Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Степень окисления кремния (si), формула и примерыСтепень окисления кремния (si), формула и примеры

Время на чтение: 12 минут Степень окисления кремния (si), формула и примеры

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Химические и физические свойства

Согласно данным британского Королевского химического общества, кремний является седьмым по распространенности элементом во вселенной и вторым на Земле после кислорода. Кремний (силициум) составляет около 25 процентов земной коры и является очень полезным элементом, жизненно важным для многих отраслей промышленности.

Химические и физические свойства:

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

  • Атомный номер (количество протонов в ядре): 14.
  • На внешнем энергетическом уровне вещества находится 4 электрона.
  • Атомный символ (в периодической таблице элементов): Si.
  • Плотность: 2,33296 грамма на кубический сантиметр.
  • Атомный вес (молярная масса атома): 28.09.
  • Состояние при комнатной температуре: твердое.
  • Точка кипения: 3265 градусов Цельсия (5,909 градуса по Фаренгейту).
  • Количество изотопов (атомов одного и того же элемента с разным количеством нейтронов): 24.
  • Температура плавления: 1414 градусов по Цельсию (2577 градусов по Фаренгейту).
  • Наиболее распространенный изотоп: Si-28 (природное содержание — 92%).
  • Электронная формула кремния — 1s 22s 22p 63s 23p2.
  • Параметр кристаллической решетки кремния равен 0,54307 нм.
  • Является 14-м элементом таблицы Менделеева.

В природе кремний не встречается сам по себе. Обычно он связывается с двумя молекулами кислорода, в результате чего обнаруживается в виде диоксида кремния, иначе называемого кремнеземом, из которого состоит кварц.

Качества вещества

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Силиций был впервые выделен в 1824 году шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом, который также обнаружил церий, селен и торий, согласно Фонду химического наследия. Ученый нагревал кремнезем с калием, чтобы очистить кремний. Сегодня процесс получения выглядит иначе — происходит нагревание углерода с кремнеземом в форме песка, чтобы изолировать элемент.

Кремний не является ни металлом, ни неметаллом: это металлоид, элемент, который находится где-то посередине. Эта категория — серая область, нет четкого определения того, каким требованиям она отвечает.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Как написать заключение к дипломной работе

Оценим за полчаса!

Но металлоиды обычно имеют свойства как металлов, так и неметаллов. Кремний является полупроводником, это означает, что он проводит электричество.

Однако, в отличие от типичного металла, он лучше проводит ток при повышении температуры (металлы же ухудшают проводимость повышенных температурах).

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Кремний находит применение и в производстве низкотехнологичных творений, таких как кирпичи и керамика. При присоединении водорода к оксиду силиция образуется гидроксид. Гидрозоли кремниевых кислот применяют в фототехнике, а также в качестве адсорбентов.

Но высокотехнологичные изделия — сфера, где элемент действительно оставляет видимый след.

В качестве полупроводника кремний используется для изготовления транзисторов, которые усиливают или переключают электрические токи и являются основой электроники от радиоприемников до смартфонов.

Кремний по-разному используется в солнечных элементах и компьютерных микросхемах, одним из примеров является полевой транзистор с оксидом металла и полупроводника, основной переключатель во многих электронных устройствах. Создавая пространства из чистого силиция, инженеры получают зазор, в котором электроны не могут течь — это как переключатель в положении «выключено».

Для включения металлическая пластина, подключенная к источнику питания, помещается рядом с кристаллом. Когда электричество течет, пластина становится положительно заряженной.

Электроны с отрицательным зарядом притягиваются к положительному заряду, что позволяет им совершать прыжок через сегмент чистого кремния. (Другие полупроводники, кроме кремния, также могут использоваться в транзисторах.)

Кремниевые формы жизни

Группа IV Периодической таблицы элементов содержит углерод C, силициум (кремний) Si и несколько тяжелых металлов. Это значит, что степень окисления кремния равна +4.

Углерод, конечно, является строительным материалом жизни, какой мы ее знаем. Но теоретики альтернативной биохимии предполагают, что населенная живыми существами планета может существовать в какой-то другой солнечной системе.

У такой формы жизни кремний якобы может заменять углерод.

