19.8. Соединения кремния

Определения и обозначения

Оксид кремния(IV) SiO₂ — соединение кремния с кислородом. В твёрдом состоянии он построен не из отдельных молекул, а из бесконечной пространственной сетки атомов Si и O. Поэтому SiO₂ твёрдый и тугоплавкий: для разрушения множества прочных связей нужна большая энергия.

Кремниевая кислота H₂SiO₃ — слабая, практически нерастворимая в воде кислота. Запись H₂SiO₃ условна: она показывает состав вещества осадка, который обычно имеет сложное полимерное строение и содержит воду. Это объясняет его студенистый вид и отличие от растворов обычных хорошо растворимых кислот.

Силикаты — соли кремниевых кислот. Силикаты натрия и калия растворяются в воде, а большинство силикатов других металлов практически нерастворимо. Такое различие важно для понимания природных минералов и получения жидкого стекла.

Силикатное стекло получают сплавлением кремнезёма SiO₂ с содой Na₂CO₃ и известняком CaCO₃. При нагревании карбонаты превращаются в оксиды, которые входят в силикатный расплав. Стекло не имеет формулы одного соединения, потому что представляет собой материал переменного состава.

Как это устроено

В решётке SiO₂ каждый атом кремния окружён четырьмя атомами кислорода, а атомы кислорода связывают соседние атомы кремния. Так возникает непрерывная трёхмерная сетка, в которой нет отдельных частиц SiO₂. Для её разрушения нужно разорвать большое число прочных связей, поэтому кремнезём отличается твёрдостью и высокой температурой плавления. Вода не может легко проникнуть в такую структуру и разрушить её, поэтому SiO₂ в ней не растворяется.

По химическим свойствам SiO₂ является кислотным оксидом, хотя с водой кремниевая кислота непосредственно не образуется. С основаниями при нагревании он даёт соли: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O. С основными оксидами реакция также приводит к силикатам, например SiO₂ + CaO → CaSiO₃. Таким образом, кислотные свойства проявляются через взаимодействие с веществами основного характера.

Особое свойство SiO₂ — реакция с плавиковой кислотой HF. В результате образуется летучий фторид кремния: SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O. Поэтому плавиковую кислоту нельзя хранить в стеклянной посуде: она разрушает силикатный материал. В водном растворе при избытке HF может образовываться также гексафторокремниевая кислота H₂SiF₆.

Кремниевую кислоту получают не прямым соединением SiO₂ с водой, а действием сильной кислоты на растворимый силикат. Например, при добавлении HCl к Na₂SiO₃ ионы водорода связываются с силикат-ионами, а слабая кислота выделяется из раствора: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓. Образующееся вещество почти не растворяется и собирается в объёмный студенистый осадок. Его формула условна, поскольку частицы осадка могут соединяться в полимерную гидратированную структуру.

Состав силикатов определяет их свойства и применение. Силикаты натрия и калия растворимы, поэтому их растворы называют жидким стеклом; они используются как связующие, огнезащитные и пропитывающие материалы. Большинство природных минералов, например полевые шпаты, слюды и глины, являются нерастворимыми силикатами. Из силикатного сырья получают стекло, цемент, керамику и фарфор.

Для обычного стекла смешивают песок, соду и известняк, а затем нагревают смесь до сплавления. SiO₂ образует основу сетки, а Na₂O и CaO, возникающие из карбонатов, изменяют её строение и уменьшают температуру плавления. Поэтому смесь плавится легче, чем чистый кремнезём. После охлаждения получается однородный на вид аморфный материал, но не индивидуальное вещество постоянного состава.

Сравнение важнейших соединений кремния

Таблица помогает сопоставить не только формулы, но и связь между строением, растворимостью и применением веществ. При решении задачи сначала определяйте тип соединения, а затем выбирайте характерную для него реакцию. Особенно важно отличать растворимые силикаты от большинства нерастворимых природных силикатов.

Разбор задач

1. Реакции оксида кремния(IV)

Условие: запишите уравнения реакций SiO₂ с гидроксидом натрия и оксидом кальция. Нужно определить продукты по принадлежности SiO₂ к кислотным оксидам. В обоих случаях продуктом будет силикат.

