При нагревании кремний реагирует с металлами химический элемент простое вещество

Обновлено: 17.05.2024

Кремний в химии имеет обозначение Si (силициум) от латинского слова silex «кремень». Это типичный неметалл, элемент 14 группы (по прежней классификации — главной подгруппы IV группы) и третьего периода периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 14. Атомная масса 28,09.

Рисунок 1. Структура кремния и его внешний вид.

Физические свойства кремния. Аллотропные модификации кремния

Кремний имеет две аллотропные модификации:

Кристаллический — свойства обусловлены наличием кубической кристаллической решетки. Атомы расположены на вершине и в центре каждой грани, прочно связаны друг с другом ковалентной связью.
Аморфный — порошок бурого цвета на основе разупорядоченной кристаллической структуры. Гигроскопичный, активнее вступает в реакции.

Таблица 1. Основные физические параметры кристаллического кремния.

Химические свойства Si

Определяются положением кремния в периодической системе Д.И. Менделеева и строением атома: электронная формула 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Проявляет степени окисления: -4, 0, +2, +4. Валентность: II и IV.

Окислительные свойства кремний проявляет в реакциях с активными металлами:

S i + 2 M g → t ° M g 2 S i - 4 силицид магния;

С водородом не реагирует, но при растворении силицидов в кислотах образуется силан:

M g 2 S i + 4 H C l → 2 M g C l 2 + S i H 4 силан.

Восстановительные свойства кремния.

+галогены (Cl, Br, J) при нагревании, со фтором при комнатной температуре:

S i + 2 F 2 → S i F 4 тетрафторид кремния;

при избытке кислорода: S i + O 2 → 600 ° С S i O 2 оксид кремния IV;
при недостатке кислорода: 2 S i + O 2 → 400 ° С 2 S i O монооксид кремния;
образование бинарных соединений:

+сера: S i + S → 600 ° С S i S 2 сульфид кремния;
+азот: 3 S i + 2 N 2 → 1300 ° С S i 3 N 4 нитрид кремния;
+углерод: S i + C → 2000 ° С S i C карбид кремния (карборунд);
+щелочи при кипячении:

S i + 4 N a O H к о н ц → t ° N a 4 S i O 4 + 2 H 2 ↑ ;
S i + 2 K O H + H 2 O → t ° K 2 S i O 3 + 2 H 2 ↑ ;
с кислотами не реагирует. Растворяется только в смеси плавиковой и азотной кислот:

3 S i + 4 H N O 3 + 18 H F → 3 H 2 [ S i F 6 ] + 4 N O + 8 H 2 O .

Нахождение в природе

Кремний в чистом виде (как самородный минерал) встречается крайне редко. Но, соединяясь с кислородом, он образует S i O 2 — кремнезем, входящий в состав многих минералов: песок, кварц, полевой шпат, слюда, некоторые поделочные и полудрагоценные камни: яшма, гранат, турмалин и др., что обуславливает высокое (не менее 26%) содержание кремния в земной коре.

Рисунок 2. Оксид кремния IV в природе.

Содержание кремния в морской воде достигает 3 мг/л, поэтому он накапливается в кремниевых губках, диатомовых водорослях, радиоляриях.

Пищевые продукты, содержащие кремний: овес, огурцы, рис, пшеница, лук, семя льна, авокадо и др.

Технология получения

В лабораторных условиях кремний получают:

прокаливанием белого песка (оксид кремния IV) с металлическим магнием:

2 M g + S i O 2 → t ° S i ↓ + 2 M g O ;

восстановлением из оксида кремния IV с помощью алюминия:

2 A l + S i O 2 → t ° S i ↓ + A l 2 O 3 .

Промышленные способы получения кремния:

S i O 2 + 2 C к о к с → t ° 2 C O ↑ + S i ↓ .

Однако, такой кремний имеет примеси карбида кремния и не подходит для производства микросхем.

Продукт со степенью чистоты до 99,9% получают:

восстановлением водородом или цинком из S i C l 4 :

S i C l 4 + 2 H 2 → 1200 ° С S i ↓ + 4 H C l ;

S i H 4 → t ° S i ↓ + 2 H 2 ↑ .