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Многие научно-фантастические произведения рассказывают о кремниевых формах жизни — чувствительные кристаллы, живые золотые песчинки и даже существа, чьими следами являются кирпичи из кремнезема. Это интересно, но неправильно. Кремний может превратиться во множество реалистичных структур, но его химические свойства делают маловероятной возможность стать основой для инопланетных форм жизни.

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Действительно, углерод и силиций имеют много общих характеристик. Валентность кремния равна четырем, это означает, что отдельные атомы образуют четыре связи с другими элементами при образовании химических соединений. И силиций, и углерод связываются с кислородом.

Оба образуют длинные цепи, называемые полимерами. В простейшем случае углерод дает полимер под названием полиацеталь, пластик, используемый в синтетических волокнах и оборудовании.

Кремний дает полимерные силиконы, которые используются для водонепроницаемой ткани или смазки металлических и пластиковых деталей.

Но когда углерод окисляется — или соединяется с кислородом, скажем, во время горения — он становится газообразным углекислым газом; силиций же окисляется до твердого диоксида, называемого кремнеземом. Кремний окисляется до твердого вещества. Это одна из основных причин того, почему он не может поддерживать жизнь.

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Кремнезем или песок — это твердое вещество, диоксид кремния образует решетку, в которой один атом силиция окружен четырьмя атомами кислорода. Силикатные соединения, содержащие SiO4−4, также существуют в ряде минералов — полевых шпатах, слюде, цеолитах, тальке. И эти твердые системы создают проблемы в том, что касается утилизации энергии для живой системы.

Жизненная форма нуждается в некотором способе сбора, хранения и использования энергии. Она должна исходить из окружающей среды. После поглощения энергия должна высвобождаться именно там, где это необходимо, и в то время, когда это нужно. В противном случае вся она может высвобождать тепло одновременно, сжигая жизненную форму.

Читайте также:  Свойства металлов и их соединений

В мире на основе углерода основным элементом накопления являются углеводы, которые окисляются до воды и углекислого газа. Форма жизни на основе углерода «сжигает» энергию контролируемыми шагами, используя регуляторы скорости, называемые ферментами.

Интересные факты о кремнии

Этот элемент чрезвычайно распространен и очень широко используется. Но есть вещи, которые про него знают далеко не все:

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

  • Когда астронавты Аполлона-11 приземлились на Луну в 1969 году, они оставили белый мешочек с кремниевым диском. Микроскопическим шрифтом там написано 73 сообщения на разных языках. Они выражают пожелания мира.
  • Кремний может быть опасным. При вдыхании в течение длительных периодов времени это может вызвать заболевание легких, известное как силикоз.
  • Переливчатость опала — результат присутствия кремния. Этот драгоценный камень — форма кремнезема, связанная с молекулами воды.
  • Карбид кремния (SiC) почти такой же твердый, как алмаз. Он оценивается 9−9,5 по шкале твердости по Моосу, лишь немного меньше, чем самое крепкое вещество, которое имеет 10 баллов твердости.
  • Растения используют кремний для укрепления клеточных стенок. Элемент является важным питательным веществом, которое помогает придать устойчивость к болезням. Об этом говорится в статье 1994 года, опубликованной в журнале Proceedings.
  • Кремниевая долина получила свое название от вещества, используемого в компьютерных чипах. Название это впервые появилось в 1971 году в газете Electronic news. Своя Кремниевая долина есть не только в США, но и во многих других странах.
  • Аморфная форма вещества также используется в радиоэлектронной технике.
  • У некоторых минералы и полудрагоценных камней строение основывается на диоксиде кремния. Они различаются плотностью и цветом:
  • Аметист.
  • Морион.
  • Цитрин.
  • Горный хрусталь.
  • Опал.
  • Агат.
  • Сердолик.
  • Яшма.

И другие камни.

Современные исследования

Сегодняшние разработки в области кремниевых технологий выглядят чуть ли не фантастично: в 2006 году исследователи объявили, что создали компьютерный чип, в котором кремниевые компоненты смешаны с клетками мозга.

Это было действительно сенсационное открытие. Электрические сигналы от клеток мозга могут передаваться на электронные кремниевые компоненты чипа и наоборот.

Есть надежда, что со временем получится создать устройства для лечения неврологических расстройств.

