32. Кремний и его соединения

Определения и обозначения

Кремний — химический элемент IV группы, его символ Si, порядковый номер 14. Он расположен в 3-м периоде Периодической системы и имеет четыре электрона на внешнем уровне. Это помогает предсказывать его валентность и состав соединений.

Диоксид кремния — соединение кремния с кислородом состава SiO₂. Его также называют оксидом кремния(IV), кремнезёмом; в природе он встречается, например, в песке и кварце. Вещество имеет атомную кристаллическую решётку, поэтому отличается твёрдостью и высокой температурой плавления.

Силикаты — соли кремниевой кислоты, содержащие силикат-ионы. В формулах растворимых силикатов обычно записывают группу SiO₃²⁻, например Na₂SiO₃ и K₂SiO₃. Это название объединяет множество природных минералов и искусственных материалов.

Кремниевая кислота — слабая и неустойчивая кислота H₂SiO₃. Она образуется при действии кислоты на растворимый силикат и обычно выпадает в виде студенистого осадка. Формула нужна для записи реакций, хотя устойчивого раствора этой кислоты в воде практически не образуется.

Как это устроено

Кремний имеет порядковый номер 14, поэтому его электронная формула — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p². На внешнем уровне находятся четыре электрона, и атому выгодно либо образовывать четыре общие электронные пары, либо участвовать в их образовании. Поэтому кремний обычно проявляет валентность IV и степень окисления +4, но возможны также −4 и +2.

Кремний занимает пограничное положение между металлами и неметаллами, потому что его атом не так легко отдаёт электроны, как металл, но и не удерживает их так сильно, как типичный неметалл. В кристалле электроны могут перемещаться лишь при определённых условиях, поэтому кремний проводит ток хуже металлов, но лучше изоляторов. Такое свойство называют полупроводимостью, и оно особенно важно для электроники.

В кристаллическом кремнии каждый атом связан с четырьмя соседями прочными ковалентными связями, образующими упорядоченную пространственную решётку. Поэтому кристаллический кремний твёрдый, хрупкий, имеет серо-стальной блеск и высокую температуру плавления. Аморфный кремний не имеет дальнего порядка в расположении атомов, он обычно бурый и по свойствам отличается от кристаллического.

С кислородом кремний реагирует при нагревании, потому что для образования прочных связей Si–O требуется преодолеть начальную энергетическую преграду: Si + O₂ → SiO₂. С галогенами он также образует соединения, например Si + 2Cl₂ → SiCl₄, а с активными металлами — силициды, например 2Mg + Si → Mg₂Si. При обычной температуре поверхность кремния покрыта плёнкой SiO₂, которая тормозит дальнейшее взаимодействие и объясняет его сравнительно малую активность.

Соединения кремния связаны последовательностью превращений. При окислении получают SiO₂, его сплавлением со щёлочью — растворимый силикат, а под действием кислоты из силиката выделяется H₂SiO₃: Si → SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂SiO₃. Такая цепочка показывает связь простого вещества, оксида, соли и кислоты.

Кремний и его важнейшие соединения

Таблица помогает сравнить вещества по формуле, классу, свойствам и применению. Сначала определите класс соединения, затем свяжите его свойства с использованием. Обратите внимание, что природные силикаты и стекло часто имеют сложный состав и представлены не одной формулой.

Разбор задач

1. Реакции кремния с кислородом и магнием

Нужно определить продукты по природе реагентов и расставить коэффициенты. Кислород окисляет кремний до наиболее характерной степени окисления +4, а магний образует с ним силицид. После составления формул проверяем равенство числа атомов каждого элемента.

1. Кислород: Si + O₂ → SiO₂. Уравнение уже уравнено; это реакция соединения и окислительно-восстановительная реакция.
2. Магний: 2Mg + Si → Mg₂Si. Это реакция соединения и окислительно-восстановительная реакция: магний отдаёт электроны, кремний их принимает.

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

2. Цепочка Si → SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂SiO₃

Каждый следующий продукт должен быть получен из предыдущего подходящим реагентом. Сначала кремний окисляют, затем кислотный оксид сплавляют со щёлочью, а растворимый силикат обрабатывают кислотой. Условия нужны для указания нагревания и водного раствора.

1. При нагревании: Si + O₂ → SiO₂.
2. При сплавлении со щёлочью: SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.
3. В водном растворе при добавлении соляной кислоты: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl.

Ответ: цепочка реализуется тремя уравнениями; кремниевая кислота выделяется в виде осадка.

3. Расчёт по реакции окисления кремния

Дано 5,6 г кремния, кислород взят в избытке, значит ограничивающим веществом является Si. Требуется найти массу SiO₂ и объём израсходованного O₂ при н. у. Сначала используем уравнение реакции и количество вещества кремния.

1. Уравнение: Si + O₂ → SiO₂. Количество кремния: n(Si) = 5,6 г : 28 г/моль = 0,2 моль.
2. По коэффициентам n(SiO₂) = 0,2 моль и n(O₂) = 0,2 моль.
3. Масса продукта: m(SiO₂) = 0,2 · 60 = 12 г. Объём кислорода: V(O₂) = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.

Ответ: получили 12 г SiO₂; израсходовано 4,48 л O₂ при нормальных условиях.

Типичные ошибки

1. Считают кремний металлом только из-за блеска. Внешний вид не определяет класс элемента: кремний — полупроводник с промежуточными свойствами. Проверяйте положение в Периодической системе и способность проводить ток.

2. Записывают SiO или Si₂O₃. Такие формулы не соответствуют основному оксиду кремния, в котором его степень окисления равна +4. Сверяйте индексы по валентностям: у кислорода −2, поэтому формула получается SiO₂.

3. Путают кремниевую кислоту с угольной и считают H₂SiO₃ устойчивым раствором. У кремниевой кислоты другая формула и она легко превращается в воду и диоксид кремния. Помните, что обычно её записывают как осадок H₂SiO₃↓.

4. Неверно составляют реакцию силиката и кислоты. Нельзя забывать ни кремниевую кислоту, ни соль, образованную остатком кислоты: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Проверьте атомы и заряды, а также наличие осадка.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атома, Периодическая система, валентность, степени окисления и составление формул. Кремний образует оксид, кислоту и соли, поэтому его свойства связываются с общими свойствами оксидов, кислот и солей. Дальше эти знания пригодятся при изучении стекольной и цементной промышленности, керамики, полупроводников, силиконов и материалов на основе силикатов.

Что запомнить

• Символ кремния — Si, порядковый номер элемента — 14.
• Кремний — полупроводник; наиболее характерная степень окисления в соединениях — +4.
• Основной оксид кремния — SiO₂, твёрдое вещество с атомной кристаллической решёткой.
• Диоксид кремния реагирует со щелочами и основными оксидами с образованием силикатов.
• Кремниевая кислота H₂SiO₃ — слабая и неустойчивая.
• Силикаты широко распространены в природе и используются для производства стекла, цемента и керамики.