§ 33. Кремний

Определения и обозначения

Кремний — химический элемент с символом Si, порядковым номером 14 и относительной атомной массой около 28. Его положение в периодической системе помогает определить строение атома и понять, почему кремний образует много соединений. Символ Si важно не путать с обозначением углерода C.

Аллотропные модификации кремния — кристаллическая и аморфная формы одного элемента, различающиеся строением и свойствами. В обеих формах вещество состоит из атомов кремния, но они расположены по-разному. Это понятие позволяет объяснить различия во внешнем виде и физических свойствах вещества.

Силициды — бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний проявляет отрицательную степень окисления. Слово «бинарные» означает, что соединение образовано двумя химическими элементами. По составу силицид можно отличить от других соединений кремния, например от силиката.

Силикаты — соли кремниевых кислот, широко распространённые в составе минералов и горных пород. Их состав может включать разные металлы, поэтому силикатов существует много. Понятие важно для изучения природных пород и производства стекла, керамики и цемента.

Как это устроено

Кремний находится в 14-й группе и третьем периоде периодической системы, а его порядковый номер равен 14. Значит, в нейтральном атоме 14 протонов и 14 электронов, распределённых по уровням как 2, 8, 4. Четыре внешних электрона могут участвовать в образовании связей, поэтому кремний способен образовывать соединения с разным составом и проявлять степени окисления −4, +2 и +4. Такое строение объясняет его промежуточный характер: по свойствам он не похож полностью ни на типичный металл, ни на типичный неметалл.

В кристаллическом кремнии каждый атом связан ковалентными связями с соседними атомами. Ковалентная связь возникает, когда атомы совместно используют электроны; множество таких связей образует единую атомную решётку. Чтобы разрушить её, требуется много энергии, поэтому кремний твёрдый и имеет высокую температуру плавления. При этом часть электронов может переносить заряд, особенно при нагревании или изменении состава вещества, — так проявляются полупроводниковые свойства.

В кристаллической модификации атомы расположены в упорядоченном повторяющемся порядке, а в аморфной — без такого дальнего порядка. Именно различие в расположении атомов приводит к разным физическим свойствам и внешнему виду. Кристаллический кремний обычно имеет серый цвет и металлический блеск, а аморфный выглядит как бурый порошок. Химический элемент в обеих формах один и тот же, поэтому это не разные вещества по составу, а разные формы простого вещества.

При нагревании кремний взаимодействует с кислородом и образует оксид кремния(IV): Si + O₂ → SiO₂. С активными металлами, например магнием, он может образовать силицид: 2Mg + Si → Mg₂Si; здесь кремний получает отрицательную степень окисления. С галогенами кремний образует галогениды, например Si + 2Cl₂ → SiCl₄, в которых его степень окисления равна +4. Разные продукты возникают потому, что кремний может отдавать или принимать электроны в разной степени в зависимости от реагента.

Оксид кремния(IV) связан с кремниевой кислотой и силикатами рядом превращений. При взаимодействии растворимого силиката с кислотой можно получить кремниевую кислоту, например Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Кремниевая кислота малорастворима и может переходить в гидратированный оксид кремния. В природе соединения кремния входят в состав минералов, а в промышленности кремнезём и силикаты служат сырьём для стекла, керамики и цемента.

Кремний и его важнейшие соединения

Сравнивайте вещества по составу, строению и характерным свойствам: одинаковое наличие кремния не означает, что вещества относятся к одному типу. В графе о распространении указано, где вещество встречается или для чего применяется. Формулы в таблице помогают отличить простое вещество от соединений кремния.

Разбор задач

Задача 1. Опишите строение атома кремния, укажите число электронов на внешнем уровне и возможные степени окисления. Для ответа используем положение элемента в периодической системе, а не только его символ. Порядковый номер показывает число протонов и электронов в нейтральном атоме, а номер группы помогает установить число внешних электронов.

1. Порядковый номер Si равен 14, поэтому атом содержит 14 протонов и 14 электронов.
2. Распределяем электроны по уровням: 2 на первом, 8 на втором и 4 на третьем; запись — 2, 8, 4.
3. Кремний находится в 14-й группе, значит, на внешнем уровне у него четыре электрона. В соединениях возможны степени окисления −4, +2 и +4; наиболее характерна +4.