Исследование 2018 года, опубликованное в журнале Nature, было посвящено тестированию нового типа устройства из кремния, квантовых компьютеров, которые могут когда-нибудь стать обычной вещью, превосходя при этом современные компьютерные технологии в возможностях выполнять большое количество вычислений параллельно. Создание этих технологий с использованием тех же методов для изготовления традиционных кремниевых чипов может ускорить разработку этих устройств. Это может привести к новому этапу использования квантовых устройств.

Ученые также обещают создать невероятно маленькие лазеры, называемые наноиглами, которые могут использоваться для передачи данных быстрее и эффективнее, чем традиционные оптические кабели.

Сверхпроводниковые лазеры выделяют тепло гораздо легче, чем стеклянные, кремниевые лазеры могут похвастаться большей мощностью, чем традиционные, так заявляет Джон Баддинг, ученый-химик из Университета Пенсильвании.

Специалисты также работают над созданием оптических волокон следующего поколения, которые объединяют сверхпроводники, а не просто стекловолокно, так написано в журнале Live Science.

В радиоэлектронной технике распространено применение силана, который получают при разложении силицида магния при помощи кислоты.

Традиционные кремниевые чипы изготавливаются путем нанесения слоев элемента на плоскую поверхность, обычно начиная с газа-прекурсора силан (SiH4), поэтому новые разработки оптических волокон не потребуют нового дорогостоящего оборудования.

Источник: https://nauka.club/khimiya/khimicheskiy-element-kremniy.html

Кремний и его соединения: формулы :

Кремний (Si) – второй элемент основной (А) подгруппы 4 группы Периодической системы, учрежденной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Кремний очень распространен в природе, поэтому он занимает второе (после кислорода) место по распространенности.

Так, без кремния и его соединений не существовало бы Земной коры, которая более чем на четверть состоит из соединений этого химического элемента.

В чем же особенности кремния? Каковы формулы его соединений и их применение? Какие важнейшие вещества имеют в своем составе кремний? Попробуем разобраться.

Элемент кремний и его свойства

Кремний существует в природе в нескольких аллотропных модификациях – наиболее распространенными являются кремний в кристаллическом виде и аморфный кремний. Рассмотрим каждую из данных модификаций в отдельности.

Кристаллический кремний

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Кремний в данной модификации является темно-серым достаточно твердым и хрупким веществом со стальным блеском. Такой кремний является полупроводником; его полезное свойство заключается в том, что, в отличие от металлов, его электропроводность увеличивается при повышении температуры. Температура плавления такого кремния составляет 1415 °С. К тому же, кристаллический кремний не способен растворяться в воде и различных кислотах.

Применение кремния и его соединений в кристаллической модификации невероятно многообразно. Например, кристаллический кремний входит в состав солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях и крышах домов. Кремний является полупроводником и способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Помимо солнечных батарей, кристаллический кремний используется для создания многих электронных приборов и кремнистых сталей.

Аморфный кремний

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Аморфный кремний – бурый/темно-коричневый порошок алмазоподобной структуры. В отличие от кристаллического кремния, данная аллотропная модификация элемента не имеет строго упорядоченной кристаллической решетки. Несмотря на то, что аморфный кремний плавится при температуре, приблизительно равной 1400 °С, он является гораздо более активным по сравнению с кристаллическим. Аморфный кремний не проводит ток и имеет плотность около 2 г/см³.

Такой кремний чаще всего применяется в пищевой промышленности и при изготовлении лекарственных препаратов.

Химические свойства кремния

  • Основное химическое свойство кремния – горение в кислороде, в результате которого образуется крайне распространенное соединение – оксид кремния:

Si + O2 → SiO2 (при температуре).

  • При нагревании кремний как неметалл образует соединения с различными металлами. Такие соединения называются силицидами. Например:

2Ca + Si → Ca2Si (при температуре).

  • Силициды, в свою очередь, без затруднений разлагаются при помощи воды или некоторых кислот. В результате данной реакции образуется особое водородное соединение кремния – газ силан (SiH4):

Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4↑.

  • Кремний также способен взаимодействовать с фтором (при нормальных условиях):

Si + 2F2 → SiF4.

  • А при нагревании кремний взаимодействует с другими неметаллами:
  • Si + 2Cl2 → SiCl4 (400–600°).
  • 3Si + 2N2 → Si3N4 (1000°).
  • Si + C → SiC (2000°).
  • Также кремний, взаимодействуя со щелочами и водой, образует соли, называемые силикатами, и газ водород:

Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + H2.

