"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Кремний Si — элемент 14-й группы, который образует кристаллическую и аморфную формы. Кристаллический кремний твёрдый и хрупкий, а его электропроводность зависит от температуры и примесей, поэтому он важен для электроники и солнечных батарей. При нагревании кремний реагирует с кислородом, галогенами, углеродом и металлами, а в горячей щёлочи растворяется с выделением водорода. Знание этих свойств помогает понять получение кремния и производство материалов на его основе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия кремния — существование кремния в разных формах строения, прежде всего кристаллической и аморфной. Это не разные элементы, а один и тот же химический элемент с неодинаковым порядком расположения атомов. Понятие помогает объяснить, почему формы кремния отличаются некоторыми физическими свойствами.
Атомная кристаллическая решётка — строение кристаллического кремния, в котором атомы соединены прочными ковалентными связями. Связи образуют пространственную сеть, поэтому отдельные молекулы в кристалле не выделяются. Это понятие нужно, чтобы связать строение кремния с его твёрдостью, хрупкостью и высокой температурой плавления.
Полупроводник — вещество, электропроводность которого занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и зависит от температуры и примесей. В кремнии электрический ток переносят заряженные частицы, число которых можно менять нагреванием или добавлением небольшого количества других элементов. Так объясняется применение кремния в электронных устройствах.
Силициды — бинарные соединения кремния с металлами, образующиеся при взаимодействии кремния с некоторыми металлами. Слово «бинарные» означает, что соединение состоит из двух химических элементов. Понятие важно при описании реакций кремния с металлами и получения материалов с заданными свойствами.
Кремний находится в 14-й группе, как и углерод, и имеет четыре электрона на внешнем энергетическом уровне: 3s²3p². Чтобы заполнить внешний уровень, атому удобно образовать четыре ковалентные связи, то есть связи за счёт общих электронных пар. В зависимости от партнёра по реакции кремний может отдавать или присоединять электроны условно, поэтому для него характерны степени окисления +4, +2 и −4. Углублённые химические свойства особенно заметны в соединениях со степенью окисления +4.
В кристалле каждый атом кремния связан с соседними атомами прочными ковалентными связями. Эти связи распространяются по всему веществу и образуют атомную решётку, а не отдельные молекулы; чтобы сместить слои атомов, нужно нарушить много связей. Поэтому кристаллический кремний твёрдый, но хрупкий: он плохо деформируется, и при нагрузке связи разрушаются. У аморфного кремния нет дальнего порядка, то есть атомы не выстраиваются в регулярную решётку на больших расстояниях.
Упорядоченная атомная структура связана и с высокой температурой плавления: для перехода в жидкость нужно ослабить множество прочных связей. Кремний выглядит серо-стальным и блестит, но внешний блеск не означает, что он является металлом. Его плотность сравнительно мала по сравнению со многими металлами. Электропроводность объясняется тем, что часть электронов может участвовать в переносе заряда; при нагревании и введении примесей таких носителей становится больше, поэтому кремний проводит ток лучше.
При обычной температуре кремний сравнительно малоактивен: прочные связи и защитный поверхностный слой затрудняют контакт реагентов с атомами вещества. При нагревании возрастает энергия частиц, и реакции идут легче. С кислородом кремний окисляется до диоксида кремния SiO₂, а с галогенами образует тетрагалогениды, например SiCl₄. В этих реакциях кремний обычно проявляет восстановительные свойства, отдавая электроны более сильному окислителю.
При нагревании кремний соединяется с углеродом, образуя карбид кремния SiC, и реагирует с некоторыми металлами с образованием силицидов. В горячем растворе щёлочи кремний окисляется, а вода восстанавливается до водорода; продуктом кремния становится силикат. С большинством кислот реакция не идёт, но плавиковая кислота способна разрушать защитный слой и взаимодействовать с кремнием. Поэтому нельзя считать, что он одинаково реагирует со всеми кислотами или ведёт себя как углерод.
В таблице собраны наблюдаемые свойства и условия, при которых проявляются химические реакции. Сначала определите, какое свойство описывает строка, затем проверьте условия и формулу продукта. При составлении уравнений отдельно проследите за балансом атомов и изменением степеней окисления.
