"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Кремний — неметалл IV группы, образующий прочные соединения с кислородом и другими элементами. В природе он встречается главным образом в составе кремнезёма и силикатов, а не в свободном виде. Кремний используют как полупроводник, а его соединения — для производства стекла, керамики и цемента. Главное в теме — понять строение и свойства кремния, реакции SiO₂ и способы получения кремниевой кислоты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кремний — химический элемент IV группы, его символ — Si. В атоме кремния 14 электронов, на внешнем уровне находятся четыре электрона, поэтому он образует много прочных связей. Наиболее характерна степень окисления +4, но встречаются также −4 и +2.
Кремнезём — природный диоксид кремния SiO₂. Он встречается в виде кварца, горного хрусталя и входит в состав обычного песка; песок не является чистым кремнием. Это название помогает отличать природное соединение кремния от простого вещества Si.
Силикаты — соли кремниевых кислот. К ним относятся, например, полевой шпат, слюда, каолин и многие другие природные минералы. Силикаты образуют значительную часть земной коры, поэтому знание их состава важно для понимания свойств горных пород.
Силикатная промышленность — производство материалов на основе соединений кремния. К её основным продуктам относят стекло, керамику и цемент. Их свойства зависят от состава сырья и от того, как его нагревают и обрабатывают.
Кремний находится в IV группе, поэтому его атом имеет четыре внешних электрона и способен образовывать четыре ковалентные связи. Ковалентная связь возникает за счёт общих электронных пар. Благодаря этому кремний соединяется с кислородом, галогенами, металлами и водородом, образуя вещества разного состава.
В кристаллическом кремнии каждый атом связан с соседними атомами в прочную пространственную сеть. Поэтому вещество твёрдое, но хрупкое: при смещении слоёв связи разрываются, а не перестраиваются легко, как в металле. Часть электронов может участвовать в переносе заряда, поэтому кремний проводит электрический ток хуже металлов, но лучше изоляторов и является полупроводником.
Кристаллический кремний имеет упорядоченное расположение атомов и используется в электронике. Аморфный кремний не образует дальней закономерной решётки: его атомы расположены менее упорядоченно. Из-за различий в строении отличаются и электрические свойства этих разновидностей.
При нагревании кремний соединяется с кислородом и образует SiO₂, а с галогенами — соответствующие галогениды. В растворах щелочей он взаимодействует с водой и щёлочью с выделением водорода, например: Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂. Реакция идёт потому, что кремний одновременно окисляется, а часть водорода из воды восстанавливается до H₂.
В SiO₂ атомы кремния и кислорода связаны в прочную атомную сеть, поэтому диоксид кремния твёрдый и тугоплавкий. Он является кислотным оксидом: реагирует с основными оксидами и щелочами с образованием силикатов. С водой SiO₂ непосредственно не взаимодействует, так как прочная структура не разрушается обычным растворением.
| Вещество | Формула и класс | Строение или физические свойства | Характерные химические свойства | Применение или распространение |
|---|---|---|---|---|
| Кремний | Si, простое вещество, неметалл | Твёрдый, хрупкий; атомная решётка; полупроводник | При нагревании реагирует с O₂ и галогенами; со щелочами выделяет H₂ | Микросхемы, солнечные батареи, сплавы |
| Диоксид кремния | SiO₂, кислотный оксид | Атомная решётка; твёрдый, тугоплавкий | Реагирует с основными оксидами и щелочами, но не с водой | Кварц, песок, сырьё для стекла |
| Кремниевая кислота | H₂SiO₃, кислота | Малорастворимое студенистое вещество | Образуется из растворимых силикатов действием сильных кислот | Получение силикатов и изучение их свойств |
| Силикаты | Соли кремниевых кислот | Многие входят в состав минералов; бывают растворимыми и нерастворимыми | Растворимые силикаты реагируют с сильными кислотами | Стекло, керамика, цемент; природные горные породы |
Таблица помогает сравнить простое вещество, оксид, кислоту и соли кремниевых кислот. Сначала смотрите на формулу и класс вещества, затем связывайте строение с физическими свойствами. Последняя графа показывает, почему соединения кремния имеют практическое значение.
Условие: составить уравнение реакции кремния с кислородом и определить тип продукта. При нагревании кремний соединяется с кислородом. Нужно проверить, совпадает ли число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения.
Ответ: Si + O₂ → SiO₂; образуется диоксид кремния, кислотный оксид.
Условие: 5,6 г кремния реагируют с избытком NaOH. Найти объём H₂ по уравнению Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂. Избыток щёлочи означает, что расчёт ограничивает только количество кремния.
Ответ: выделится 8,96 л водорода при нормальных условиях.
Условие: записать превращения SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂SiO₃ и указать условия. Сначала кислотный оксид переводят в растворимый силикат щёлочью, затем из силиката вытесняют слабую кремниевую кислоту сильной кислотой.
Ответ: первая реакция требует нагревания, вторая проходит в растворе с образованием осадка H₂SiO₃.
Ошибка — считать кремний металлом из-за металлического блеска. Такой вывод делают по внешнему виду, не учитывая его полупроводниковые свойства и строение решётки. Проверка: вспомните, что кремний относят к неметаллам и обозначают формулой простого вещества Si.
Ошибка — называть песок чистым кремнием. Песок главным образом состоит из SiO₂, а не из атомов элемента Si. Чтобы проверить себя, различайте символ элемента Si и формулу его соединения SiO₂.
Ошибка — путать формулы кремния и его оксида. Si обозначает простое вещество, а SiO₂ — диоксид кремния с двумя атомами кислорода. Полезно читать формулу по названию: слово «диоксид» указывает на наличие двух атомов O.
Ошибка — ожидать реакции SiO₂ с водой с образованием H₂SiO₃. Диоксид кремния с водой непосредственно не взаимодействует, поэтому кислоту получают под действием сильной кислоты на растворимый силикат. Если в записи стоит SiO₂ + H₂O → H₂SiO₃, её нужно считать неверной.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодической системе, химических связях и кристаллических решётках. Они объясняют, почему кремний образует прочные структуры и обладает особыми электрическими свойствами.
Свойства кислотных оксидов, оснований и солей помогают составлять уравнения для SiO₂ и силикатов. Эти знания пригодятся при изучении минералов, горных пород, строительных материалов и полупроводников.
Почему кремний называют полупроводником?
В кристалле кремния электроны связаны не так прочно, как в диэлектрике, но и не так свободно, как в металле. Поэтому его электропроводность занимает промежуточное положение и может изменяться при нагревании, освещении или добавлении примесей.
Чем кремний отличается от кремнезёма?
Кремний — химический элемент и простое вещество с формулой Si. Кремнезём — его соединение с кислородом, диоксид кремния SiO₂; к нему относятся кварц и основная часть обычного песка.
Почему SiO₂ не растворяется в воде и не реагирует с ней?
В SiO₂ атомы образуют прочную пространственную сеть, которую молекулам воды трудно разрушить. Кроме того, диоксид кремния не вступает с водой в обычную реакцию соединения, поэтому кремниевую кислоту получают не прямым взаимодействием с водой.
Как получить кремниевую кислоту из растворимого силиката?
К раствору растворимого силиката, например Na₂SiO₃, добавляют сильную кислоту: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓. Кремниевая кислота выпадает в виде малорастворимого студенистого осадка.
Какие соединения кремния используют при производстве стекла и керамики?
Основным сырьём служат кремнезём и различные силикаты. В стекольной промышленности используют кварцевый песок, соду и известняк, а керамику получают обжигом глин, содержащих алюмосиликаты.
§ 34. Кремний и его свойства. Соединения кремния