Однако большинство химических свойств данного элемента мы разберем, рассматривая кремний и его соединения, так как именно они являются основными веществами, на которых основано применение и взаимодействие кремния с другими химическими элементами. Итак, какие же соединения кремния являются наиболее распространенными?

Соединения кремния

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Ранее мы выяснили, каким элементом является кремний и какими свойствами он обладает. Теперь рассмотрим формулы соединений кремния.

При участии кремния образуется огромное количество различных соединений. Первое место по распространенности занимают кислородные соединения кремния. К данному разряду относится SiO2 и нерастворимая кремниевая кислота.

Кислотный остаток кремниевой кислоты образует различные силикаты (например, CaSiO3 или Al2O3•SiO2). В таких солях и представленных выше соединениях кремния с кислородом элемент имеет типичную для него степень окисления +4.

Также достаточно распространены соли кремния – силициды (Mg2Si, NaSi, CoSi) и соединения кремния с водородом (например, газ силан). Силан, как известно, самовоспламеняется на воздухе с возникновением ослепительной вспышки, а силициды легко разлагаются как при помощи воды, так и различных кислот.

Рассмотрим поподробнее кремний и его соединения, считающиеся самыми распространенными.

Диоксид кремния

Другое название данного оксида – кремнезем. Это твердое и тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде и кислотах и имеет атомную кристаллическую решетку. В природе оксид кремния образует такие минералы и драгоценные камни, как кварц, аметист, опал, агат, халцедон, яшма, кремень и некоторые другие.

Стоит отметить, что именно из кремния первобытные люди изготавливали свои орудия труда и охоты. Кремень положил начало так называемому каменному веку благодаря его повсеместной доступности и способности образовывать острые режущие края при сколе.

Именно оксид кремния делает прочными стебли таких растений, как камыши, тростники и хвощи, листья осоки и стебли злаков. В защитных наружных покровах некоторых животных также содержится кремнезем.

К тому же, он лежит в основе силикатного клея, благодаря которому создается силиконовый герметик и силиконовый каучук.

Химические свойства оксида кремния

Диоксид кремния взаимодействует с огромным количеством химических элементов – как металлов, так и неметаллов. Например:

  • При высоких температурах кремнезем взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли:

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O (при температуре).

  • Как типичный кислотный оксид, данное соединение дает силикаты в результате взаимодействия с оксидами различных металлов:

SiO2 + CaO → CaSiO3 (при температуре).

  • Или с карбонатными солями:

SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2↑ (при температуре).

  • Одно из важнейших химических свойств диоксида кремния – это возможность получения из него чистого кремния. Это можно осуществить двумя способами – при взаимодействии диоксида с магнием или углеродом:

SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si (при температуре).

SiO2 + 2C → Si + 2CO↑ (при температуре)

Кремниевая кислота

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Кремниевая кислота является очень слабой. Она нерастворима в воде и при реакциях образует студенистый осадок, который иногда способен заполнить весь объем раствора. Когда данная смесь высыхает, можно увидеть образовавшийся силикагель, который применяется как адсорбент (поглотитель других веществ).

Наиболее доступный и распространенный способ получения кремниевой кислоты можно выразить при помощи формулы:

K2SiO3 + 2HCl → 2KCl + H2SiO3↓.

Силициды

Рассматривая кремний и его соединения, очень важно сказать о таких его солях, как силициды. Такие соединения кремний образует с металлами, приобретая, как правило, при этом степень окисления -4. Однако такие металлы, как ртуть, цинк, бериллий, золото и серебро не способны взаимодействовать с кремнием и образовывать силициды.

Наиболее распространенными силицидами являются Mg2Si, Ca2Si, NaSi и некоторые другие.

Силикаты

Такие соединения, как силикаты занимают второе место по распространенности после диоксида кремния. Соли-силикаты считаются достаточно сложными веществами, так как имеют непростую структуру строения, а также они входят в состав большинства минералов и горных пород.

К наиболее распространенным в природе силикатам – алюмосиликатам – относят гранит, слюды, различные виды глин. Также известным силикатом является асбест, из которого изготавливаются огнестойкие ткани.