Ответ: заряд ядра +14, электронов 14, распределение по уровням 2, 8, 4; на внешнем уровне четыре электрона, возможны степени окисления −4, +2 и +4.

Задача 2. Составьте и уравняйте реакции кремния с кислородом и магнием. Сначала определяем продукты: при горении образуется SiO₂, а при взаимодействии с активным металлом — силицид Mg₂Si. Затем подбираем коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

1. Записываем схему реакции с кислородом: Si + O₂ → SiO₂. Слева и справа уже по одному атому Si и по два атома O, поэтому уравнение сбалансировано.
2. Для магния записываем: Mg + Si → Mg₂Si. В продукте два атома Mg и один атом Si, поэтому перед Mg ставим коэффициент 2.
3. Проверяем запись: 2Mg + Si → Mg₂Si. Теперь число атомов магния и кремния одинаково с обеих сторон.

Ответ: Si + O₂ → SiO₂; 2Mg + Si → Mg₂Si.

Задача 3. Найдите массу кремния, необходимую для получения 12 г оксида кремния(IV). Запишем реакцию Si + O₂ → SiO₂ и используем соотношение веществ по коэффициентам. В уравнении коэффициенты перед Si и SiO₂ равны единице, значит, количества этих веществ одинаковы.

1. Вычисляем молярную массу SiO₂: M(SiO₂) = 28 + 2 × 16 = 60 г/моль.
2. Находим количество вещества оксида: n(SiO₂) = 12 / 60 = 0,2 моль. По уравнению реакции n(Si) = 0,2 моль.
3. Вычисляем массу кремния: m(Si) = n × M = 0,2 × 28 = 5,6 г.

Ответ: для получения 12 г SiO₂ потребуется 5,6 г кремния, если реакция протекает полностью и потерь вещества нет.

Типичные ошибки

Путать кремний Si с углеродом C или называть кремнием любой материал с кремнием в составе — ошибка. Её допускают из-за похожего звучания названий и широкого употребления слов «силикон» и «кремний» в быту. Проверьте себя: химический элемент имеет символ Si, а углерод — C; силиконовые материалы являются соединениями, а не чистым кремнием.

Считать кремний типичным металлом или типичным неметаллом неверно, потому что его свойства занимают промежуточное положение. Металлический блеск может подтолкнуть к первой ошибке, а принадлежность к неметаллам — заставить игнорировать особенности электропроводности. Проверка: вспомните, что кристаллический кремний твёрдый и тугоплавкий, но по проводимости является полупроводником.

Формулы SiO или Si₂O₃ не соответствуют оксиду кремния(IV). Такие записи появляются, если не учесть, что кислород обычно имеет степень окисления −2, а кремний в этом оксиде — +4. Проверьте сумму степеней окисления: в SiO₂ она равна +4 + 2 × (−2) = 0, поэтому формула нейтральна.

Путать силициды с силикатами нельзя: первые — бинарные соединения кремния с металлами, вторые — соли кремниевых кислот. Похожие названия и общий элемент в составе легко сбивают с толку. Чтобы проверить себя, посмотрите на состав: Mg₂Si — силицид, а Na₂SiO₃ — силикат.

Связь с другими темами

Для понимания кремния понадобятся знания о строении атома, периодическом законе, степенях окисления, химической связи и свойствах оксидов. Эти понятия помогают объяснять формулы и уравнивать реакции. Тема подготавливает к изучению углерода и других неметаллов, а также полупроводниковых материалов.

Соединения кремния связывают химию с минералами и горными породами. Силикаты важны для силикатной промышленности: на их основе получают стекло, керамику и цемент. Поэтому свойства кремния встречаются и в технике, и в материалах повседневной жизни.

Что запомнить

• Кремний имеет символ Si и порядковый номер 14.
• На внешнем энергетическом уровне атома кремния находятся четыре электрона.
• Кристаллический кремний имеет атомную кристаллическую решётку и является полупроводником.
• При горении кремния образуется оксид кремния(IV) SiO₂.
• Кремний взаимодействует с кислородом, галогенами и некоторыми металлами при нагревании.
• Силикаты широко распространены в природе и используются для получения стекла, керамики и цемента.