"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Кремний — распространённый элемент земной коры, который обычно встречается не в свободном виде, а в составе кремнезёма и силикатов. Хотя он, как и углерод, имеет четыре электрона на внешнем уровне, строение и свойства их соединений различаются: углекислый газ состоит из отдельных молекул, а SiO₂ образует прочную пространственную структуру. Разобравшись в этом различии, легче понять, почему кремнезём твёрдый и тугоплавкий, а его природные соединения служат сырьём для стекла, керамики и цемента.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кремний — химический элемент IV группы Периодической системы, образующий кристаллическую и аморфную формы простого вещества. В школьном курсе его относят к неметаллам, хотя по некоторым свойствам он занимает промежуточное положение и является полупроводником. В природе кремний очень распространён, но обычно находится в соединениях, а не в свободном виде. Это объясняет, почему его получают из минералов и используют для изготовления разных материалов.
Кремнезём — диоксид кремния с формулой SiO₂, твёрдое вещество с пространственной атомной структурой. В природе он встречается в виде кварца, а также составляет основу кварцевого песка. Формула SiO₂ показывает соотношение атомов кремния и кислорода, но не означает, что вещество состоит из отдельных молекул. Кремнезём важен как природное сырьё, например для производства стекла.
Силикаты — соли кремниевых кислот, содержащие кремний и кислород. К природным силикатам относятся полевой шпат, слюда и минералы, входящие в состав глины. Их состав сложнее, чем у кремнезёма: кроме кремния и кислорода, в них присутствуют другие элементы. Силикаты составляют значительную часть горных пород и служат сырьём для промышленности.
Силикатная промышленность — отрасль, в которой из природного минерального сырья производят стекло, керамику и цемент. Для стекла используют, в частности, кварцевый песок, а для керамики — глину. Цемент получают из смеси минеральных компонентов, которую обжигают и затем измельчают. Эти материалы отличаются составом и назначением, хотя их производство связано с соединениями кремния.
Атомы углерода и кремния имеют по четыре электрона на внешнем уровне, поэтому оба элемента способны образовывать ковалентные связи. Однако атом кремния крупнее атома углерода, и его внешние электроны расположены дальше от ядра. Из-за этого связи между атомами кремния отличаются по прочности и геометрии от связей между атомами углерода. Поэтому одинаковое число внешних электронов не означает одинаковых свойств элементов.
Углерод образует прочные связи с другими атомами углерода, поэтому его атомы могут соединяться в устойчивые цепи и кольца. На этой способности основано огромное разнообразие углеродных соединений, включая вещества живых организмов. Длинные цепи кремния менее устойчивы, поэтому кремний значительно реже строит соединения по такому принципу. В земной коре он чаще связан с кислородом, образуя кремнезём и многочисленные силикаты.
Различие особенно заметно при сравнении оксидов. Молекула CO₂ — отдельная группа из одного атома углерода и двух атомов кислорода, и такие молекулы могут свободно перемещаться относительно друг друга. В SiO₂ каждый атом входит в прочную общую пространственную структуру, где связи продолжаются во всех направлениях. Для разделения этой структуры требуется много энергии, поэтому при обычных условиях CO₂ — газ, а SiO₂ — твёрдое вещество.
Прочная структура объясняет, почему кремнезём тугоплавок, не растворяется в воде и не реагирует с ней при обычных условиях. Вода не разрушает связи между атомами в кристаллической структуре SiO₂, поэтому здесь нельзя ожидать поведения, похожего на растворение CO₂. При нагревании кремнезём реагирует с основаниями и основными оксидами. Например, при сплавлении со щёлочью образуется соль кремниевой кислоты: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
Природное сырьё выбирают с учётом его состава и поведения при обработке. Кварцевый песок содержит SiO₂, который при высокой температуре вместе с добавками образует стекломассу; после охлаждения она твердеет. Глина состоит из тонкодисперсных минералов, в том числе силикатов, поэтому ей можно придать форму, а при обжиге она становится прочной. Цемент производят из смеси минеральных компонентов, включая известняк и глину: обжиг и последующее измельчение дают порошок, который твердеет при смешивании с водой.
| Признак | Углерод и CO₂ | Кремний и SiO₂ |
|---|---|---|
| Способность атомов элемента образовывать цепи | Углерод образует устойчивые длинные цепи и кольца. | Кремний значительно реже образует длинные устойчивые цепи. |
| Типичная форма существования оксида | CO₂ существует в виде отдельных молекул. | SiO₂ образует общую пространственную атомную структуру. |
| Состояние оксида при обычных условиях | CO₂ — газ. | SiO₂ — твёрдое вещество. |
| Поведение оксида при взаимодействии с водой | CO₂ растворяется в воде; часть его молекул образует угольную кислоту. | SiO₂ с водой при обычных условиях не реагирует и не растворяется. |
| Реакции оксида со щелочами и основными оксидами | CO₂ реагирует с ними с образованием солей, например карбонатов. | SiO₂ реагирует со щелочами и основными оксидами при нагревании. |
Сравнивайте вещества по строению, а затем связывайте строение с наблюдаемыми свойствами. Особенно показательно, что формулы CO₂ и SiO₂ похожи, но частицы и агрегатные состояния у этих оксидов различаются. Таблица также помогает не переносить реакции одного оксида на другой без проверки.
