Соединения кремния с металлами называются

Обновлено: 05.07.2024

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

Происхождение названия

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российский химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c греческого kremnos — «утес, гора».

Нахождение в природе

По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO₂ (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

Получение

В промышленности кремний получают, восстанавливая расплав SiO₂ коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния составляет около 99,9 %. Так как для практического использования нужен кремний более высокой чистоты, полученный кремний хлорируют. Образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды далее очищают различными способами от примесей и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом. Возможна также очистка кремния за счет предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают летучий моносилан SiH₄. Моносилан очищают далее ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C. Содержание примесей в получаемом этими методами кремнии снижается до 10 -8 -10 -6 % по массе.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым. Крупнейшим производителем кремния в России является ОК Русал[1] — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

Физические свойства

Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр.

Электрофизические свойства

Элементарный кремний — типичный непрямозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре 1,12 эВ, а при Т = 0 К составляет 1,21 эВ [2] . Концентрация носителей заряда в кремнии с собственной проводимостью при комнатной температуре 1,5·10 16 м -3 . На электрофизические свойства кристаллического кремния большое влияние оказывают содержащиеся в нем микропримеси. Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью в кремний вводят добавки элементов III-й группы — бора, алюминия, галлия и индия, с электронной проводимостью — добавки элементов V-й группы — фосфора, мышьяка или сурьмы. Электрические свойства кремния можно варьировать, изменяя условия обработки монокристаллов, в частности, обрабатывая поверхность кремния различными химическими агентами.

Подвижность электронов 1400 см²/(в*c).

Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF₄. При нагревании до температуры 400—500°C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHal₄.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Образующийся в этой реакции силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами возникают силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Применение

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики.

Иногда кремний (технической чистоты) и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях.

Соединения металлов с кремнием — силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.), а также силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Кремний применяется в металлургии при выплавке чугуна, сталей, бронз, силумина и др. (как раскислитель и модификатор, а также как легирующий компонент).

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, преимущественно применяемый для склеивания бумаги.

Последнее время очень широко применяются полимеры на основе кремния — силиконы.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогеным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной. Мышечная ткань человека содержит (1-2)·10 -2 % кремния, костная ткань — 17·10 -4 %, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

Соединения кремния относительно нетоксичны. Но очень опасно вдыхание высокодисперсных частиц как силикатов, так и диоксида кремния, образующихся, например, при взрывных работах, при долблении пород в шахтах, при работе пескоструйных аппаратов и т. д. Микрочастицы SiO₂, попавшие в лёгкие, кристаллизуются в них, а возникающие кристаллики разрушают лёгочную ткань и вызывают тяжёлую болезнь — силикоз. Чтобы не допустить попадания в лёгкие опасной пыли, следует использовать для защиты органов дыхания респиратор.

Силициды

химические соединения кремния с металлами и некоторыми неметаллами. С. по типу химической связи могут быть подразделены на три основные группы: ионно-ковалентные, ковалентные и металлоподобные. Ионно-ковалентные С. образуются щелочными (за исключением натрия и калия) и щёлочноземельными металлами, а также металлами подгрупп меди и цинка; ковалентные — бором, углеродом, азотом, кислородом, фосфором, серой, их называют также боридами (См. Бориды), карбидами (См. Карбиды), нитридами (См. Нитриды) кремния) и т. д.; металлоподобные — переходными металлами.

Получают С. сплавлением или спеканием порошкообразной смеси Si и соответствующего металла: нагреванием окислов металлов с Si, SiC, SiO₂ и силикатами (См. Силикаты) природными или синтетическими (иногда в смеси с углеродом); взаимодействием металла со смесью SiCl₄ и H₂; электролизом расплавов, состоящих из K₂SiF₆ и окисла соответствующего металла. Ковалентные и металлоподобные С. тугоплавки, стойки к окислению, действию минеральных кислот и различных агрессивных газов. С. используются в составе жаропрочных металлокерамических композиционных материалов для авиационной и ракетной техники. MoSi₂ служит для производства нагревателей печей сопротивления, работающих на воздухе при температуре до 1600 °С. FeSi₂, Fe₃Si₂, Fe₂Si входят в состав ферросилиция, применяемого для раскисления и легирования сталей. Карбид кремния — один из полупроводниковых материалов (См. Полупроводниковые материалы).

Лит.: Некрасов Б. В., Основы общей химии, 3 изд., т. 1—2, М., 1973; Гельд П. В., Сидоренко Ф. А., Силициды переходных металлов четвёртого периода, М., 1971.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Полезное

Смотреть что такое "Силициды" в других словарях:

СИЛИЦИДЫ — химические соединения кремния с металлами, напр. TaSi2, Mn3Si, Cr5Si3. Многие силициды тугоплавкие кристаллические вещества, химически стойкие при высоких температурах. Компоненты керметов, коррозионно и жаростойкая футеровка химической… … Большой Энциклопедический словарь

Силициды — [silicides] химические соединения кремния с металлами и некоторыми неметаллами. Силициды по типу химической связи могут быть подразделены на три основные группы: ионно ковалентные, ковалентные и металлоподобные. Ионно ковалентные силициды… … Энциклопедический словарь по металлургии

силициды — химические соединения кремния с металлами, например TaSi2, Mn3Si, Cr5Si3. Многие силициды тугоплавкие кристаллические вещества, химически стойкие при высоких температурах. Компоненты керметов, коррозионно и жаростойкая футеровка химической… … Энциклопедический словарь

Силициды — Силициды соединения кремния с металлами; образуются при высоких температурах. Силициды получают синтезом из элементов или восстановлением оксидов металлов кремнием: 2МеО + 2Si = Me2Si + SiO2 Или взаимодействием кремния с гидридами металлов… … Википедия

СИЛИЦИДЫ — соед. Si с менее электроотрицат. элементами, гл. обр. металлами. Известны для s металлов (кроме Be), большинства d элементов (кроме Ag, Au, Zn, Cd, Hg) и всех f элементов; p металлы С. не образуют. Неметаллич. p эле менты в большинстве образуют… … Химическая энциклопедия

силициды — (лат. silex (silicis) кремень) хим. соединения кремния с другими элементами; многие с. используются в технике, связанной с применением высоких температур. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, , 2009. силициды ов, ед. силицид, а, м. ( … Словарь иностранных слов русского языка

СИЛИЦИДЫ — (от латинского silicium кремний) соединения Si с металлами. Наиболее интересна группа металлоподобных силицидов, которые построены по типу размещения цепей и слоев из атомов Si в кристаллической решетке металла (например, MoSiO2, TaSi2, Mn3Si);… … Металлургический словарь

Силициды рения — Силициды рения неорганические соединения металла рения и кремния. Получение Спеканием рения и кремния получают силициды состава Re3Si, Re2Si, ReSi, ReSi2. Физические свойства ReSi образует кристаллы кубической сингонии, пространственная… … Википедия

СИЛИЦИДЫ — (от лат. Silicium кремний) хим. соединения кремния с металлами (напр., TaSi2, Mn3Si, Cr2Si3). Мн. С. тугоплавкие кристаллич. в ва, хим. стойкие при высоких темп pax. Осн. обл. применения С. произ во ферросплавов. Нагреватели электропечей из С.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

СИЛИЦИДЫ — хим. соед. кремния с металлами, напр. TaSi2, Mn3Si, Cr5Si3. Мн. С. тугоплавкие кристаллич. в ва, химически стойкие при высоких темп pax. Компоненты керметов, коррозионно и жаростойкая футеровка хим. аппаратуры и др … Естествознание. Энциклопедический словарь

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.

Читайте также: