§ 47. Кремний. Важнейшие соединения кремния

Определения и обозначения

Кремний — химический элемент Si главной подгруппы 14-й группы и третьего периода. В его атоме 14 электронов, конфигурация внешнего уровня — 3s²3p². В соединениях встречаются степени окисления −4, +2 и +4, причём наиболее характерна +4; эти сведения помогают предсказывать состав веществ и направление окислительно-восстановительных реакций.

Кремнезём — диоксид кремния SiO₂, соединение кремния с кислородом в степени окисления +4. В природе он встречается как кварц, песок, горный хрусталь и другие разновидности. Кремнезём твёрдый, тугоплавкий и нерастворимый в воде; его свойства объясняют применение в производстве стекла и строительных материалов.

Силикаты — соли кремниевых кислот, в состав которых входят кремний и кислород, а также катионы металлов. Они образуют многие минералы земной коры; алюмосиликаты дополнительно содержат алюминий. Знание этой группы важно, потому что именно природные силикаты составляют основу многих горных пород и служат сырьём для промышленности.

Силикатная кислота — очень слабая малорастворимая кислота, которую обычно обозначают формулой H₂SiO₃. В воде она не образует обычного прозрачного раствора: при получении из растворимого силиката появляется студенистый осадок. Это свойство позволяет объяснить, почему сильная кислота вытесняет её из раствора соли.

Как это устроено

У атома кремния четыре электрона на внешнем уровне, как и у углерода, поэтому кремний способен образовывать четыре ковалентные связи. Однако его атом крупнее, а связь Si–Si менее прочная, чем связь C–C, поэтому кремний не образует такого многообразия устойчивых цепей, как углерод. По положению в группе он неметалл, но простое вещество имеет некоторые внешние признаки, напоминающие металлы; в реакциях кремний может быть восстановителем, отдавая электроны, например при взаимодействии с кислородом.

Высокая химическая активность кремния при образовании устойчивых соединений с кислородом объясняет, почему в земной коре он обычно содержится не в свободном виде, а в оксидах и силикатах. Для лабораторного получения SiO₂ восстанавливают магнием при нагревании: SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO. В процессе кремний понижает степень окисления с +4 до 0, значит, SiO₂ — окислитель, а магний — восстановитель. Полученный очищенный кремний применяют в электронике, потому что его электропроводность можно контролируемо менять.

В кристалле каждый атом кремния связан с четырьмя соседними атомами прочными ковалентными связями, образуя пространственную атомную решётку. Чтобы сдвинуть слои такой структуры, нужно разорвать множество связей, поэтому кремний твёрдый; при ударе связи разрушаются, и кристалл раскалывается, то есть он хрупкий. В чистом кремнии свободных носителей заряда мало, но нагревание, освещение или добавление небольшого количества примесей увеличивают их число, поэтому материал проводит ток лучше изолятора, но хуже металла.

В SiO₂ атомы соединены в единую пространственную сеть, а не собраны в отдельные молекулы; это атомная кристаллическая решётка. Разрушение множества прочных связей требует значительной энергии, поэтому кремнезём тугоплавок. Вода не расщепляет эту сеть и не вызывает реакции, зато при нагревании SiO₂ реагирует со щёлочами и основными оксидами, образуя силикаты: например, Na₂SiO₃ или CaSiO₃. Так проявляется кислотный характер оксида.

Растворимый силикат натрия при добавлении сильной кислоты превращается в малорастворимую силикатную кислоту: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Более слабая кислота выделяется из соли потому, что сильная кислота связывает катионы натрия, а H₂SiO₃ удаляется из раствора в виде осадка. Для производства стекла природное сырьё, содержащее SiO₂, нагревают с содой и известняком; получают силикатную смесь, которую плавят и формуют. Состав исходных материалов и добавок позволяет получать стекло и другие силикатные материалы с нужными свойствами.

Кремний и важнейшие соединения кремния

Чтобы пользоваться таблицей, сначала сопоставь формулу вещества с его строением: оно часто объясняет твёрдость, растворимость и химическую активность. Затем найди характерные реакции и проверь, к какому классу относится вещество. Последний столбец показывает, как свойства связаны с распространением и применением.

Разбор задач

1. Получение кремния магнием

Запишите уравнение получения кремния восстановлением оксида кремния(IV) магнием и укажите окислитель и восстановитель.

1. Составляем схему: SiO₂ + Mg → Si + MgO. Кремний в оксиде имеет степень окисления +4, а в простом веществе — 0; магний переходит из 0 в +2.
2. Уравниваем кислород: в SiO₂ два атома O, поэтому справа ставим 2MgO. Для этого нужны два атома Mg слева.
3. Проверяем атомы: Si — один с каждой стороны, O — два, Mg — два. Получаем SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO.
4. Si принимает электроны и восстанавливается, поэтому SiO₂ является окислителем. Mg отдаёт электроны и окисляется, значит, магний — восстановитель.