Задача 1. Укажите формулу кремнезёма и объясните, почему его нельзя считать газом, подобным углекислому газу.
Ответ: формула кремнезёма — SiO₂; это твёрдое вещество с пространственной атомной структурой, а не газ из отдельных молекул, как CO₂.
Задача 2. Составьте уравнение реакции диоксида кремния с гидроксидом натрия при нагревании.
Ответ: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O (при нагревании).
Задача 3. Объясните, почему кварцевый песок подходит для производства стекла, а природная глина — для производства керамики; укажите, какие свойства исходного сырья используются.
Ответ: кварцевый песок служит источником SiO₂ для стекла, а пластичная глина подходит для формования керамических изделий, которые твердеют при обжиге.
Ошибка: считать, что SiO₂ состоит из отдельных молекул, как CO₂. К этому подталкивает похожая запись формул, но она показывает только соотношение атомов. Проверьте себя: у CO₂ выделяют самостоятельные молекулы, а в SiO₂ атомы образуют общую пространственную структуру.
Ошибка: ожидать от SiO₂ реакции с водой, подобной реакции CO₂. CO₂ растворяется в воде и частично образует угольную кислоту, а кремнезём при обычных условиях не растворяется и не реагирует с ней. Чтобы проверить рассуждение, сравните строение оксидов, а не только их формулы.
Ошибка: называть кремний металлом из-за способности проводить электрический ток. Кремний — полупроводник, и его электропроводность отличается от металлической; она зависит, в частности, от температуры и примесей. Если вещество проводит ток, этого признака недостаточно, чтобы отнести его к металлам.
Ошибка: считать все соединения кремния силикатами. Такое представление возникает потому, что кремний часто встречается в силикатных минералах. Но SiO₂ — отдельный класс вещества, оксид, а силикаты — соли кремниевых кислот. Проверяйте состав и тип соединения: наличие атомов кремния само по себе не делает вещество силикатом.
Чтобы понять различия между кремнием и углеродом, нужны знания о строении атома и положении элементов в Периодической системе: у обоих по четыре внешних электрона. Понятия ковалентной связи, аллотропии углерода и молекулярного и атомного строения помогают объяснить различие между CO₂ и SiO₂. Представление о кислотных оксидах пригодится при составлении уравнений реакций кремнезёма со щёлочами и основными оксидами. Эти знания связывают химию с изучением минералов и созданием стекла, керамики и цемента.
Почему кремний и углерод, находясь в одной группе, так различаются по свойствам?
У атомов обоих элементов по четыре электрона на внешнем уровне, но атом кремния крупнее. Поэтому связи Si—Si менее удобны для образования устойчивых длинных цепей, чем связи C—C. Кремний чаще образует прочные соединения с кислородом.
Почему углекислый газ — газ, а диоксид кремния — твёрдое вещество?
CO₂ состоит из отдельных небольших молекул, между которыми при обычной температуре действуют сравнительно слабые силы. В SiO₂ атомы связаны в общую пространственную структуру, поэтому для её разрушения требуется много энергии. Отсюда высокая температура плавления кремнезёма.
Реагирует ли кремнезём с водой?
При обычных условиях SiO₂ с водой не реагирует и в ней не растворяется. Это связано с прочной структурой кремнезёма. Не следует переносить на него поведение CO₂, который растворяется в воде и образует угольную кислоту.
Чем силикаты отличаются от кремнезёма?
Кремнезём — это оксид кремния SiO₂, состоящий из кремния и кислорода. Силикаты — соли кремниевых кислот, в составе которых есть кремний и кислород, а также другие элементы, например натрий, кальций или алюминий. Кварц — кремнезём, а полевой шпат и слюда — примеры силикатов.
Из каких природных соединений кремния получают стекло и керамику?
Для производства стекла используют кварцевый песок, основой которого является SiO₂, а также добавки соды и известняка. Керамику делают главным образом из глины, содержащей природные силикаты. При обжиге глина твердеет и сохраняет приданную ей форму.
§ 40. Кремний и его соединения отличаются по свойствам от углерода и его соединений
