Глава III. Неметаллы и их соединения. § 24. Кремний и его соединения — с. 127
§ 24. Проверьте свои знания.
1. Запишите схему строения атома кремния и укажите степени окисления, характерные для этого элемента в соединениях. Приведите примеры формул соединений кремния.
1. Запишите схему строения атома кремния и укажите степени окисления, характерные для этого элемента в соединениях. Приведите примеры формул соединений кремния.
Кремний — элемент 3-го периода IVA-группы, порядковый номер 14, Ar = 28.
Заряд ядра +14: 14 протонов, 14 нейтронов (28 − 14), 14 электронов. Электроны распределены по трём слоям: 2, 8, 4. Электронная формула: 1s²2s²2p⁶3s²3p². На внешнем слое 4 электрона.
Степени окисления: в соединениях с металлами (силицидах) −4 (Ca₂Si, Mg₂Si), в силане SiH₄ −4, в простом веществе 0, в соединениях с кислородом и галогенами +4 (SiO₂, H₂SiO₃, Na₂SiO₃, SiF₄). Наиболее характерна степень окисления +4.
Примеры соединений: SiO₂ — оксид кремния(IV), H₂SiO₃ — кремниевая кислота, K₂SiO₃ — силикат калия, SiH₄ — силан, Ca₂Si — силицид кальция.
Заряд ядра +14: 14 протонов, 14 нейтронов (28 − 14), 14 электронов. Электроны распределены по трём слоям: 2, 8, 4. Электронная формула: 1s²2s²2p⁶3s²3p². На внешнем слое 4 электрона.
Степени окисления: в соединениях с металлами (силицидах) −4 (Ca₂Si, Mg₂Si), в силане SiH₄ −4, в простом веществе 0, в соединениях с кислородом и галогенами +4 (SiO₂, H₂SiO₃, Na₂SiO₃, SiF₄). Наиболее характерна степень окисления +4.
Примеры соединений: SiO₂ — оксид кремния(IV), H₂SiO₃ — кремниевая кислота, K₂SiO₃ — силикат калия, SiH₄ — силан, Ca₂Si — силицид кальция.
§ 24. Проверьте свои знания.
2. Охарактеризуйте способы получения, свойства и применение кристаллического кремния. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
Получение. Особо чистый кремний для электроники получают разложением силана при нагревании или сложной очисткой от примесей:
SiH₄ = Si + 2H₂ (t)
В промышленности кремний получают восстановлением SiO₂ магнием или углеродом при высокой температуре: SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO (t).
Физические свойства. Тёмно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском, тугоплавкое, полупроводник.
Химические свойства. При обычных условиях кремний инертен.
Окислитель (только с металлами при высокой температуре): 2Ca + Si = Ca₂Si (t); силицид разлагается кислотой: Ca₂Si + 4HCl = 2CaCl₂ + SiH₄↑.
Восстановитель: Si + 2F₂ = SiF₄↑ (при обычной температуре); Si + O₂ = SiO₂ (выше 1000 °C); Si + 4HNO₃ = SiO₂ + 4NO₂↑ + 2H₂O; при нагревании со щёлочью: Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂↑.
Применение. Полупроводниковые микросхемы, процессоры, солнечные батареи, сплавы (силумин — сплав с алюминием).
SiH₄ = Si + 2H₂ (t)
В промышленности кремний получают восстановлением SiO₂ магнием или углеродом при высокой температуре: SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO (t).
Физические свойства. Тёмно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском, тугоплавкое, полупроводник.
Химические свойства. При обычных условиях кремний инертен.
Окислитель (только с металлами при высокой температуре): 2Ca + Si = Ca₂Si (t); силицид разлагается кислотой: Ca₂Si + 4HCl = 2CaCl₂ + SiH₄↑.
Восстановитель: Si + 2F₂ = SiF₄↑ (при обычной температуре); Si + O₂ = SiO₂ (выше 1000 °C); Si + 4HNO₃ = SiO₂ + 4NO₂↑ + 2H₂O; при нагревании со щёлочью: Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂↑.
Применение. Полупроводниковые микросхемы, процессоры, солнечные батареи, сплавы (силумин — сплав с алюминием).
§ 24. Примените свои знания.
3. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
SiO₂ → Si → Ca₂Si → SiH₄ → SiO₂ → K₂SiO₃ → H₂SiO₃ → SiO₂
SiO₂ → Si → Ca₂Si → SiH₄ → SiO₂ → K₂SiO₃ → H₂SiO₃ → SiO₂
1) SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO (t)
2) 2Ca + Si = Ca₂Si (t)
3) Ca₂Si + 4HCl = 2CaCl₂ + SiH₄↑
4) SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O (при поджигании)
5) SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O (сплавление, t)
6) K₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2KCl
7) H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O (t)
Реакции 1, 2 и 4 — окислительно-восстановительные: в 1 кремний восстанавливается (+4 → 0), во 2 кремний — окислитель (0 → −4), в 4 силан окисляется (Si −4 → +4). Реакции 3, 5, 6, 7 протекают без изменения степеней окисления.