Применение кремния

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

В первую очередь, кремний применяется для получения материалов-полупроводников и кислотоупорных сплавов. Карбид кремния (SiC) часто используют для затачивания резцов станков и шлифовки ценных камней.

Из расплавленного кварца изготавливается устойчивую и крепкую кварцевую посуду.

Соединения кремния лежат в основе производства стекла и цемента.

Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Стекла отличаются друг от друга по составу, в котором обязательно присутствует кремний. Например, помимо оконных, существуют тугоплавкие, хрустальные, кварцевые, цветные, фотохромные, оптические, зеркальные и другие стекла.

При смешивании цемента с водой образуется особое вещество – цементный раствор, из которого впоследствии получают такой строительный материал, как бетон.

Производством этих веществ занимается силикатная промышленность. Помимо стекла и цемента, в силикатной промышленности получают кирпич, фарфор, фаянс и различные изделия из них.

Заключение

Итак, мы выяснили, что кремний является важнейшим химическим элементом, широко распространенным в природе. Кремний применяется при строительстве и художественной деятельности, а также незаменим для живых организмов. Многие вещества, начиная от простого стекла и заканчивая ценнейшим фарфором, имеют в своем составе кремний и его соединения.

Изучение химии позволяет познать окружающий наш мир и понять, что не все вокруг, даже самое великолепное и дорогое, настолько таинственно и загадочно, как могло показаться. Желаем успехов в научном познании и изучении такой прекрасной науки, как химия!

Читайте также:  Неравенство коши-буняковского и его доказательство

Источник: https://www.syl.ru/article/376544/kremniy-i-ego-soedineniya-formulyi

Валентность кремния

В соединениях с другими химическими элементами проявляется II или IV валентность кремния. Проявление валентности зависит от состояния атома. Об образовании валентности в соединениях кремния читайте ниже.
Степень окисления кремния (si), формула и примеры

Высшая валентность кремния определяется по группе периодической таблицы Менделеева. Кремний находится в IV группе, значит, имеет четвёртую высшую валентность.

Разностью между числом восемь и номером группы определить низшую валентность кремния нельзя. Чтобы понять, почему низшая валентность кремния II, а не IV, следует обратиться к более подробному строению атома кремния.

Элемент находится под 14 номером, в третьем периоде. Это значит, что вокруг ядра атома на трёх энергетических уровнях находится 14 электронов. Электронная конфигурация атома кремния – 1s22s22p63s23p2.

Число валентных электронов зависит от состояния атома. В обычном состоянии два спаренных электрона находится на s-подуровне и два неспаренных электрона – на p-подуровне.

Эти два неспаренных электрона указывают на низшую валентность – II. В возбуждённом состоянии один электрон с s-подуровня распаривается и переходит на p-подуровень.

В результате образуется четыре неспаренных электрона, определяющих высшую валентность IV.

Рис. 1. Расположение электронов на внешнем уровне в обычном и возбуждённом состояниях.

Для определения валентности в соединениях необходимо ориентироваться на нижние индексы формул элемента.

Кремний (Si) – хрупкий неметалл, не встречающийся в природе в чистом виде. Простое вещество можно получить промышленным или лабораторным путём. В этом случае степень окисления элемента будет равна нулю.

Рис. 2. Простое вещество.

Кремний может образовывать бинарные соединения с простыми веществами. Степень окисления в соединениях, как и валентность, зависит от состояния атома кремния. Элемент быстро переходит в возбуждённое состояние, поэтому степень окисления чаще всего равно +4 или -4.

Соединения, образующиеся при окислении металлов атомами кремния, называются силицидами. В этом случае кремний является окислителем и имеет отрицательную степень окисления -4:

  • 2Mg + Si → Mg2Si-4;
  • 6MnO + 5Si → 2Mn3Si-4 + 3SiO2;
  • 2Ca + Si → Ca2Si-4.

В соединениях с галогенами и неметаллами (кислородом, серой, азотом, углеродом, водородом) кремний проявляет степень окисления +4:

  • Si+4Cl4;
  • Si+4Br4;
  • Si+4O2;
  • Si+4H4;
  • Si+43N4;
  • Si+4C;
  • H2Si+4O3.

Степень окисления +2 кремний проявляет редко. Например, в монооксиде SiO, который не встречается в природе и получается только искусственным путём.

Рис. 3. Монооксид кремния.

