"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Кремний Si — элемент с порядковым номером 14, важный для природы и техники. Его простое вещество имеет атомную кристаллическую решётку и полупроводниковые свойства, поэтому применяется в электронике. При взаимодействии с кислородом кремний образует оксид SiO₂ — твёрдый тугоплавкий кислотный оксид. В природе этот оксид встречается как кварц и входит в состав песка; при реакциях со щелочами и основными оксидами он образует силикаты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кремний — химический элемент с символом Si и порядковым номером 14, расположенный в 3-м периоде и IV группе (14-й группе) периодической системы. Для него характерны степени окисления +4 и −4, а в простых веществах степень окисления равна 0. Эти обозначения помогают описывать состав соединений и составлять уравнения реакций.
Кристаллический кремний — простое вещество, в котором атомы упорядоченно связаны в единую атомную кристаллическую решётку. В отличие от аморфного кремния, атомы которого не образуют такого правильного порядка, кристаллический кремний имеет иные физические свойства. Различие важно учитывать, когда объясняют свойства вещества и его применение.
Оксид кремния(IV) — соединение кремния с кислородом состава SiO₂. Римская цифра в названии показывает степень окисления кремния: в этом соединении она равна +4, поскольку кислород обычно имеет степень окисления −2. По формуле можно определить соотношение атомов и проверить степени окисления.
Кремнезём — природный оксид кремния(IV), встречающийся в виде минерала кварца и входящий в состав песка. Это название указывает на распространённую природную форму SiO₂, а не на отдельный химический элемент. Знание названий помогает связать формулу вещества с минералами и материалами вокруг нас.
Кремний находится в IV группе, поэтому на внешнем энергетическом уровне его атома четыре электрона. Такие электроны могут участвовать в образовании связей с другими атомами, что определяет характер химических соединений кремния. В них часто проявляется степень окисления +4, например в SiO₂: два атома кислорода имеют суммарный заряд −4, которому соответствует +4 у кремния.
В кристаллическом кремнии каждый атом связан с четырьмя соседними атомами. Связи продолжаются по всему кристаллу, поэтому вещество не состоит из отдельных маленьких молекул: оно образует общую атомную структуру. Прочные связи мешают атомам смещаться, что делает кремний твёрдым; особенности строения также позволяют использовать его как полупроводник — материал, проводимость которого можно изменять.
При нагревании кремний соединяется с кислородом и образует SiO₂. Уравнение реакции: Si + O₂ → SiO₂; число атомов кремния и кислорода слева и справа одинаково, поэтому коэффициенты равны единице. Кислород в оксидах обычно имеет степень окисления −2, а два его атома дают суммарно −4, значит, у кремния степень окисления +4.
В твёрдом SiO₂ атомы образуют пространственную структуру, в которой связи распространяются по всему веществу. Поэтому оксид не состоит из отдельных молекул SiO₂, хотя формула показывает простейшее соотношение атомов. Для разрушения множества прочных связей требуется много энергии, что объясняет твёрдость и высокую температуру плавления оксида.
SiO₂ относится к кислотным оксидам, поэтому реагирует с основаниями — например, со щёлочами — и с основными оксидами. В результате появляются соли кремниевых кислот, называемые силикатами: при реакции с NaOH образуется Na₂SiO₃, а с CaO — CaSiO₃. При этом с водой оксид кремния(IV) в обычных условиях не реагирует: кислотный характер вещества не означает обязательной реакции с водой.
| Признак | Кремний | Оксид кремния(IV) |
|---|---|---|
| Формула | Si | SiO₂ |
| Тип вещества | Простое вещество, неметалл | Сложное вещество, кислотный оксид |
| Строение | Атомная кристаллическая решётка | Пространственная атомная структура |
| Основные физические свойства | Твёрдый; кристаллическая форма — полупроводник | Твёрдый, тугоплавкий |
| Характерные химические свойства | При нагревании реагирует с кислородом, образуя SiO₂ | Реагирует со щелочами и основными оксидами с образованием силикатов |
| Примеры применения | Полупроводниковая техника | Стекло и другие материалы на основе природного кремнезёма |
Сначала сравнивайте формулы и типы веществ: так проще не спутать простое вещество с оксидом. Строки о строении и свойствах показывают, почему кремний и SiO₂ ведут себя по-разному. Последние строки помогают связать химические свойства с применением.