2) 2Ca + Si = Ca₂Si (t)
3) Ca₂Si + 4HCl = 2CaCl₂ + SiH₄↑
4) SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O (при поджигании)
5) SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O (сплавление, t)
6) K₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2KCl
7) H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O (t)
Реакции 1, 2 и 4 — окислительно-восстановительные: в 1 кремний восстанавливается (+4 → 0), во 2 кремний — окислитель (0 → −4), в 4 силан окисляется (Si −4 → +4). Реакции 3, 5, 6, 7 протекают без изменения степеней окисления.
§ 24. Примените свои знания.
4. Почему щёлочи в лаборатории хранят не в стеклянных сосудах, а в полимерных упаковках?
Стекло содержит оксид кремния(IV) SiO₂ — кислотный оксид. Щёлочи медленно реагируют с ним (особенно концентрированные растворы и при нагревании) с образованием растворимых силикатов:
SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O
Стекло разрушается, становится шероховатым и мутным, а притёртые пробки «прикипают» к горлышку из-за образования силиката (клея). Кроме того, щёлочь загрязняется продуктами реакции. Полимерные сосуды со щёлочами не реагируют, поэтому щёлочи хранят в них.
SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O
Стекло разрушается, становится шероховатым и мутным, а притёртые пробки «прикипают» к горлышку из-за образования силиката (клея). Кроме того, щёлочь загрязняется продуктами реакции. Полимерные сосуды со щёлочами не реагируют, поэтому щёлочи хранят в них.
§ 24. Примените свои знания.
5. Какой объём водорода (н. у.) образуется при взаимодействии 96 г кремния, содержащего 5 % примесей, с избытком раствора гидроксида натрия?
Какое количество вещества гидроксида натрия потребуется для реакции?
Дано: m(технического Si) = 96 г; w(примесей) = 5 %; NaOH в избытке; M(Si) = 28 г/моль; Vm = 22,4 л/моль.
Найти: V(H₂) — ?; n(NaOH) — ?
Решение:
1) w(Si) = 100 % − 5 % = 95 %; m(Si) = 96 г · 0,95 = 91,2 г.
2) n(Si) = 91,2 г / 28 г/моль ≈ 3,257 моль.
3) Уравнение: Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑
По уравнению n(H₂) = 2n(Si) = 6,514 моль; n(NaOH) = 2n(Si) = 6,514 моль.
4) V(H₂) = 6,514 моль · 22,4 л/моль ≈ 146 л.
Ответ: V(H₂) ≈ 146 л; n(NaOH) ≈ 6,51 моль.
Найти: V(H₂) — ?; n(NaOH) — ?
Решение:
1) w(Si) = 100 % − 5 % = 95 %; m(Si) = 96 г · 0,95 = 91,2 г.
2) n(Si) = 91,2 г / 28 г/моль ≈ 3,257 моль.
3) Уравнение: Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑
По уравнению n(H₂) = 2n(Si) = 6,514 моль; n(NaOH) = 2n(Si) = 6,514 моль.
4) V(H₂) = 6,514 моль · 22,4 л/моль ≈ 146 л.
Ответ: V(H₂) ≈ 146 л; n(NaOH) ≈ 6,51 моль.
§ 24. Примените свои знания.
6. Охарактеризуйте области применения кремния и его соединений. Перечислите предметы быта, домашнего обихода, при изготовлении которых использованы кремний и кремнийсодержащие вещества.
Кремний. Сверхчистый кристаллический кремний — основа полупроводниковых микросхем и процессоров (телефоны, компьютеры), солнечных батарей (калькуляторы, орбитальные станции, бытовые панели); входит в состав сплавов (силумин — лёгкий и прочный сплав с алюминием для корпусов двигателей).
Оксид кремния(IV): кварцевое стекло, оптические волокна, песок в строительстве, драгоценные и поделочные камни (аметист, агат, яшма, опал).
Силикаты и силикагель: стекло, керамика, фарфор, фаянс, кирпич, цемент, бетон; жидкое стекло — силикатный клей и краски; силикагель — поглотитель влаги в коробках с обувью и упаковках электроники; асбест, слюда, глины.
Предметы быта: стёкла окон, стаканы и посуда из стекла, хрусталя, фарфора и фаянса, керамическая плитка, кирпичные и бетонные стены, сантехника, телефоны, компьютеры, калькуляторы, зеркала, лампы, канцелярский силикатный клей.
Оксид кремния(IV): кварцевое стекло, оптические волокна, песок в строительстве, драгоценные и поделочные камни (аметист, агат, яшма, опал).
Силикаты и силикагель: стекло, керамика, фарфор, фаянс, кирпич, цемент, бетон; жидкое стекло — силикатный клей и краски; силикагель — поглотитель влаги в коробках с обувью и упаковках электроники; асбест, слюда, глины.
Предметы быта: стёкла окон, стаканы и посуда из стекла, хрусталя, фарфора и фаянса, керамическая плитка, кирпичные и бетонные стены, сантехника, телефоны, компьютеры, калькуляторы, зеркала, лампы, канцелярский силикатный клей.