Важные соединения кремния

Оксид кремния (IV) S i O 2 имеет атомное строение, высокий показатель твердости, тугоплавкий (плавится при температуре 1730 °С). Кислотный оксид, соответствует кремниевой кислоте.

в промышленности — нагреванием кремния в атмосфере кислорода:

S i + O 2 → 600 ° С S i O 2 .

в лабораториях — взаимодействие силиката натрия с уксусной кислотой. Кремниевая кислота сразу распадается на воду и S i O 2 , который выпадает в осадок:

N a 2 S i O 3 + C H 3 C O O H → C H 3 C O O N a + H 2 S i O 3 ↓ ;
H 2 S i O 3 → S i O 2 ↓ + H 2 O .

Химические свойства SiO2:

не растворяется в кислотах, реагирует только с плавиковой кислотой и газообразным фтороводородом:

S i O 2 + 6 H F ж и д → Н 2 [ S i F 6 ] + 2 H 2 O ;
S i O 2 + 4 H F г а з → S i F 4 + 2 H 2 O ;
при взаимодействии с основными оксидами и щелочами, а также с карбонатами образуются соли кремниевой кислоты — силикаты:

C a O + S i O 2 → C a S i O 3 силикат кальция;
2 К O H + S i O 2 → K 2 S i O 3 силикат калия + H 2 O ;
N a 2 C O 3 + S i O 2 → N a 2 S i O 3 силикат натрия + C O 2 ↑ .

На реакции с карбонатами основано получение оконного стекла — смесь из соды, известняка и белого песка прокаливают при температуре, равной 1500 °С:

N a 2 C O 3 + C a C O 3 + 6 S i O 2 → t ° N a 2 O · C a O · 6 S i O 2 + 2 C O 2 ↑ .

Кремниевая кислота и ее соли — силикаты.

Кремниевая кислота H 2 S i O 3 — слабая, малорастворимая. Легко распадается на оксид и воду, при подсыхании превращается в студенистое вещество — силикагель. Получают при взаимодействии кислот (в том числе, угольной) с растворимыми силикатами щелочных металлов:

N a 2 S i O 3 + 2 H C l → 2 N a C l + H 2 S i O 3 ↓ .

Кремниевая кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами, образуя силикаты:

H 2 S i O 3 + L i O H → L i 2 S i O 3 + 2 H 2 O .

Силикаты, кроме N a 2 S i O 3 и K 2 S i O 3 (их называют жидким стеклом), нерастворимы в воде. Получают следующими методами:

взаимодействие кремния, оксида кремния или кремниевой кислоты с щелочами:

S i + 2 N a O H + 2 H 2 O → t ° N a 2 S i O 3 силикат натрия + 2 H 2 ↑ ;
2 L i O H + S i O 2 → L i 2 S i O 3 силикат лития + H 2 O ;
2 K O H + H 2 S i O 3 → K 2 S i O 3 силикат калия + 2 H 2 O ;
сплавление оксида кремния с основными оксидами:

M g O + S i O 2 → M g S i O 3 с и л и к а т м а г н и я ;

K 2 S i O 3 + C a C l 2 → C a S i O 3 с и л и к а т к а л ь ц и я + 2 K C l .

Силициды — это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Тип химической связи — ионная.

Получают при сплавлении простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

S i + 2 C a → t ° C a 2 S i - 4 силицид кальция;
2 M g O + S i O 2 + 4 C → M g 2 S i силицид магния + 4 C O .

Вступают в реакцию:

с водой (гидролиз): M g 2 S i + 4 H 2 O → 2 M g ( O H ) 2 + S i H 4 ;
с кислотами: C a 2 S i + 4 H C l → 2 C a C l 2 + S i H 4 .

Силан — это бинарное соединение кремния с водородом S i H 4 , ядовитый бесцветный газ.

Если к порошку силицида магния добавить разбавленную соляную кислоту, то на поверхности раствора образуются пузырьки силана. Они лопаются и загораются на воздухе.