Ответ: SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO; окислитель — SiO₂, восстановитель — Mg.

2. Реакции диоксида кремния

Составьте уравнения реакций диоксида кремния с гидроксидом натрия и оксидом кальция.

1. Определяем свойства реагента: SiO₂ — кислотный оксид, поэтому при нагревании он реагирует со щёлочью с образованием соли и воды.
2. Записываем продукты взаимодействия с гидроксидом натрия — силикат натрия и воду. Балансируем натрий и водород: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
3. Основный оксид CaO при нагревании с SiO₂ даёт соль — силикат кальция. Соотношение атомов уже сбалансировано: SiO₂ + CaO → CaSiO₃.
4. Проверяем, что в обоих уравнениях сохранено число атомов каждого элемента. Эти реакции показывают кислотный характер SiO₂, хотя он и не взаимодействует непосредственно с водой.

Ответ: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; SiO₂ + CaO → CaSiO₃. Реакции проводят при нагревании.

3. Действие соляной кислоты на силикат натрия

К раствору силиката натрия добавили избыток соляной кислоты. Определите, какие вещества образуются, и составьте уравнение реакции.

1. Силикат натрия — растворимая соль, а HCl — сильная кислота. Сильная кислота вытесняет более слабую силикатную кислоту из её соли.
2. Записываем продукты: H₂SiO₃ и NaCl. Стрелка вниз у формулы кислоты обозначает её выпадение в осадок, так как она малорастворима в воде.
3. В Na₂SiO₃ два атома натрия, поэтому образуются две формульные единицы NaCl. Для этого нужны два атома хлора, то есть 2HCl.
4. Проверяем водород: два атома H из 2HCl входят в H₂SiO₃. Уравнение Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl сбалансировано.

Ответ: образуются осадок силикатной кислоты H₂SiO₃ и растворимый хлорид натрия NaCl.

Типичные ошибки

Ошибка — считать кремний типичным металлом или типичным неметаллом и переносить на него все свойства одной из этих групп. Её допускают из-за положения кремния в таблице и металлического блеска кристалла, не учитывая строение и полупроводниковые свойства. Проверяй вывод по конкретным свойствам: твёрдость и блеск сами по себе не делают кремний металлом, а способность быть восстановителем не отменяет его неметаллической природы.

Кремний Si и кремнезём SiO₂ — не одно и то же: первое вещество простое, второе — соединение с кислородом. Их путают, потому что названия близки и оба связаны с одним элементом. Перед решением проверь индекс кислорода в формуле: у Si его нет, у SiO₂ есть, поэтому различаются и состав, и химические реакции.

Нельзя ожидать, что SiO₂ будет реагировать с водой так же, как некоторые кислотные оксиды. Ошибка возникает из-за правила о взаимодействии кислотных оксидов с водой, которое не распространяется одинаково на все вещества этого класса. Проверь, возможно ли разрушение прочной пространственной решётки: кремнезём с водой непосредственно не реагирует, зато взаимодействует со щёлочами при нагревании.

Силикатную кислоту не следует изображать как хорошо растворимое вещество. Такое представление появляется по аналогии с сильными кислотами, растворы которых прозрачны. Проверка — уравнение получения из растворимого силиката: H₂SiO₃ отмечают стрелкой вниз, поскольку она малорастворима и выделяется в виде студенистого осадка.

Связь с другими темами

Для понимания свойств кремния нужны знания о строении атома, периодическом изменении свойств элементов, степенях окисления и окислительно-восстановительных реакциях. Эти понятия помогают объяснить его поведение при получении из SiO₂ и определить окислитель с восстановителем. Кислотные оксиды, кислоты и соли позволяют предсказать реакции кремнезёма и силикатов. Тема также связана с материалами: кремний применяют в полупроводниковой технике, а силикаты — в производстве стекла и керамики.

Что запомнить

• Кремний — элемент главной подгруппы 14-й группы; его простое вещество имеет атомную кристаллическую решётку.
• Кристаллический кремний — полупроводник.
• В природе кремний встречается преимущественно в составе соединений.
• Кремнезём — оксид кремния(IV) SiO₂.
• SiO₂ реагирует со щелочами и основными оксидами, но не реагирует непосредственно с водой.
• Силикатную кислоту получают действием сильной кислоты на растворимый силикат.
• Силикаты и алюмосиликаты широко распространены в земной коре и служат сырьём для производства стекла и керамики.