Выяснили валентные возможности кремния. Элемент имеет две валентности – II и IV. Вторая валентность проявляется в обычном состоянии. Четвёртная валентность характерна для кремния в возбуждённом состоянии, когда один электрон переход с s- на p-подуровень. От состояния атома также зависит степень окисления.

Кремний проявляет степени окисления +2, +4, -4. С галогенами и неметаллами кремний имеет +4 степень окисления. В реакциях с металлами элемент выступает в роли окислителя и имеет -4 степень окисления. В редких случаях кремний имеет степень окисления +2. Например, она проявляется в монооксиде кремния SiO.

Средняя оценка: 4.2. Всего получено оценок: 137.

Источник: https://obrazovaka.ru/himiya/valentnost-kremniya-vozmozhnosti.html

5.2. Кремний

Кремний является
аналогом углерода, однако у кремния
больший размер атома, меньше энергия
ионизации, большее сродство к электрону
и большая поляризуемость. Наличие
вакантных d-орбиталей наделяет кремний
электроноакцепторными свойствами.
Поэтому связи кремния с электронодонорными
атомами (O, N, F, Cl) прочнее, чем для углерода.

По
распространенности кремний второй
после кислорода элемент земной коры
(20 мол.%). Земная кора более чем наполовину
состоит из кремнезема — SiO2,
силикатных или алюмосиликатных пород.

Кремнезем имеет несколько модификаций,
в природе встречается в виде минерала
кварца, кристаллическая модификация
SiO2
— горный хрусталь. Окрашенные кристаллы
горного хрусталя — аметист, топаз.

Мелкокристаллические и аморфные образцы
диоксида кремния — агат, яшма, халцедон,
опал.

Кремний образует
несколько аллотропных модификаций,
наиболее устойчива из которых
алмазоподобная. Как и алмаз, она
тугоплавкая (т.пл. 1412 ºС) и отличается
высокой твердостью. В следствие частичной
делокализации связей эта модификация
имеет темно-серый цвет и металлический
блеск. При комнатной температуре кремний
является полупроводником.

  • Получают кремний
    восстановлением его диоксида или
    хлорида, а также разложением термически
    неустойчивых соединений:
  • t t
  • SiO2 + C = Si + CO2; SiCl4 + 2Zn = Si + 2ZnCl2:
  • t t
  • SiH4 = Si + 2H2; SiI4 = Si + 2I2
  • Химические
    свойства
    . В
    обычных условиях кремний очень устойчив
    и реагирует только со фтором:
  • Si + 2F2 = SiF4
  • При нагревании
    взаимодействует с другими неметаллами,
    исключая водород:
  • 400
    ºС 600 ºС
  • Si + 2Cl2  SiCl4; Si + O2  SiO2
  • 1000
    ºС 2000 ºС
  • 3Si + 2N2  Si3N4; Si + C  SiC
  • Окислительная
    активность проявляется лишь по отношению
    к некоторым металлам:
  • t
  • Si + 2Mg = Mg2Si
  • На
    кремний действует только смесь
    концентрированной азотной и плавиковой
    кислот:
  • 3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O
  • Кремний
    энергично растворяется в водных растворах
    щелочей:
  • Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2
  • С
    водой реагирует только при высоких
    температурах:
  • Si + 3H2O = Н2SiO3 + 2H2

Соединения кремния

Соединения
со степенью окисления –4.

Степень окисления –4 для кремния
реализуется только в бинарных соединениях
с активными металлами — силицидах.
Получают силициды непосредственным
взаимодействием кремния с металлами
(700-1200 ºС) или при нагревании смеси
соответствующих оксидов и кремния в
инертной атмосфере:

6MnO + 5Si = 2Mn3Si + 3SiO2

Силициды
переходных металлов являются бертоллидами,
они устойчивы к действию кислот и
окислителей. Их применяют для получения
жаростойких и кислотоупорных сплавов
и в качестве высокотемпературных
полупроводниковых материалов. Ряд
силицидов f-элементов применяют в атомной
энергетике в качестве поглотителя
нейтронов.