M g 2 S i + 4 H C l → 2 M g C l 2 + S i H 4 силан;
S i H 4 + 2 O 2 → S i O 2 + 2 H 2 O — горение силана.

Химические свойства силана:

+ H 2 O : S i H 4 + 2 H 2 O → S i O 2 + 4 H 2 ;
+щелочи: 2 S i H 4 + 2 N a O H + H 2 O → N a 2 S i O 3 + 4 H ;
разложение при нагревании: S i H 4 → S i + 2 H 2 .

5. Карборунд SiC имеет атомный тип кристаллической решетки, сходный с алмазной. Твердый, плавится при температуре 2730 °С.

Получают по схеме:

S i + C → 2000 ° С S i C .

при высокой температуре: S i C + 2 O 2 → t ° S i O 2 + C O 2 ;
в расплаве щелочи: S i C + 2 O 2 + 4 N a O H → N a 2 S i O 3 + N a 2 C O 3 + 2 H 2 O .

Применение кремния и его соединений — силикатная промышленность.

Кремний используют в металлургии — добавка к стали и другим сплавам; в электронике — изготовление полупроводниковых приборов, радиодеталей и солнечных батарей.

Кремний необходим для поддержания здоровья кожи, волос и ногтей. Кремний участвует в формировании костей, повышает эластичность и прочность кровеносных сосудов, что используется в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний.

Диоксид кремния:

производство стекла, керамики, бетона и кирпича. Из керамики, помимо посуды и декоративных изделий, производят изоляторы для высоковольтных ЛЭП и другие изделия, используемые в технике и строительстве;
чистый кварц используется в приборостроении;
производство косметики: как эмульгатор и компонент против слеживания.

Силициды входят в состав жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов и высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Карбид кремния используют как абразив при затачивании резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней, а также в качестве имитации алмаза в ювелирном деле.

Кремний. Химия кремния и его соединений

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:

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

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:

Na ₂ SiO ₃ + 2 HCl → H ₂ SiO ₃ + 2 NaCl

Видеоопыт получения кремниевой кислоты из силиката натрия можно посмотреть здесь.

Даже слабая угольная кислота вытесняет кремниевую кислоту из солей:

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.

Соединения кремния

Кремний – активный неметалл, вступающий в реакции с металлами и неметаллами. Соединения кремния в зависимости от входящих в состав веществ называются силанами, силицидами, силикатами.

Простое вещество

Кремний (Si) – хрупкое кристаллическое вещество. Имеет переменную валентность II и IV. Электроны располагаются на трёх энергетических уровнях. Четыре валентных электрона находятся на s- и p-подуровнях. Электронная конфигурация элемента – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

Рис. 1. Электронное строение кремния.

В реакциях с металлами кремний проявляет свойства окислителя и имеет отрицательную степень окисления -4. С галогенами и неметаллами кремний ведёт себя как восстановитель и имеет степень окисления +4. Третья степень окисления +2 проявляется в монооксиде кремния.

Соединения

Общая характеристика соединений кремния представлена в таблице.

Рис. 2. Силициды.

Вещество

Формула

Физические свойства

Химические свойства

Монооксид, оксид кремния (II) или кремнезём

Аморфное вещество. Не проводит электричество, не образует соли. Растворяется в плавиковой кислоте. При нагревании разлагается на кислород и кремний

Реагирует при нагревании:

– с углекислым газом: SiO + СО₂ → SiO₂ + CO;

Диоксид, оксид кремния (IV) или песок

Кристаллическое тугоплавкое вещество. Не растворяется в воде. Диэлектрик

– С металлами: SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO;

– с оксидами: SiO₂ + CaO → CaSiO₃;

Образует гомологичный ряд с общей формулой Si_nH_2n+2. Ядовитый бесцветный газ с запахом, воспламеняется на воздухе. Нерастворим в холодной воде. Разлагается при нагревании и в горячей воде

– с концентрированным гидроксидом натрия: SiH₄ + 4NaOH → Na₄SiO₄ + 4H₂;

