"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Кремний — элемент 14-й группы, который занимает важное место и в природе, и в технике. В земной коре он входит главным образом в состав кремнезёма и силикатов, а в чистом виде нужен для производства электронных приборов. У кремния есть кристаллическая и аморфная формы; особенно ценят кристаллический кремний за способность проводить электрический ток в определённых условиях. Чтобы понять его свойства и применение, нужно связать строение атома с реакциями и составом природных соединений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кремний — химический элемент 14-й группы 3-го периода, обозначается Si, его порядковый номер — 14. Это положение помогает определить строение атома: у него четыре электрона на внешнем уровне, поэтому кремний образует разные соединения. Его свойства занимают промежуточное положение между свойствами типичных металлов и неметаллов.
Аллотропные видоизменения кремния — это его формы, различающиеся строением и физическими свойствами. Основные формы — кристаллическая и аморфная; состав у них один и тот же, но расположение атомов различается. Понятие аллотропии помогает объяснить, почему один элемент может выглядеть и вести себя по-разному.
Кремнезём — оксид кремния(IV) с формулой SiO₂. В природе он встречается в составе кварца и песка, поэтому знаком нам как важная часть горных пород. Формула показывает, что на один атом кремния приходятся два атома кислорода, и помогает отличать это соединение от других оксидов.
Силикаты — соли кремниевой кислоты, в составе которых есть кремний-кислородные группы. Многие силикаты образуют минералы и горные породы, а некоторые используют при изготовлении строительных и бытовых материалов. Знание этого термина объясняет, почему кремний так распространён в земной коре, хотя в свободном виде встречается редко.
У атома кремния 14 электронов: два занимают первый энергетический уровень, восемь — второй, а четыре — третий, внешний. Четыре внешних электрона позволяют атому образовывать несколько ковалентных связей, то есть связей за счёт общих электронных пар. В простом веществе степень окисления кремния равна 0, а в соединениях часто встречаются +4 и −4; возможна и +2. Разные степени окисления связаны с тем, что при образовании связей атом может условно отдавать или присоединять электроны.
В кристаллическом кремнии каждый атом связан с соседними атомами в упорядоченную пространственную сеть — атомную кристаллическую решётку. Прочные связи между атомами объясняют твёрдость вещества, а хрупкость проявляется потому, что при смещении слоёв связи разрушаются, а не скользят, как в металлах. Аморфный кремний тоже состоит из атомов Si, но их расположение не образует такого дальнего порядка. Различие в строении влияет на физические свойства обеих форм.
В земной коре кремний обычно находится не отдельно, а в соединениях с кислородом и другими элементами. Причина в том, что при геологических условиях образуются устойчивые оксиды и силикаты, тогда как свободный кремний легко связывается с другими элементами. Поэтому его находят в кварце, песке и многих минералах, а получение чистого кремния требует выделения элемента из соединений.
При обычной температуре кремний сравнительно малоактивен: его поверхность покрывается тонким слоем оксида, который мешает дальнейшему взаимодействию. При нагревании реакции идут легче, потому что атомы получают энергию для преодоления этого барьера. Кремний соединяется с кислородом, образуя SiO₂, с галогенами — галогениды, а с некоторыми металлами — силициды. В этих реакциях проявляется способность кремния образовывать устойчивые соединения с разными элементами.
При нагревании в кислороде кремний окисляется: Si + O₂ → SiO₂. Диоксид кремния проявляет свойства кислотного оксида, так как реагирует со щёлочами и основными оксидами с образованием солей — силикатов, хотя с водой непосредственно не взаимодействует. Из силикатов можно получить кремниевую кислоту действием более сильной кислоты. Значение соединений кремния связано с их свойствами: SiO₂ и силикаты используют в производстве стекла, керамики и цемента, а чистый кремний — в электронике.
| Признак | Кристаллический кремний | Аморфный кремний |
|---|---|---|
| Строение | Упорядоченная атомная кристаллическая решётка | Атомы расположены без дальнего порядка |
| Внешний вид | Тёмно-серое вещество с металлическим блеском | Бурый порошок или тёмное твёрдое вещество |
| Твёрдость и хрупкость | Твёрдый и хрупкий | Обычно порошкообразный, менее плотный |
| Электрические свойства | Полупроводник | Электрические свойства отличаются от кристаллической формы |
| Химическая активность | При обычной температуре малоактивен, при нагревании реагирует | Обычно активнее из-за большей поверхности частиц |
| Основные области применения | Электроника, солнечные элементы, сплавы | Солнечные элементы и некоторые специальные материалы |
Сравнивайте формы по строкам: так видно, какое свойство связано со строением, а какое — с применением. Таблица показывает общие различия, но реальные свойства зависят также от чистоты вещества и способа его получения. Металлический блеск не означает, что кремний является металлом.