  1. Силициды непереходных
    металлов гидролитически неустойчивы,
    легко разлагаются водой и кислотами:
  2. Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4
  3. Соединения
    со степенью окисления +2.
    Из
    соединений кремния(II) известен только
    оксид — SiO, полученный взаимодействием
    кремния с его диоксидом при высоких
    температурах:
  4. t
  5. Si + SiO2 = 2SiO
  6. Это
    коричневый порошок, при 1200 ºС возгоняется,
    химически активен – восстановитель,
    несолеобразующий оксид.

Соединения
со степенью окисления +4.
Соединения
кремния(IV) наиболее многочисленны. Их
типичными представителями являются
SiHal4,
SiO2,
SiS2,
Si3N4,
SiC.

Гидриды
кремния (силаны) получаются косвенным
путем при разложении силицидов кислотами.

В обычных условиях моно- и дисиланы
(SiH4,
Si2H6)
газообразны, трисилан – жидкость, высшие
представители гомологического ряда –
твердые вещества.

Связи Si-Si и Si-Н менее
прочные по сравнению с аналогичными
связями углерода, поэтому соединения
кремния с водородом нестойки, ядовиты,
на воздухе самопроизвольно воспламеняются,
при рН > 7 окисляются водой.

  • SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O; SiH4 + 4H2O = H4SiO4 + 4H2
  • ортокремниевая
    кислота
  • Поскольку
    sp2-
    и sp-типы гибридизации для атома кремния
    не характерны, гидриды с двойными и
    тройными связями (аналоги этилена и
    ацетилена) неизвестны.
  • Как уже отмечалось, в
    отличие от углерода, кремний не образует
    устойчивых гомоцепей. Но чередование
    атомов кремния с атомами кислорода
    приводит к образованию очень устойчивых
    соединений — мономерного и полимерного
    строения (силоксанов):

гексаметилдисилоксан силиконы

Полимерные силоксаны
— силиконы — термостойки, устойчивы к
окислению и гидрофобны. Некоторые
силиконы растворяют до 20% кислорода,
что позволяет использовать их в медицине
при лечении легочных заболеваний.

Диоксид
кремния — SiO2
— кристаллическое вещество полимерного
строения. Очень твердое и химически
устойчивое, имеет низкий коэффициент
температурного расширения, что позволяет
использовать его для производства
термостойкого стекла. Кварцевое стекло
прозрачно для ультрафиолетового
излучения и выдерживает большие перепады
температур.

  1. По
    химическим свойствам SiO2
    кислотный оксид, но с водой не реагирует.
    Растворяется в растворах щелочей при
    нагревании:
  2. t
  3. SiO2 + 2KOH = K2SiO3 + H2O
  4. Легко
    реагирует со фтором, фтороводородом и
    его водными растворами:
  5. SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2; SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O
  6. гексафторокремниевая
    кислота

Кремний
образует ряд кремниевых кислот,
большинство из которых известно только
по их солям — силикатам. В качестве
индивидуальных веществ описаны
ортокремниевая кислота — H4SiO4
и метакремниевая кислота — H2SiO3.
Ортокремниевая кислота получается в
виде водного раствора при гидролизе
некоторых соединений кремния, например,
его сульфида:

SiS2 + 4H2O = H4SiO4 + 2H2S

Полученное
вещество неустойчиво и при длительном
хранении раствора полимеризуется.
Ортокремниевая кислота растворима в
воде, слабая двухосновная кислота (К1
= 2 10-10;
К2
= 2 10-12),
легко полимеризуется.

диортокремниевая
кислота

  • тетраортокремниевая
    кислота тетраметакремниевая кислота
  • Метакремниевая
    кислота H2SiO3
    образуется в виде золя или геля при
    действии сильных кислот на растворы
    силикатов:
  • Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl
  • Вещество нестойко, при
    хранении и при нагревании теряет воду,
    образуя диоксид кремния:
  • H2SiO3 = SiO2 + H2O

H2SiO3
— слабая кислота, образует соли —
метасиликаты или просто силикаты.
Силикаты щелочных металлов хорошо
растворимы в воде, сильно гидролизованы.

SiO32- + H2O HSiO3 + ОH-

Структурной
единицей силикатов является тетраэдрическая
группировка SiO44-,
соседние группировки соединены через
атом кислорода. Известны простые
ортосиликаты, например, Ве2SiO4
– фенакит, ZrSiO4
– циркон.