– с перманганатом калия: 3SiH₄ + 8KMnO₄ → 8MnO₂ + 3SiO₂ + 8KOH + 2H₂O

Карборунд или карбид кремния

Тугоплавкое твёрдое вещество. Кристаллическая решётка схожа с решёткой алмаза. Полупроводник

– С водяным паром при высокой температуре: SiC + 2H₂O → SiO₂ + CH₄;

– с концентрированными кислотами: 3SiC + 8HNO₃ → 3SiO₂ + 3CO₂ + 8NO + 4H₂O;

– со щелочами в присутствии кислорода: SiC + 4NaOH + O₂ → Na₄SiO₄ + C + 2H₂O;

– с кислородом при нагревании: 2SiC + 3O₂ → 2SiO₂ + 2CO

– с металлами при нагревании: 2SiC + 5Mg → 2Mg₂Si + MgC₂;

– с галогенами при нагревании: SiC + 2Cl₂ → SiCl₄ + C

Соединения с активными металлами. Электропроводны

Mg₂Si не реагирует с водой, но взаимодействует с разбавленными кислотами

Условно называются гидроксидами кремния. Существует несколько видов. Наиболее известные метакремниевая (H₂SiO₃) и ортокремниевая (H₄SiO₄) кислоты. Слабые, без кислого вкуса. Плохо растворимы в воде. Не меняют цвет индикатора

– Растворяются в растворах и расплавах щелочей: H₂SiO₃ + 2KOH → K₂SiO₃ + 2H₂O;

Соли кремниевых кислот. Твёрдые вещества, входящие в состав земной коры. Тугоплавки

В природе наиболее распространённое вещество – песок. Кварц, аметист, агат, хрусталь и другие вещества являются модификацией песка.

Рис. 3. Кварц.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали, какие вещества образует кремний. Элемент активно взаимодействует с металлами и неметаллами, образуя оксиды, кислоты, силаны, силициды, силикаты. В зависимости от реакции кремний проявляет свойства восстановителя или окислителя и имеет степени окисления +2, +4, -4. Большинство веществ – твёрдые тугоплавкие вещества, плохо растворимые в воде. Кислоты кремния – слабокислые жидкости, силаны – газы с неприятным запахом. За счёт активности кремний встречается в природе только в составе сложных веществ.

Химические свойства кремния

Кремний – твёрдый неметалл, входящий в состав горных пород. При обычных условиях инертен, но при нагревании проявляет окислительные и восстановительные свойства. Химические свойства кремния использует силикатная промышленность для изготовления стекла, зеркал, электроники, строительного материала.

Общее описание элемента

Кремний расположен в четвёртой группе и третьем периоде таблицы Менделеева. Ядро атома кремния имеет положительный заряд +14. Вокруг ядра движется 14 отрицательно заряженных электронов.

Атом может переходить в возбуждённое состояние за счёт свободного d-подуровня. Поэтому элемент проявляет две положительные степени окисления (+2 и +4) и одну отрицательную (-4). Электронная конфигурация – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

Рис. 1. Строение атома кремния.

Кремний – хрупкий полупроводник с высокими температурами правления и кипения. Относительно лёгкий неметалл: плотность составляет 2,33 г/см 3 .

Рис. 2. Агат.

Реакции с неметаллами

При взаимодействии с неметаллами кремний проявляет восстановительные свойства – отдаёт электроны. Реакции возможны только при сильном нагревании. При нормальных условиях кремний реагирует только с фтором. Реакции с основными неметаллами приведены в таблице.

Элемент

Описание

Реакция

При обычных условиях

Взаимодействует при 600°C с образованием диоксида (песка)

Реагирует при 400°C

Реагирует при 2000°C с образованием карборунда

Протекает при 1000°C

Реагирует при 1000°C

Взаимодействует при 2000°C

Гидрид кремния – силан (SiH₄) – можно получить путём разложения силицидов кислотой. Например, Mg₂Si + 2H₂SO₄ → SiH₄ + 2MgSO₄.

