ЕXAMCHEMISTRY

Готовимся к сдаче ЕГЭ по химии

Кремний

Характеристика элемента

₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²

Аr = 28,0855

Изотопы: ²⁸Si (92.27 %); ²⁹Si (4.68 %); ³⁰Si (3,05 %)

ЭО = 1,8

Кремний - второй после кислорода по распространенности в земной коре элемент (27,6 % по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, находится преимущественно в виде SiO₂ или силикатов.

Соединения Si токсичны; вдыхание мельчайших частиц SiO₂ и др. соединений кремния (например, асбеста) вызывает опасную болезнь - силикоз

В основном состоянии атом кремния имеет валентность = II, а в возбужденом состоянии = IV.

Наиболее устойчивой степенью окисления Si является +4. В соединениях с металлами (силицидах) С.О. -4.

Способы получения кремния

Самым распространенным природным соединением кремния является кремнезем (диоксид кремния) SiО₂. Он является основным сырьем для получения кремния.

1) Восстановление SiO₂ углеродом в дуговых печах при 1800'С: SiO₂ + 2С = Si + 2СО

2) Высокочистый Si из технического продукта получают согласно схеме:

a) Si → SiCl₂ → Si

б) Si → Mg₂Si → SiH₄ → Si

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

1) Кристаллический кремний - вещество серебристо - серого цвета с металлическим блеском, кристаллическая решетка типа алмаза; т. пл. 1415'С, т. кип. 3249'С, плотность 2,33 г/см3; является полупроводником.

2) Аморфный кремний - порошок бурого цвета.

Химические свойства кремния

В большинстве реакций Si выступает в роли восстановителя:

При низких температурах кремний химически инертен, при нагревании его реакционная способность резко возрастает.

1. С кислородом взаимодействует при Т выше 400°С:

Si + О₂ = SiO₂ оксид кремния

2. С фтором реагирует уже при комнатной температуре:

Si + 2F₂ = SiF₄ тетрафторид кремня

3. С остальными галогенами реакции идут при температуре = 300 - 500°С

Si + 2Hal₂ = SiHal₄

4. С парами серы при 600°С образует дисульфид:

Si + 2S = SiS₂

5. Реакция с азотом происходит выше 1000°С:

3Si + 2N₂ = Si₃N₄ нитрид кремния

6. При температуре = 1150°С реагирует с углеродом:

SiO₂ + 3С = SiС + 2СО

По твердости карборунд близок к алмазу.

7. С водородом кремний непосредственно не реагирует.

8. Кремний стоек к действию кислот. Взаимодействует только со смесью азотной и фтороводородной (плавиковой) кислот:

3Si + 12HF + 4HNO₃ = 3SiF₄ + 4NO + 8H₂O

9. реагирует с растворами щелочей с образованием силикатов и выделением водорода:

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑

10. Восстановительные свойства кремния используют для выделения металлов из их оксидов:

2MgO = Si = 2Mg + SiO₂

В реакциях с металлами Si - окислитель:

Кремний образует силициды с s-металлами и большинством d-металлов.

Состав силицидов данного металла может быть различен. (Например, FeSi и FeSi₂; Ni₂Si и NiSi₂.) Один из наиболее известных силицидов - силицид магния, который можно получать прямым взаимодействием простых веществ:

2Mg + Si = Mg₂Si

Силан (моносилан) SiH₄

Силаны (кремневодороды) Si_nH_{2n + 2}, (ср. с алканами), где п = 1-8. Силаны - аналоги алканов, отличаются от них неустойчивостью цепей -Si-Si-.

Моносилан SiH₄ - бесцветный газ с неприятным запахом; растворяется в этаноле, бензине.

Способы получения:

1. Разложение силицида магния соляной кислотой: Mg₂Si + 4HCI = 2MgCI₂ + SiH₄

2. Восстановление галогенидов Si алюмогидридом лития: SiCl₄ + LiAlH₄ = SiH₄↑ + LiCl + AlCl₃

Химические свойства.

Силан - сильный восстановитель.

1.SiH₄ окисляется кислородом даже при очень низких температурах:

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2Н₂О

2. SiH₄ легко гидролизуется, особенно в щелочной среде:

SiH₄ + 2Н₂О = SiO₂ + 4Н₂

SiH₄ + 2NaOH + Н₂О = Na₂SiO₃ + 4Н₂

Оксид кремния (IV) (кремнезем) SiO₂

Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической, аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые пески. Монокристаллы кварца - прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или окрашены примесями в различные цвета (аметист, агат, яшма и др.).

Аморфный SiO₂ встречается в виде минерала опала: искусственно получают силикагель, состоящий из коллоидных частиц SiO₂ и являющийся очень хорошим адсорбентом. Стеклообразный SiO₂ известен как кварцевое стекло.

Физические свойства

В воде SiO₂ растворяется очень незначительно, в органических растворителях также практически не растворяется. Кремнезем является диэлектриком.

Химические свойства

1. SiO₂ - кислотный оксид, поэтому аморфный кремнезем медленно растворяется в водных растворах щелочей:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + Н₂О

2. SiO₂ взаимодействует также при нагревании с основными оксидами:

SiO₂ + К₂О = K₂SiO₃;

SiO₂ + СаО = CaSiO₃

3. Будучи нелетучим оксидом, SiO₂ вытесняет углекислый газ из Na₂CO₃ (при сплавлении):

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂↑

4. Кремнезем реагирует с фтороводородной кислотой, образуя кремнефтористоводородную кислоту H₂SiF₆:

SiO₂ + 6HF = H₂SiF₆ + 2Н₂О

5. При 250 - 400°С SiO₂ взаимодействует с газообразным HF и F₂, образуя тетрафторсилан (тетрафторид кремния):

SiO₂ + 4HF (газ.) = SiF₄ + 2Н₂О

SiO₂ + 2F₂ = SiF₄ + O₂

Кремниевые кислоты

Известны:

- ортокремниевая кислота H₄SiО₄;

- метакремниевая (кремниевая) кислота H₂SiO₃;

- ди- и поликремниевые кислоты.

Все кремниевые кислоты малорастворимы в воде, легко образуют коллоидные растворы.

Способы по-лучения

1. Осаждение кислотами из растворов силикатов щелочных металлов:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl

2. Гидролиз хлорсиланов: SiCl₄ + 4Н₂О = H₄SiO₄ + 4HCl

Химические свойства

Кремниевые кислоты - очень слабые кислоты (слабее угольной кислоты).

При нагревании они дегидратируются с образованием в качестве конечного продукта кремнезема

H₄SiО₄ → H₂SiO₃ → SiO₂

Силикаты - соли кремниевых кислот

Поскольку кремниевые кислоты чрезвычайно слабые, их соли в водных растворах сильно гидро лизованы:

Na₂SiO₃ + Н₂О = NaHSiO₃ + NaOH

SiO₃^2- + Н₂О = HSiO₃^- + ОН^- (щелочная среда)

По этой же причине при пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит вытеснение из них кремниевой кислоты:

K₂SiO₃ + СO₂ + Н₂О = H₂SiO₃↓ + K₂СO₃

SiO₃ + СO₂ + Н₂О = H₂SiO₃↓ + СO₃

Данную реакцию можно рассматривать как качественную реакцию на силикат-ионы.

Среди силикатов хорошо растворимыми являются только Na₂SiO₃ и K₂SiO₃, которые называются растворимым стеклом, а их водные растворы - жидким стеклом.

Стекло

Обычное оконное стекло имеет состав Na₂O • СаО • 6SiO₂, т. е. является смесью силикатов натрия и кальция. Его получают сплавлением соды Na₂CO₃, известняка СаСO₃ и песка SiO₂;

Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ = Na₂O • СаО • 6SiO₂ + 2СO₂↑

Цемент

Порошкообразный вяжущий материал, образующий при взаимодействии с водой пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело; основной строительный материал.

Химический состав наиболее распространенного портланд-цемента (в % по массе) - 20 - 23% SiO₂; 62 - 76 % СаО; 4 - 7 % Al₂O₃; 2-5% Fe₂O₃; 1- 5% МgО.