Задача 1. Укажите строение атома кремния, число электронов на внешнем уровне и возможные степени окисления элемента в простом веществе и соединениях. Начнём с порядкового номера, который равен числу электронов в нейтральном атоме, и распределим их по энергетическим уровням. Затем используем определение степени окисления.
Ответ: заряд ядра +14; электронное распределение по уровням — 2, 8, 4; на внешнем уровне четыре электрона. Степень окисления в простом веществе 0, в соединениях возможны −4, +2 и +4.
Задача 2. Составьте и уравняйте уравнения реакций кремния с кислородом и магнием. Сначала определяем продукты: кислород образует с кремнием оксид SiO₂, а магний — бинарное соединение Mg₂Si. Затем проверяем число атомов каждого элемента слева и справа.
Ответ: Si + O₂ → SiO₂; Si + 2Mg → Mg₂Si. Кремний в первой реакции соединяется с кислородом, а во второй — с металлом, образуя силицид.
Задача 3. Осуществите превращения Si → SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂SiO₃. Нужно подобрать реакцию для каждого перехода: окисление простого вещества, взаимодействие кислотного оксида со щёлочью и выделение слабой кислоты из раствора её соли.
Ответ: Si + O₂ → SiO₂; SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Стрелка вниз указывает на образование осадка кремниевой кислоты.
Кремний иногда считают металлом из-за металлического блеска. Блеск заметен внешне, но сам по себе не определяет класс вещества: кремний хрупок и обладает полупроводниковыми свойствами, поэтому его относят к неметаллам или полуметаллам. Проверяйте вывод по совокупности признаков, а не только по внешнему виду.
Кристаллический и аморфный кремний могут ошибочно воспринимать как разные элементы. Это аллотропные формы одного элемента: химический состав у них одинаковый, а различается расположение атомов и связанные с ним свойства. Чтобы проверить себя, сравните символ элемента и строение каждой формы.
Формулы оксида кремния иногда записывают как SiO или Si₂O₃. Это неверно для оксида кремния(IV): кислород имеет степень окисления −2, а кремний — +4, поэтому формула соединения SiO₂. Проверьте, чтобы суммарные степени окисления в нейтральном соединении давали ноль.
Ещё одна ошибка — предполагать, что SiO₂ реагирует с водой с образованием кремниевой кислоты. Хотя диоксид кремния считают кислотным оксидом, непосредственно с водой он не взаимодействует; кислоту получают, например, действием сильной кислоты на растворимый силикат. Проверяйте способ получения по уравнению, а не выводите его только из названия «кислотный оксид».
Для изучения кремния нужны знания о строении атома, периодической системе, валентности и степенях окисления: они помогают предсказывать состав соединений. Понятия кислотного оксида и окислительно-восстановительной реакции нужны для записи уравнений превращений кремния и SiO₂. Сравнение кремния с металлами и неметаллами помогает понять его промежуточные свойства.
Тема связана с материалами, которые встречаются в быту и технике: стеклом, керамикой и цементом, а также с силикатами и полупроводниками. Эти связи пригодятся при изучении состава горных пород и способов получения материалов. Знание свойств кремния объясняет, почему его используют и в строительстве, и в электронных приборах.
Почему кремний относят к неметаллам или полуметаллам, если он имеет металлический блеск?
Блеск — только один внешний признак и сам по себе не делает вещество металлом. Кремний хрупок и обладает полупроводниковыми свойствами, поэтому по совокупности признаков его относят к неметаллам, а также часто называют полуметаллом.
Чем кристаллический кремний отличается от аморфного?
В кристаллическом кремнии атомы расположены упорядоченно и образуют атомную решётку. В аморфном кремнии нет такого дальнего порядка, поэтому отличаются и его физические свойства, в частности электрические.
Почему в природе почти не встречается свободный кремний?
Кремний при подходящих условиях вступает в реакции с кислородом и другими элементами. Поэтому в земной коре он обычно связан в устойчивых соединениях — прежде всего в оксиде SiO₂ и силикатах.
Почему SiO₂ называют кислотным оксидом, если он не реагирует с водой?
Кислотные свойства оксида проявляются не только в реакции с водой. SiO₂ реагирует со щелочами и основными оксидами с образованием силикатов, поэтому его относят к кислотным оксидам.
Где применяют кремний и его соединения?
Кремний используют в полупроводниковых приборах и солнечных элементах. Соединения кремния нужны для производства стекла, керамики и цемента, а кремнезём входит в состав песка и кварца.
§ 40. Кремний