| Характеристика | Проявление свойства | Условия и продукт |
|---|---|---|
| Агрегатное состояние, цвет и внешний вид | Твёрдое вещество серо-стального цвета с металлическим блеском | При обычных условиях; блеск не означает, что кремний — металл |
| Строение и механические свойства | Кристаллическая форма твёрдая и хрупкая; существует также аморфная форма | Атомная решётка с прочными ковалентными связями |
| Электропроводность | Полупроводниковая; возрастает при нагревании и введении примесей | Зависит от числа носителей заряда |
| Взаимодействие с кислородом | Образуется SiO₂ | При нагревании: Si + O₂ → SiO₂ |
| Взаимодействие с галогенами | Образуются тетрагалогениды SiX₄ | При нагревании, например Si + 2Cl₂ → SiCl₄ |
| Взаимодействие с углеродом | Образуется карбид кремния SiC | При высокой температуре |
| Взаимодействие с металлами | Образуются силициды | При нагревании с некоторыми металлами |
| Взаимодействие со щелочами | Образуются силикат и водород | В горячем водном растворе: Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑ |
| Отношение к большинству кислот | Обычно не реагирует | Исключение — плавиковая кислота |
Условие. Составьте уравнение реакции кремния с кислородом и определите, какое свойство кремния проявляется. Кислород обычно окисляет элементы, а кремний при нагревании образует устойчивый оксид. Нужно выбрать формулу продукта и проверить, меняются ли степени окисления.
Ответ. Si + O₂ → SiO₂; при нагревании кремний окисляется кислородом до степени окисления +4.
Условие. Найдите массу SiO₂, полученную при полном сгорании 14 г кремния. Уравнение реакции уже установлено: Si + O₂ → SiO₂. По коэффициентам один моль кремния даёт один моль диоксида, поэтому сначала находим количество кремния, а затем массу продукта.
Ответ. Образуется 30 г SiO₂. Масса продукта больше массы кремния, потому что в состав диоксида входит также кислород из воздуха.
Условие. Найдите объём водорода при растворении 5,6 г кремния в горячем растворе NaOH, если выход реакции равен 80%. Считаем, что объём газа измерен при нормальных условиях, где молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Уравнение реакции связывает один моль кремния с двумя молями водорода.
Ответ. При указанных условиях выделится около 7,2 л водорода.
1. Кремний называют металлом из-за блеска. Такую ошибку допускают, ориентируясь на внешний вид, а не на свойства вещества. Блеск встречается и у неметаллов; проверить вывод помогают положение кремния в периодической системе и его полупроводниковая проводимость.
2. Аморфный и кристаллический кремний считают разными элементами. Различие строения легко принять за различие состава. Проверка проста: в обеих формах присутствуют атомы одного элемента Si, а значит, это аллотропные формы.
3. При реакции с кислородом записывают SiO. Ошибка возникает, если переносить формулу оксида с другой степенью окисления или не учитывать обычный продукт окисления. Для горения кремния записывают SiO₂; затем проверяют число атомов кислорода и степень окисления кремния +4.
4. Свойства кремния без оговорок приравнивают к свойствам углерода. Элементы одной группы похожи, но это не означает одинаковую активность и одинаковые реакции. Сверяйте условия: кремний малоактивен при обычной температуре, реагирует с горячей щёлочью, а к большинству кислот устойчив.
Для объяснения свойств кремния нужны знания о строении атома, его положении в периодической системе, электронных конфигурациях, степенях окисления и ковалентной связи. Эти понятия помогают составлять уравнения реакций и объяснять, почему кремний образует разные соединения. Далее свойства Si пригодятся при изучении диоксида кремния, силикатов, стекла и керамики.
Кремний важен и для тем о современных материалах: из него получают полупроводниковые компоненты, применяемые в электронике и солнечной энергетике. Его соединение с углеродом, карбид кремния, используют как прочный материал. Реакции кремния также помогают понять способы получения чистого элемента и силицидов.
Почему кремний считают неметаллом, если он имеет металлический блеск?
Блеск — только внешний признак и сам по себе не делает вещество металлом. Кремний проявляет свойства полупроводника, а его химические свойства и положение в периодической системе относят его к неметаллам.
Чем отличаются кристаллический и аморфный кремний?
В кристаллическом кремнии атомы упорядочены в решётку с дальним порядком. В аморфном кремнии сохраняется ближний порядок связей, но регулярное расположение атомов на больших расстояниях отсутствует.
Почему кремний проводит электрический ток хуже металлов?
В кремнии меньше свободных носителей заряда, чем в металлах, поэтому его проводимость ниже. При нагревании или добавлении примесей число носителей растёт, и ток проходит легче.
Почему кремний малоактивен при обычной температуре?
Атомы кремния связаны в прочную структуру, поэтому для начала многих реакций требуется значительная энергия. Кроме того, поверхность может быть защищена тонким слоем диоксида кремния.
С какими кислотами и щелочами реагирует кремний?
Кремний устойчив к большинству кислот, но реагирует с плавиковой кислотой, разрушающей защитный оксидный слой. В горячих растворах щелочей он растворяется с образованием силиката и выделением водорода.
19.7. Физические и химические свойства кремния
