Кремний. Химия кремния и его соединений
Кремний
Положение в периодической системе химических элементов
Кремний расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение кремния
Электронная конфигурация кремния в основном состоянии :
+14Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
Электронная конфигурация кремния в возбужденном состоянии :
+14Si * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3
Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.
Степени окисления атома кремния — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.
Физические свойства, способы получения и нахождение в природе кремния
Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Встречается только в виде соединений. Оксид кремния SiO2 образует большое количество природных веществ – горный хрусталь, кварц, кремнезем.
Простое вещество кремний – атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском, довольно хрупок. Температура плавления 1415 °C, плотность 2,33 г/см 3 . Полупроводник.
Качественные реакции
Качественная реакция на силикат-ионы SiO3 2- — взаимодействие солей-силикатов с сильными кислотами . Кремниевая кислота – слабая. Она легко выделяется из растворов солей кремниевой кислоты при действии на них более сильными кислотами.
Например , если к раствору силиката натрия прилить сильно разбавленный раствор соляной кислоты, то кремниевая кислота выделится не в виде осадка, а в виде геля. Раствор помутнеет и «застынет».
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2 NaCl
Видеоопыт взаимодействия силиката натрия с соляной кислоты (получение кремниевой кислоты) можно посмотреть здесь.
Соединения кремния
Основные степени окисления кремния +4, 0 и -4.
Наиболее типичные соединения кремния:
Степень окисления | Типичные соединения |
+4 | оксид кремния (IV) SiO2 бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC) |
-4 | силан SiH4 силициды металлов (силицид натрия Na4Si) |
Способы получения кремния
В свободном состоянии кремний был получен Берцелиусом в 1822 г. Его латинское название «силиций» произошло от латинского слова « sile х», что означает «кремень». Аморфный кремний в лаборатории можно получить при прокаливании смеси металлического магния с диоксидом кремния. Для опыта диоксид кремния следует тщательно измельчить. При нагревании смеси начинается бурная реакция. Одним из продуктов этой реакции является аморфный кремний.
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.
Еще один способ получения кремния в лаборатории — восстановление из оксида алюминием:
В промышленности использовать дорогие алюминий и магний неэффективно, поэтому используют другие, более дешевые способы:
1. Восстановление из оксида коксом в электрических печах:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Однако в таком процессе образующийся кремний загрязнен примесями карбидов кремния, и для производства, например, микросхем уже не подходит.
2. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом при 1200 °С:
SiCl4 +2H2 → Si + 4HCl
или цинком :
SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2
3. Также чистый кремний получается при разложении силана :
Химические свойства
При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.
1. Кремний проявляет свойства окислителя (при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому кремний реагирует и с металлами , и с неметаллами .
1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):
При нагревании кремний реагирует с хлором, бромом, йодом :
1.2. При сильном нагревании (около 2000 о С) кремний реагирует с углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):
C + Si → SiC
При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:
Si + 2S → SiS2
1.3. Кремний не взаимодействует с водородом .
1.4. С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:
1.5. В реакциях с активными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:
2Ca + Si → Ca2Si
Si + 2Mg → Mg2Si
1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействует с кислородом :
2. Кремний взаимодействует со сложными веществами:
2.1. В водных растворах щелочей кремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.
2.2. Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот , но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты :
При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:
С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.
2.3. Кремний растворяется в смеси концентрированных азотной и плавиковой кислот :
3Si + 4HNO3 + 12HF → 3SiF4 + 4NO + 8H2O
Бинарные соединения кремния
Силициды металлов
Силициды – это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Химическая связь в силицидах металлов — ионная.
Силициды, как правило, легко гидролизуются в воде или в кислой среде.
Например , силицид магния разлагается водой на гидроксид магния и силан:
Соляная кислота легко разлагает силицид магния:
Получают силициды сплавлением простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:
2Mg + Si → Mg 2 Si
2MgO + SiO2 + 4C → Mg2Si + 4CO
Силан
Силан – это бинарное соединение кремния с водородом SiH4, ядовитый бесцветный газ.