Взаимодействие с металлами

Окислительные свойства кремний проявляет только в реакциях с металлами. При сплавлении образуются соли – силициды:

Силициды используются в промышленности для производства сплавов и материалов. В качестве сверхпроводника используется силицид ванадия (V₃Si), полупроводника – силицид рения (ReSi).

Реакции со сложными веществами

Помимо простых веществ кремний реагирует со сложными соединениями – кислотами и щелочами. Основные реакции описаны в таблице.

Уравнение

Реагирует с плавиковой кислотой при обычных условиях, с соляной кислотой – при 300°С, с бромоводородом – при 500°С

Является устойчивым по отношению к кислотам, покрываясь оксидной плёнкой. Реакция идёт только со смесью азотной и плавиковой кислот

В водных растворах растворяется, образуя силикаты и водород

При 1200°C кремний реагирует с диоксидом, образуя монооксид: Si + SiO₂ → SiO.

Рис. 3. Применение кремния.

Кремний – хрупкий неметалл, взаимодействующий с металлами, неметаллами и сложными веществами. В реакциях с металлами проявляет свойства окислителя, с неметаллами – восстановителя. Реагирует при нормальных условиях только с фтором, плавиковой кислотой (в том числе вместе с азотной кислотой), со щелочами. Остальные реакции протекают при повышенных температурах.

Характеристика элемента кремния

Кремний – химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 14, масса атома 28,0855. Какими же свойствами обладает кремний, и каковы его характеристики?

Общая химическая характеристика кремния

Кремний – это элемент третьего периода IVА группы, р-элемент. В атоме кремния есть пять незанятых d-орбиталей. С их участием кремний образует соединения, в которых его координационное число равно 6. Для кремния характерно образование цепей, в которых чередуются атомы кремния и кислорода, соединенные прочными связями.

Рис. 1. Кремний.

Кремний в природе встречается в связанном виде: земная кора более чем наполовину состоит из кремнезема SiO₂, силикатных алюмосиликатных пород типа каолинита Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O, главных составных частей песка и глины.

Название этот элемент получил от минерала с латинским названием silisium (silex – означает кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году. академиком Г. И. Гессом.

Физические свойства

Известен аморфный и кристаллический кремний. Характер кристаллического кремния состоит в том, что это темно-серое с металлическим блеском, тугоплавкое, хрупкое кристаллическое вещество, обладающее незначительной проводимостью.

Расположение атомов Si такое же, как атомов С в алмазе. Каждый атом кремния находится в центре тетраэдра и связан ковалентно с четырьмя другими атомами кремния. Аморфный кремний – бурый порошок, который является более реакционноспособным.

У кремния в природе встречаются три стабильных изотопа

Рис. 2. Изотопы кремния.

Химические свойства

Так как у атома кремния на внешнем энергетическом уровне имеется четыре электрона, то характерными степенями окисления его являются +4 и -4.

В соединениях кремний проявляет валентность IV, вступая при нагревании во взаимодействие с простыми веществами (фтором, хлором, кислородом, углеродом).

При обычных условиях из простых веществ кремний реагирует лишь с фтором:

Рис. 3. Тетрафторид кремния.

С кислородом и фтором реакции протекают при +400-+600 градусах:

Si+2Cl=SiCl₄ (тетрахлорид кремния)

С кислотами кремний не реагирует. Только аморфный кремний, измельченный в порошок, реагирует с фтороводородной кислотой.

Кремний взаимодействует с горячими растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Со многими металлами кремний химически взаимодействует, образуя силициды:

2Mg+Si=Mg₂Si (силицид магния)

При действии соляной кислоты на силицид магния Mg₂Si образуется силан SiH₄:

Силан – бесцветный ядовитый газ, аналог метана, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием оксида кремния и воды:

В статье описываются физические и химические характеристики элемента кремния. Валентность кремния почти всегда IV , и лишь в некоторых соединениях проявляется валентность II. Кремний при нагревании температуры способен реагировать с металлами, неметаллами и щелочами.

Читайте также: