"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Кремнезём, силикаты и соединения бора широко распространены в природе и используются при производстве стекла, керамики и других материалов. Их свойства связаны со строением частиц: например, прочная атомная сеть делает SiO₂ твёрдым и тугоплавким. Кремнезём при нагревании образует силикаты, а из растворимых силикатов кислотой можно выделить слабую силикатную кислоту. Оксид бора B₂O₃ связан с борной кислотой и боратами, но кислотные свойства H₃BO₃ проявляются необычно.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кремнезём — оксид кремния(IV) SiO₂. В твёрдом состоянии он имеет атомную кристаллическую решётку: атомы связаны в общую пространственную сеть, а не собраны в отдельные молекулы. Такое устройство помогает объяснить прочность и тугоплавкость вещества, важные для его применения.
Силикат — соль кремниевой кислоты. К силикатам относятся многие природные минералы, а также материалы, из которых получают стекло и керамику. Это понятие помогает объединить разнообразные природные и технические вещества по составу и химическим свойствам.
Силикатная кислота — слабая малорастворимая кислота переменного состава. Её получают действием более сильной кислоты на растворимый силикат, например силикат натрия. Так можно обнаружить силикат-ионы в растворе: кислота выпадает в осадок или образует студенистую массу.
Борная кислота — слабая кислота H₃BO₃, связанная с оксидом бора(III) B₂O₃. Несмотря на три атома водорода в формуле, она не ведёт себя как обычная трёхосновная кислота. Это нужно учитывать при записи её реакций с водой и основаниями.
В кремнезёме каждый атом входит в общую сеть связей между кремнием и кислородом. Чтобы расплавить или разрушить эту сеть, необходимо затратить много энергии; поэтому SiO₂ твёрдый и тугоплавкий. В отличие от молекулярных веществ, он не состоит из частиц, которые можно сравнительно легко разделить друг от друга нагреванием.
SiO₂ химически инертен при обычных условиях, поскольку его прочная структура затрудняет взаимодействие с реагентами. В частности, он не растворяется в воде и не образует с ней кислоту, хотя относится к кислотным оксидам. При нагревании кремнезём реагирует со щелочами и основными оксидами: например, SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O. Образование соли — силиката — показывает кислотный характер оксида.
Растворимые силикаты содержат частицы, из которых при подкислении образуется силикатная кислота. Поскольку она малорастворима, то отделяется от раствора, а не остаётся в нём в заметном количестве. Получившаяся кислота может терять воду; при нагревании схематически записывают H₂SiO₃ → SiO₂ + H₂O. Поэтому подкисление силикатов позволяет перейти от растворимой соли к кремнезёму через кислоту.
У атома бора пять электронов: два находятся на первом энергетическом уровне, а три — на втором; электронная конфигурация — 1s² 2s² 2p¹. Бор проявляет свойства неметалла, а его соединения отличаются от соединений кремния составом и характером связей. Это помогает понять, почему нельзя просто переносить на бор все реакции, известные для кремнезёма и силикатов.
Оксид бора(III) B₂O₃ — кислотный оксид: при взаимодействии с водой он образует борную кислоту, B₂O₃ + 3H₂O → 2H₃BO₃. С основаниями оксид даёт соли — бораты, например B₂O₃ + 2NaOH → 2NaBO₂ + H₂O. В водном растворе H₃BO₃ принимает гидроксид-ион от воды: H₃BO₃ + 2H₂O ⇌ B(OH)₄⁻ + H₃O⁺. Такой способ проявления кислотных свойств отличает её от привычной схемы, в которой кислота непосредственно отдаёт H⁺.
| Признак | Кремнезём SiO₂ | Силикаты | Оксид бора B₂O₃ | Борная кислота H₃BO₃ |
|---|---|---|---|---|
| Тип соединения | Оксид кремния(IV), кислотный оксид | Соли кремниевой кислоты | Оксид бора(III), кислотный оксид | Слабая кислота |
| Особенности строения | Атомная пространственная сеть Si–O | Состав и строение зависят от соли; есть природные силикаты | Ковалентное сетчатое строение | Молекулярное вещество; в воде проявляет кислотные свойства особым образом |
| Физические свойства | Твёрдый, тугоплавкий, нерастворимый в воде | Свойства различны; многие минералы твёрдые и малорастворимые | Твёрдое стеклообразное вещество | Белое твёрдое вещество, растворяется в воде ограниченно |
| Характерные химические свойства | При нагревании реагирует со щелочами и основными оксидами | Растворимые соли при подкислении дают силикатную кислоту | С водой образует H₃BO₃, с основаниями — бораты | Слабая кислота; может образовывать соли-бораты |
| Примеры применения или природного распространения | Кварц, песок; сырьё для стекла | Минералы земной коры, стеклообразные материалы, керамика | Стекло и другие боросиликатные материалы | Используется в химической промышленности и лаборатории |
Сначала сравните тип соединения и строение: они помогают объяснить физические свойства. Затем проследите, какие вещества вступают в реакции и какие продукты образуются. Строка о распространении и применении связывает химические свойства с природой и технологией.