1. Гидроксид натрия является основанием, поэтому при нагревании с кислотным оксидом образуются соль и вода.
2. Составляем формулу силиката натрия и уравниваем атомы: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
3. Оксид кальция — основной оксид, поэтому с SiO₂ он образует только соль без воды: SiO₂ + CaO → CaSiO₃.

Ответ: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; SiO₂ + CaO → CaSiO₃. Первая реакция относится к взаимодействию кислотного оксида с основанием, вторая — к взаимодействию двух оксидов.

2. Получение кремниевой кислоты

Условие: к раствору силиката натрия добавили соляную кислоту. Нужно описать наблюдение и записать уравнение. Сильная кислота вытесняет слабую кремниевую кислоту из её растворимой соли.

1. Определяем ионы исходных веществ: Na₂SiO₃ и HCl находятся в растворе.
2. Составляем продукты обмена: NaCl остаётся растворимым, а H₂SiO₃ выпадает в осадок.
3. Уравниваем реакцию: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓.

Ответ: раствор мутнеет, появляется белый или почти бесцветный студенистый осадок. Уравнение реакции: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃↓.

3. Состав силикатного стекла

Условие: смешали 60 кг SiO₂, 20 кг Na₂CO₃ и 20 кг CaCO₃. Нужно записать превращения карбонатов и определить оксиды, входящие в стекло. При нагревании карбонаты разлагаются с выделением углекислого газа.

1. Записываем разложение соды: Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂↑.
2. Записываем разложение известняка: CaCO₃ → CaO + CO₂↑.
3. Учитываем, что SiO₂ не разлагается и вместе с Na₂O и CaO образует силикатный расплав.
4. Приближённо 60 кг SiO₂ — это 1 моль в расчёте на 60 кг/кмоль, 20 кг Na₂CO₃ дают около 0,189 моль Na₂O, а 20 кг CaCO₃ — 0,20 моль CaO в тех же условных количествах. Эти числа показывают соотношение компонентов, но не превращают стекло в вещество с одной формулой.

Ответ: Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂↑; CaCO₃ → CaO + CO₂↑. В состав полученного стекла входят SiO₂, Na₂O и CaO; часть массы исходной смеси удаляется в виде CO₂.

Типичные ошибки

Называть SiO₂ молекулярным веществом. Формула создаёт впечатление существования отдельных молекул, но твёрдый кремнезём имеет атомную сетку. Проверка: вспомните, что у вещества нет самостоятельных молекул, а атомы связаны в единую решётку.

Считать, что SiO₂ реагирует с водой. Такую ошибку допускают, перенося общее правило для кислотных оксидов на кремнезём. Проверка: в обычных условиях уравнение SiO₂ + H₂O → H₂SiO₃ не записывают.

Путать кремниевую кислоту и силикаты. H₂SiO₃ — условная формула слабой кислоты, а Na₂SiO₃ и CaSiO₃ — формулы её солей. При реакции с силикатом сильная кислота образует соль сильной кислоты и осадок H₂SiO₃, например NaCl и H₂SiO₃.

Считать стекло чистым SiO₂. Песок действительно содержит кремнезём, но сода и известняк вводят в расплав Na₂O и CaO. Проверка: если в исходной смеси есть карбонаты, после нагревания нужно учитывать выделение CO₂ и несколько компонентов стекла.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны свойства кислотных оксидов, кислот, оснований и солей, а также правила составления реакций обмена. Эти знания позволяют объяснить образование силикатов и осадка кремниевой кислоты.

Соединения кремния связывают химию неметаллов с изучением минеральных ресурсов и материалов. Силикаты входят в состав горных пород, стекла, керамики, цемента и других веществ, используемых в строительстве и промышленности.

Что запомнить

• SiO₂ имеет атомную пространственную решётку и высокую температуру плавления.
• Оксид кремния(IV) проявляет свойства кислотного оксида.
• SiO₂ не реагирует с водой при обычных условиях.
• Кремниевая кислота слабая и практически нерастворима в воде.
• Кремниевую кислоту получают действием сильной кислоты на растворимый силикат.
• При производстве обычного стекла песок сплавляют с содой и известняком.
• Стекло — материал переменного состава, а не индивидуальное химическое соединение.