Если поместить порошок силицида магния в очень слабый раствор соляной кислоты, то на поверхности раствора образуются пузырьки газа. Они лопаются и загораются на воздухе. Это горит силан. Он образуется при взаимодействии кислоты с силицидом магния:
Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.
На воздухе силан горит с образованием SiO2 и H2O:
Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.
Силан разлагается водой разлагается с выделением водорода:
Силан разлагается (окисляется) щелочами :
Силан при нагревании разлагается :
Карбид кремния
В соединениях кремния с неметаллами — ковалентная связь.
Рассмотрим карбид кремния – карборунд Si +4 C -4 . Это вещество с атомной кристаллической решеткой. Он имеет структуру, подобную структуре алмаза и характеризуется высокой твердостью и температурой плавления, а также высокой химической устойчивостью.
Карборунд окисляется кислородом при высокой температуре:
Карборунд окисляется кислородом в расплаве щелочи :
Галогениды кремния
Хлорид и фторид кремния – галогенангидриды кремниевой кислоты.
SiCl4.
Получают галогениды кремния действием хлора на сплав оксида кремния с углем :
Галогениды кремния разлагаются водой до кремниевой кислоты и хлороводорода:
Хлорид кремния (IV) восстанавливается водородом :
SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl
Оксид кремния (IV)
Физические свойства и нахождение в природе
Оксид кремния (IV) – это твердое вещество с атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде кварца, речного песка, кремнезема и прочих модификаций:
Химические свойства
Оксид кремния (IV) – типичный кислотный оксид . За счет кремния со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.
1. Как кислотный оксид, диоксид кремния (IV) взаимодействует с растворами и расплавами щелочей и в расплаве с основными оксидами . При этом образуются силикаты.
Например , диоксид кремния взаимодействует с гидроксидом калия:
Еще пример : диоксид кремния взаимодействует с оксидом кальция.
SiO2 + CaO → CaSiO3
2. Оксид кремния (IV) не взаимодействует с водой , т.к. кремниевая кислота нерастворима .
3. Оксид кремния (IV) реагирует при сплавлении с карбонатами щелочных металлов . При этом работает правило: менее летучий оксид вытесняет более летучий оксид из солей при сплавлении.
Например , оксид кремния (IV) взаимодействует с карбонатом калия. При этом образуется силикат калия и углекислый газ:
4. Из кислот диоксид кремния реагирует только с плавиковой или с газообразным фтороводородом :
5. При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.
Например , оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
Видеоопыт взаимодействия оксида кремния (IV) с магнием можно посмотреть здесь.
При избытке восстановителя образуются силициды:
SiO2 + 4Mg → Mg2Si + 2MgO
6. Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.
Например , оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:
Еще пример : оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:
SiO2 + 3С → SiС + 2СО
При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:
Кремниевая кислота
Строение молекулы и физические свойства
Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде соединения общей формулы nSiO2•mH2O. Образует коллоидный раствор в воде.
Метакремниевая H2SiO3 существует в растворе в виде полимера:
Способы получения
Кремниевая кислота образуется при действии сильных кисло т на растворимые силикаты (силикаты щелочных металлов).
Например , при действии соляной кислоты на силикат натрия:
Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.
Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:
Химические свойства
1. Кремниевая кислота — нерастворимая. Кислотные свойства выражены очень слабо, поэтому кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами :
Например , кремниевая кислота реагирует с концентрированным гидроксидом калия:
2. При нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид и воду :
Силикаты
Силикаты — это соли кремниевой кислоты. Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».
Способы получения силикатов:
1 . Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:
2. Сплавление с основными оксидами:
СаО + SiO2 → CaSiO3
3. Взаимодействие растворимых силикатов с солями:
Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na2O·CaO·6SiO2.
Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:
Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb 2+ – хрусталь; Cr 3+ – имеет зеленую окраску, Fe 3+ – коричневое бутылочное стекло, Co 2+ – дает синий цвет, Mn 2+ – красновато-лиловый.
Водород (H) и его химические реакции
Водород — простое вещество H2 (диводород, дипротий, легкий водород).
Краткая характеристика водорода:
- Неметалл.
- Бесцветный газ, трудно поддающийся сжижению.
- Плохо растворяется в воде.
- Лучше растворяется в органических растворителях.
- Хемосорбируется металлами: железом, никелем, платиной, палладием.
- Сильный восстановитель.
- Взаимодействует (при высоких температурах) с неметаллами, металлами, оксидами металлов.
- Наибольшей восстановительной способностью обладает атомный водород H 0 , получаемый при термическом разложении H2.
- Изотопы водорода:
- 1 H — протий
- 2 H — дейтерий (D)
- 3 H — тритий (Т)
- Относительная молекулярная масса = 2,016
- Относительная плотность твердого водорода (t=-260°C) = 0,08667
- Относительная плотность жидкого водорода (t=-253°C) = 0,07108
- Избыточное давление (н.у.) = 0,08988 г/л
- tплавления = -259,19°C
- tкипения = -252,87°C
- Объемный коэффициент растворимости водорода:
- (t=0°C) = 2,15;
- (t=20°C) = 1,82;
- (t=60°C) = 1,60;
1. Термическое разложение водорода (t=2000-3500°C):
H2 ↔ 2H 0
2. Взаимодействие водорода с неметаллами:
3. Взаимодействие водорода со сложными веществами:
4. Участие водорода в окислительно-восстановительных реакциях:
Водородные соединения
D2 — дидейтерий:
- Тяжелый водород.
- Бесцветный газ, трудно поддаваемый сжижению.
- Дидейтерия содержится в природной водороде 0,012-0,016% (по массе).
- В газовой смеси дидейтерия и протия изотопный обмен протекает при высоких температурах.
- Плохорастворим в обычной и тяжелой воде.
- С обычной водой изотопный обмен незначителен.
- Химические свойства аналогичны легкому водороду, но дидейтерий обладает меньшей реакционной способностью.
- Относительная молекулярная масса = 4,028
- Относительная плотность жидкого дидейтерия (t=-253°C) = 0,17
- tплавления = -254,5°C
- tкипения = -249,49°C
T2 — дитритий:
- Сверхтяжелый водород.
- Бесцветный радиоактивный газ.
- Период полураспада 12,34 года.
- Химические свойства аналогичны H2.
- В природе дитритий образуется в результате бомбардировки нейтронами космического излучения ядер 14 N, следы дитрития обнаружены в природных водах.
- Получают дитритий в ядерном реакторе бомбардировкой лития медленными нейтронами.
- Относительная молекулярная масса = 6,032
- tплавления = -252,52°C
- tкипения = -248,12°C
HD — дейтериоводород:
- Бесцветный газ.
- Не растворяется в воде.
- Химические свойства аналогичны H2.
- Относительная молекулярная масса = 3,022
- Относительная плотность твердого дейтериоводорода (t=-257°C) = 0,146
- Избыточное давление (н.у.) = 0,135 г/л
- tплавления = -256,5°C
- tкипения = -251,02°C
Оксиды водорода
H2O — вода:
- Бесцветная жидкость.
- По изотопному составу кислорода вода состоит из H2 16 O с примесями H2 18 O и H2 17 O
- По изотопному составу водорода вода состоит из 1 H2O с примесью HDO.
- Жидкая вода подвергается протолизу (H3O + и OH — ):
- H3O + (катион оксония) является самой сильной кислотой в водном растворе;
- OH — (гидроксид-ион) является самым сильным основанием в водном растворе;
- Вода — самый слабый сопряженный протолит.
- Со многими веществами вода образует кристаллогидраты.
- Вода является химически активным веществом.
- Вода является универсальным жидким растворителем неорганических соединений.
- Относительная молекулярная масса воды = 18,02
- Относительная плотность твердой воды (льда) (t=0°C) = 0,917
- Относительная плотность жидкой воды:
- (t=0°C) = 0,999841
- (t=20°C) = 0,998203
- (t=25°C) = 0,997044
- (t=50°C) = 0,97180
- (t=100°C) = 0,95835
- плотность (н.у.) = 0,8652 г/л
- tплавления = 0°C
- tкипения = 100°C
- Ионное произведение воды (25°C) = 1,008·10 -14
1. Термическое разложение воды:
2H2O ↔ 2H2+O2 (выше 1000°C)
D2O — оксид дейтерия:
- Тяжелая вода.
- Бесцветная гигроскопичная жидкость.
- Вязкость выше, чем у воды.
- Смешивается с обычной водой в неограниченных количествах.
- При изотопном обмене образуется полутяжелая вода HDO.
- Растворяющая способность ниже, чем у обычной воды.
- Химические свойства оксида дейтерия аналогичны химическим свойствам воды, но все реакции протекают медленнее.
- Тяжелая вода присутствует в природной воде (массовое отношение к обычной воде 1:5500).
- Оксид дейтерия получают многократным электролизом природной воды, при котором тяжелая вода накапливается в остатке электролита.
- Относительная молекулярная масса тяжелой воды = 20,03
- Относительная плотность жидкой тяжелой воды (t=11,6°C) = 1,1071
- Относительная плотность жидкой тяжелой воды (t=25°C) = 1,1042
- tплавления = 3,813°C
- tкипения = 101,43°C
T2O — оксид трития:
- Сверхтяжелая вода.
- Бесцветная жидкость.
- Вязкость выше, а растворяющая способность ниже, чем у обычной и тяжелой воды.
- Смешивается с обычной и тяжелой водой в неограниченных количествах.
- Изотопный обмен с обычной и тяжелой водой приводит к образованию HTO, DTO.
- Химические свойства сверхтяжелой воды аналогичны химическим свойствам воды, но все реакции протекают еще медленнее, чем в тяжелой воде.
- Следы оксида трития находят в природной воде и атмосфере.
- Получают сверхтяжелую воду пропусканием трития над раскаленным оксидом меди CuO.
- Относительная молекулярная масса сверхтяжелой воды = 22,03
- tплавления = 4,5°C
Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:
Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе
Какие вещества называют оксидами? Напишите уравнения химических реакций, в результате которых образуются оксиды следующих химических элементов: а) кремния; б) цинка; в) бария; г) водорода; д) алюминия. Дайте названия этим оксидам.
Оксиды – бинарные (состоящие из двух химических элементов) соединения, в состав которых входит кислород*.
*Кислород должен быть в степени окисления -2.
Существует немало бинарных соединений, где кислород может иметь иную степень окисления.
-1: пероксиды, например, уже знакомая вам перекись водорода H2O2, пероксиды щелочных металлов – Na2O2, Li2O2, K2O2, BaO2 и др.
-1/2: надпероксиды или суперокисды, например, NaO2, KO2, Са(О2)2 и др.
-1/3: озониды, например, KO3, RbO3, CsO3.
+1: например, OF2 – фторид кислорода (II)).
Поэтому более точное определение должно звучать так: оксиды – бинарные соединения, в состав которых входит кислород в степени окисления -2.
а) Si + O2 = SiO2 – оксид кремния (IV).
Zn + O2 = ZnO – оксид цинка (если элемент имеет постоянную валентность, то ее не нужно указывать в скобках).
http://prosto-o-slognom.ru/chimia_spravochnik/1_vodorod_H.html
http://himgdz.ru/gdz-rudzitis-8-23-4/