Задача 1. Составьте уравнение реакции кремния с кислородом и определите степень окисления кремния в продукте. Начните с формулы оксида: два атома кислорода соединяются с одним атомом кремния. Затем проверьте число атомов и учтите, что у кислорода в соединении степень окисления −2.
Ответ: Si + O₂ → SiO₂; степень окисления кремния в продукте +4.
Задача 2. Составьте уравнения реакций оксида кремния(IV) с гидроксидом натрия и оксидом кальция. SiO₂ — кислотный оксид, поэтому ожидаем соли-силикаты. Формулы продуктов составляем из ионов натрия или кальция и силикат-иона SiO₃²⁻, затем уравниваем атомы.
Ответ: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; SiO₂ + CaO → CaSiO₃.
Задача 3. Какую массу кремния нужно сжечь, чтобы получить 12 г SiO₂ при выходе реакции 80%? Фактический выход меньше теоретического, поэтому сначала найдём массу SiO₂, которая соответствовала бы 100% выхода. Затем используем соотношение веществ в уравнении реакции.
Ответ: нужно сжечь 7 г кремния. Проверка: при теоретических 15 г SiO₂ выход 80% даёт 12 г.
Называть SiO₂ молекулярным веществом с отдельными молекулами — неверно: формула показывает соотношение атомов, а в твёрдом оксиде они образуют общую пространственную структуру. Такую ошибку допускают, перенося представление о молекулах на все вещества. Проверяйте себя вопросом: есть ли в описании вещества отдельные молекулы или непрерывная кристаллическая решётка?
Считать SiO₂ растворимым в воде и ожидаемо реагирующим с ней — ошибка. Не все кислотные оксиды взаимодействуют с водой, а оксид кремния(IV) при обычных условиях с ней не реагирует. Чтобы проверить себя, вспомните его характерные реакции: со щёлочами и основными оксидами.
Приписывать кремнию свойства углерода только потому, что элементы находятся в одной группе, нельзя. У них различаются строение простых веществ и свойства: кремний твёрдый полупроводник, а свойства углерода зависят от его формы. Сравнивайте конкретные строение и характеристики, а не только номер группы.
Записывать реакцию SiO₂ с кислотой как типичную — неверно: кислотные оксиды обычно реагируют с основаниями, а также с основными оксидами. Ошибку помогает заметить проверка типа каждого реагента и предполагаемого продукта. Для SiO₂ характерны, например, реакции со щёлочью и CaO с образованием силикатов.
Чтобы понять свойства кремния, нужны знания о строении атома и положении элементов в периодической системе: они помогают объяснить число электронов на внешнем уровне и степени окисления. Валентность и степени окисления используют при составлении формул и проверке уравнений. Представление о типах кристаллических решёток связывает строение вещества с твёрдостью и другими свойствами.
Дальше эти знания пригодятся при изучении силикатов, стекла и природных минералов. Связь строения и свойств помогает понять, почему кремний используют в полупроводниках, а кремнезём — в материалах на его основе. Так химические формулы соединяются с природными объектами и технологиями.
Почему кремний твёрдый, если он относится к неметаллам?
В кристаллическом кремнии атомы связаны друг с другом прочными связями и образуют общую пространственную решётку. Чтобы разрушить её, нужна значительная энергия, поэтому кремний твёрдый.
Чем кристаллический кремний отличается от аморфного?
В кристаллическом кремнии атомы расположены упорядоченно, а в аморфном нет такой правильной структуры. Поэтому у этих форм различаются физические свойства, например внешний вид и поведение при нагревании.
Почему SiO₂ не реагирует с водой, хотя является кислотным оксидом?
Кислотные оксиды не обязательно реагируют с водой: для SiO₂ такое взаимодействие при обычных условиях не характерно. Его кислотные свойства проявляются в реакциях со щелочами и основными оксидами.
Как доказать, что оксид кремния(IV) проявляет свойства кислотного оксида?
Можно рассмотреть его реакции со щёлочью и основным оксидом: в обоих случаях образуются соли — силикаты. Например, SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
Где в природе встречается кремнезём и для чего используют кремний?
Кремнезём — природный SiO₂ — встречается в виде кварца и входит в состав песка. Кремний применяют в полупроводниковой технике, в частности при изготовлении электронных приборов.
§ 37. Кремний. Оксид кремния(IV)