Задача 1. Запишите уравнение реакции оксида кремния(IV) с гидроксидом натрия при нагревании. Нужно распознать SiO₂ как кислотный оксид и подобрать соль, образующуюся при взаимодействии со щёлочью. Натрий одновалентен, а силикат-ион в этой реакции соответствует составу Na₂SiO₃.
Ответ: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O (t°).
Задача 2. К раствору силиката натрия добавили избыток соляной кислоты. Запишите уравнение и назовите признак реакции. Более сильная кислота вытесняет слабую силикатную кислоту из её соли, а малорастворимый продукт отделяется от раствора.
Ответ: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Признак реакции — помутнение раствора и появление белого студенистого осадка или геля силикатной кислоты.
Задача 3. Составьте цепочку SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂SiO₃ → SiO₂. Каждая стрелка означает отдельную реакцию: сначала получаем растворимую соль, затем выделяем кислоту, после чего удаляем из неё воду. Условия нужны, чтобы учесть, что кремнезём реагирует со щёлочью при нагревании, а кислота разлагается при нагревании.
Ответ: цепочка осуществима указанными реакциями; для первой и третьей стадий требуется нагревание, для второй — подкисление раствора силиката.
Считать SiO₂ молекулярным веществом — ошибка: твёрдый кремнезём имеет атомную сетчатую структуру. Её допускают, перенося на него представление о маленьких отдельных молекулах. Проверьте себя: если в описании твёрдого вещества говорится о единой сети связей, а не о молекулах, это атомная решётка.
Нельзя приравнивать свойства SiO₂ к свойствам CO₂ и ожидать, что кремнезём вступит в реакцию с водой. Такое сравнение возникает потому, что оба вещества являются кислотными оксидами, однако их строение и реакционная способность различаются. Для проверки вспомните характерные реакции: SiO₂ взаимодействует со щелочами и основными оксидами, обычно при нагревании.
Силикатную кислоту ошибочно называют сильной и хорошо растворимой. Её образование при подкислении раствора силиката легко наблюдать именно потому, что она слабая и малорастворимая. Сверьте вывод с продуктами реакции: кислота появляется в осадке или геле, а не остаётся полностью растворённой.
Борную кислоту неверно автоматически считать типичной трёхосновной кислотой из-за трёх атомов водорода в формуле. Число атомов H само по себе не показывает, как именно кислота ведёт себя в воде. Проверяйте механизм: H₃BO₃ принимает OH⁻ от воды, поэтому обычную схему последовательного отщепления трёх протонов применять без обоснования нельзя.
Для понимания темы нужны знания о строении атома и типах кристаллических решёток, а также о кислотных и основных оксидах, кислотах и солях. Эти представления позволяют объяснить свойства SiO₂ и предсказать продукты реакций. Связь с географией и технологией проявляется в изучении круговорота кремния и бора и производства стекла, керамики и цемента. Силикаты и бораты важны при рассмотрении неметаллов, минерального сырья и качественных реакций на ионы.
Почему кремнезём твёрдый и тугоплавкий?
В SiO₂ нет отдельных молекул: атомы кремния и кислорода образуют единую прочную пространственную сеть. Чтобы разрушить её, требуется много энергии, поэтому кремнезём твёрдый и плавится при высокой температуре.
Почему SiO₂ не растворяется в воде, хотя является кислотным оксидом?
Кислотный характер означает, что SiO₂ может реагировать с основаниями и основными оксидами, но не обязательно с водой. Прочная атомная сеть кремнезёма и низкая растворимость делают его взаимодействие с водой практически невозможным.
Как получить силикатную кислоту из силиката натрия?
К раствору Na₂SiO₃ добавляют более сильную кислоту, например соляную: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Силикатная кислота малорастворима, поэтому смесь мутнеет и может образоваться студенистый осадок.
Чем силикатная кислота отличается от угольной?
Обе кислоты слабые и неустойчивые, но силикатная кислота малорастворима и часто выделяется из раствора в виде геля. Угольная кислота существует в водном растворе и легко разлагается на воду и углекислый газ.
Почему борную кислоту нельзя считать типичной трёхосновной кислотой?
Хотя формула H₃BO₃ содержит три атома водорода, они не отщепляются от молекулы по обычной схеме трёхосновной кислоты. В воде борная кислота принимает гидроксид-ион от молекулы воды, поэтому её кислотные свойства проявляются особым образом.
§ 36. Соединения кремния 193 § 37. Бор
