Перед изучением кремния нужны знания о строении атома, Периодической системе, валентности и степенях окисления. Также понадобятся умения распознавать типы реакций и выполнять расчёты по уравнениям.

Кремний связан с темой углерода, поскольку оба элемента находятся в 14-й группе. Их сравнение показывает, как изменение размера атома влияет на свойства простых веществ, оксидов и сложных соединений.

Дальше эти знания пригодятся при изучении стекла, цемента и керамики, природных силикатных минералов, материаловедения и полупроводниковой техники. Практические свойства кремния объясняют его роль в электронике и производстве сплавов.

Что запомнить

• Кремний — элемент 14-й группы с символом Si; наиболее характерна степень окисления +4.
• Кремний существует в кристаллической и аморфной формах.
• Основное природное соединение кремния — диоксид кремния SiO2.
• SiO2 — твёрдый тугоплавкий оксид, не растворяющийся в воде.
• Кремниевая кислота H2SiO3 — слабая и неустойчивая кислота.
• Силикаты широко распространены в природе и используются в производстве стекла, цемента и керамики.
• Кремний применяют как полупроводник и для получения сплавов.