Известно несколько типов
полимерных силикатов — солей поликремниевых
кислот, содержащих анионы, в которых
структурные единицы объединены попарно
(Si2O76-)
и в замкнутые циклы по три (Si3O96-),
четыре (Si4O128-)
или по шесть (Si6O1812-).

В природе широко распространены
алюмосиликаты, содержащие также тетраэдры
AlO45-,
например, K2OAl2O36SiO2
— ортоклаз
(полевой шпат), Al2O36SiO22H2O
— каолин.

  1. Для силикатов характерно
    образование переохлажденных расплавов
    — стекол. Обычное оконное стекло получают
    сплавлением соды, песка и извести:
  2. t
  3. Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2OCaO6SiO2 + 2СО2

Примеси
оксидов других металлов придают стеклу
окраску: оксиды железа — зеленую, оксиды
марганца — коричневую. Изменяя состав
сырья, получают специальные стекла:
K2OCaO6SiO2
— тугоплавкое стекло, K2OPbO6SiO2
— хрусталь. Вызванная специальными
добавками частичная кристаллизация
силикатов приводит к образованию
ситаллов — очень прочных стекол.

Галогениды:
SiF4
— газ, SiCl4
и SiBr4
– жидкости, SiI4
– твердое вещество. Получают галогениды
прямым синтезом. Кроме того, фторид
кремния в промышленности получают
нагреванием оксида кремния с фторидом
кальция в присутствии концентрированной
серной кислоты:

  • SiO2 + 2CaF2 + 2H2SO4(конц) = SiF4 + 2CaSO4 + 2H2O
  • Получение
    хлорида основано на хлорировании
    раскаленной смеси оксида кремния и
    угля:
  • SiO2 + 2C + 2Cl2 = SiCl4 + 2CO
  • Галогениды
    кремния очень реакционноспособны, легко
    гидролизуются:
  • SiCl4 + 4H2О = H4SiO4 + 4HCl; 3SiF4 + 4H2О = H4SiO4 + 2H2SiF6
  • В
    отличие от других галогенидов кислотная
    природа фторида кремния проявляется
    не только при гидролизе, но и при
    взаимодействии с основными фторидами:
  • t
  • SiF4 + 2NaF = Na2SiF6

Гексафторкремневая
кислота — H2SiF6
— в чистом виде неустойчива, образует
соли — гексафторсиликаты. Na2SiF6
применяется в качестве гербицида, при
производстве стекол. Гексафторсиликаты
магния и цинка используются для получения
водонепроницаемого цемента.

Сульфид
кремния — SiS2
— полимерное вещество представляет
собой белые шелковистые иглы, т.пл.1090
С,
т.кип. 1130 С.
Получают при 1300 С
по реакции:

  1. Si + 2H2S = SiS2 + 2H2
  2. Сульфид
    разлагается водой, реагирует с основными
    сульфидами, образуя тиосиликаты:
  3. SiS2 + 4H2O = H4SiO4 + 2H2S; SiS2 + Na2S = Na2SiS3

Нитрид
кремния — Si3N4
— белое порошкообразное вещество,
температура возгонки ~1900 С.
Получают прямым синтезом. Химически
инертное вещество, реагирует только с
расплавами щелочей:

Si3N4 + 12NaOH = 3Na4SiO4 + 4NH3

Нитрид кремния используют
в качестве химически стойкого и
огнеупорного материала, для получения
коррозионностойких и тугоплавких
сплавов, в качестве высокотемпературного
полупроводника.

Карбид
кремния — SiC
(карборунд) — тугоплавкие бесцветные
кристаллы (т.пл. 2830 С).
Существует в виде кубической
(алмазоподобной) и гексагональной
модификациях. В чистом виде алмазоподобный
карборунд диэлектрик, по твердости
близок к алмазу, химически весьма стоек.
Разрушается только в присутствии смеси
азотной и плавиковой кислот и при
сплавлении с щелочами в присутствии
окислителя:

  • t
  • SiС + 2КOH + 2О2 = К2SiO3 + СО2 + Н2O
  • Карбид
    кремния получают в дуговых печах при
    2000-2200 С
    из смеси кокса и кварцевого песка:
  • SiО2 + 3С = SiС + 2СО
  • Широко применяется
    как абразивный и огнеупорный материал,
    его кристаллы используются в радиотехнике.

Источник: https://studfile.net/preview/2277427/page:15/

Ссылка на основную публикацию