Кремний: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 3: "Кремний"

Электронные конфигурации внешнего слоя атомов всех этих элементов ns^2np^2 , поэтому в соединениях они проявляют степени окисления от -4 до +4 . Для углерода и кремния характерны ковалентные соединения.

Кремний как простое вещество существует в виде нескольких аллотропных модификаций. Аморфный кремний представляет собой бурый порошок, кристаллический — светло-серые, твёрдые, хрупкие кристаллы металлического вида. Кристаллический кремний подобен алмазу и обладает атомной кристаллической решёткой.

Нахождение в природе. Кремний — самый распространённый после кислорода элемент в земной коре. В природе кремний встречается в виде кремнезёма — оксида кремния(IV) SiO_2 (иногда его называют кварц или песок), силикатов и алюмосиликатов, например слюды, асбеста, талька.

Окислительные свойства кремний проявляет только с активными восстановителями — металлами. Si + 2Mg \overset{t}{=} Mg_2Si (силицид магния не устойчив к воде: Mg_2Si + 4H_2O = 2Mg(OH)_2 + SiH_4 ; для облегчения растворения часто гидролизуют в подкисленных растворах: Mg_2Si + 4HCl = 2MgCl_2 + SiH_4 ).

Восстановительные свойства Si + O_2 \overset{t}{=} SiO_2.

Кремний в концентрированных серной и азотной кислотах пассивируется и растворяется лишь в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот: 3Si + 4HNO_3 + 18HF = 3H_2[SiF_6] + 4NO + 8H_2O.

В этой реакции азотная кислота является окислителем, а плавиковая — комплексообразователем, она растворяет слой SiO_2 , образующийся на поверхности кусочков кремния в результате окисления.

Кремний, в отличие от углерода, растворяется в водных растворах щелочей с выделением водорода: Si + 2NaOH + H_2O = Na_2SiO_3 + 2H_2.

Оксид кремния, кремнезём, SiO_2 — твёрдое, очень тугоплавкое вещество (температура плавления более 1700 °С), встречается в природе в виде минералов кварца, кристобалита и тридимита. Диоксид кремния имеет прочную атомную решётку. Кварц широко используется в различных областях науки, техники и микроэлектроники, и часто для нужд последней его выращивают искусственно с определёнными параметрами кристаллической решётки.

Химические свойства оксида кремния(IV). Все формы SiO_2 в воде практически нерастворимы, при обычных условиях на них действуют лишь фтор, газообразный фтороводород, растворы щелочей и плавиковая кислота: SiO_2 + 2F_2 = SiF_4 + O_2, SiO_2 + 2KOH = K_2SiO_3 + H_2O, SiO_2 + 4HF(газ) = SiF_4\uparrow + 2H_2O, SiO_2 + 6HF(р-р) = H_2[SiF_6] + 2H_2O.

Последняя реакция используется при травлении стекла. Диоксид кремния — типичный кислотный оксид, поэтому при сплавлении он реагирует с основными оксидами, щелочами и карбонатами с образованием силикатов: SiO_2 + CaO \overset{t}{=} CaSiO_3, SiO_2 + Na_2CO_3 \overset{t}{=} Na_2SiO_3 + CO_2\uparrow, SiO_2 + 2NaOH \overset{t}{=} Na_2SiO_3 + H_2O\uparrow.

Приведённые выше реакции лежат в основе промышленного получения различных стёкол, а также цемента. Обычное стекло, имеющее состав Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2 , получают сплавлением смеси соды, песка и известняка при температуре 1400 °С до полного удаления газов: Na_2CO_3 + CaCO_3 + 6SiO_2 \overset{t}{=} Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2 + 2CO_2\uparrow.

Силикаты широко используются в строительной промышленности для производства цемента, вяжущего материала, который при смешивании с водой затвердевает.

Кремниевую кислоту H_2SiO_3 получают действием минеральных кислот на растворы силикатов или гидролизом галогенидов и сульфидов кремния, поскольку прямое взаимодействие SiO_2 с водой невозможно.

Из силикатов, солей кремниевой кислоты, в воде растворимы только силикаты натрия и калия, называемые «жидким стеклом», остальные силикаты — тугоплавкие, нерастворимые в воде вещества. Кремниевая кислота при нагревании разлагается: H_2SiO_3 \overset{t}{=} SiO_2 + H_2O.

При хранении на воздухе растворы силикатов мутнеют из-за вытеснения кремниевой кислоты углекислым газом, содержащимся в воздухе ( H_2SiO_3 слабее угольной кислоты). Реакция силикатов с CO_2 является качественной для обнаружения силикат-ионов: Na_2SiO_3 + 2CO_2 + 2H_2O = 2NaHCO_3 + H_2SiO_3.

Водные растворы растворимых силикатов имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза: K_2SiO_3 + H_2O = 2KOH + H_2SiO_3.