С какими веществами реагирует оксид кремния(IV)?

NaOH (при сплавлении)

CaO (при сплавлении)

CaCO₃ (при сплавлении)

Почему неметаллические свойства у кремния выражены слабее, чем у углерода?

Радиус атома кремния больше, внешние электроны удерживаются слабее

У кремния меньше валентных электронов

Кремний — металл

У кремния меньше заряд ядра

Что такое силикагель?

Высушенная кремниевая кислота — пористый оксид кремния(IV)

Раствор силиката натрия

Сплав кремния с алюминием

Соединение кремния с водородом

Кремний и его соединения — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Элементы IVA-группы. Углерод

Коротко о главном

Кремний — элемент IVA-группы и третьего периода, «родственник» углерода с более слабыми неметаллическими свойствами. С металлами он окислитель (степень окисления −4 в силицидах), с неметаллами и щелочами — восстановитель (+4). Его оксид $\mathrm{SiO_2}$ — кислотный, ему отвечает слабая нерастворимая кремниевая кислота, а её соли — силикаты.

\mathrm{Si + 2KOH + H_2O \rightarrow K_2SiO_3 + 2H_2\uparrow}

Подробное объяснение

Посмотрите под ноги на пляже: песок — это почти чистый оксид кремния. Из соединений кремния состоят глина, гранит, кварц, стекло и кирпич. Углерод — основа живых организмов, а кремний — основа камней: по распространённости в земной коре он второй после кислорода.

Строение атома

Кремний стоит в третьем периоде, IVA-группе, заряд ядра +14. Электроны распределены по слоям так: 2, 8, 4. Внешних электронов четыре, как у углерода, поэтому формулы похожи: высший оксид $\mathrm{SiO_2}$ , водородное соединение — силан $\mathrm{SiH_4}$ . Но радиус атома больше, внешние электроны дальше от ядра, и чужие электроны кремний притягивает слабее. Поэтому он более слабый неметалл, чем углерод. Характерные степени окисления: −4, 0, +4.

Кремний в природе

Свободного кремния в природе нет. Почти весь он связан с кислородом: связи Si—O образуют прочные каркасы, цепочки и слои. Отсюда кварц и горный хрусталь, песок, агат и яшма (всё это $\mathrm{SiO_2}$ ), а также силикаты и алюмосиликаты — глины, полевые шпаты, слюда, волокнистый асбест.

Простое вещество кремний — тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском. Это полупроводник: на этом держится вся электроника.

Химические свойства кремния

При комнатной температуре кремний малоактивен, почти все реакции идут при нагревании.

Схема на шкале степеней окисления. Из Si (0) влево стрелка к силицидам Ca₂Si и Mg₂Si (−4) — реакция с активными металлами, кремний окислитель. Вправо три стрелки к SiF₄, SiO₂ и K₂SiO₃ (+4) — с F₂, O₂ и KOH кремний восстановитель. — С активными металлами кремний принимает электроны, со всеми остальными реагентами — отдаёт.

Окислитель — только с активными металлами. Получаются силициды:

\mathrm{2Ca + Si \xrightarrow{t} Ca_2Si}

Силициды разлагаются кислотами (и водой) с выделением силана:

\mathrm{Ca_2Si + 4HCl \rightarrow 2CaCl_2 + SiH_4\uparrow}

Восстановитель — с неметаллами и сильными окислителями:

\mathrm{Si + 2F_2 \rightarrow SiF_4}\quad\text{(уже при комнатной температуре)}

\mathrm{Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2}\quad\text{(выше 1000 °C)}

В учебнике приведено и уравнение

\mathrm{Si + 4HNO_3 \rightarrow SiO_2 + 4NO_2 + 2H_2O}

, но на деле одна азотная кислота кремний не растворяет: его защищает плёнка

\mathrm{SiO_2}

. Кремний растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:

\mathrm{3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2SiF_6 + 4NO\uparrow + 8H_2O}

При нагревании кремний растворяется в концентрированных щелочах, вытесняя водород:

\mathrm{Si + 2KOH + H_2O \rightarrow K_2SiO_3 + 2H_2\uparrow}

Получают кремний восстановлением оксида: в промышленности — коксом, в лаборатории — магнием ( $\mathrm{SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO}$ ). Сверхчистый кремний для микросхем получают, например, разложением силана при нагревании.

Оксид кремния(IV) и кремниевая кислота

$\mathrm{SiO_2}$ — твёрдый тугоплавкий кислотный оксид. С водой он не реагирует, зато со щелочами, основными оксидами и при сплавлении с карбонатами даёт силикаты:

\mathrm{SiO_2 + 2KOH \xrightarrow{t} K_2SiO_3 + H_2O}

\mathrm{CaCO_3 + SiO_2 \xrightarrow{t} CaSiO_3 + CO_2\uparrow}

Раз оксид с водой не реагирует, кремниевую кислоту $\mathrm{H_2SiO_3}$ получают из её солей: любая более сильная кислота, даже угольная, вытесняет её в виде студенистого осадка:

\mathrm{K_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2KCl}

Это очень слабая нерастворимая кислота. Щёлочи её растворяют, а при высушивании она теряет воду и превращается в пористый силикагель — те самые шарики-поглотители влаги в коробках с обувью.

Силикаты почти все нерастворимы. Растворяются только силикаты натрия и калия; их концентрированный раствор называют жидким стеклом — это силикатный клей.

Применение

Кремний — микросхемы и солнечные батареи; сплав силумин (кремний + алюминий) — лёгкие и прочные детали двигателей. Соединения кремния — основа стекла, цемента, керамики (это тема следующего параграфа).

Как решать задачи

Для уравнений определите роль кремния: с металлом он окислитель (−4), со всем остальным — восстановитель (+4).
Проверьте, что реакция возможна: $\mathrm{SiO_2}$ не реагирует с водой и кислотами, $\mathrm{H_2SiO_3}$ — нерастворима и в ионных уравнениях пишется молекулой.
В расчётах с примесями сначала найдите массу чистого вещества: $m = m_{\text{техн}} \cdot (1 - w_{\text{прим}})$ .
Дальше — по алгоритму: $$n = m/M$$ , пропорция по коэффициентам, $V = n \cdot 22{,}4$ л/моль.

Разобранные примеры

База

Электронный баланс для получения кремния магнием

Условие

Составьте электронный баланс для реакции $\mathrm{SiO_2 + Mg \rightarrow Si + MgO}$ , расставьте коэффициенты, укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Кремний меняет степень окисления с +4 до 0, магний — с 0 до +2:

\mathrm{\overset{+4}{Si} + 4e^- \rightarrow \overset{0}{Si}} \quad | \ 1

\mathrm{\overset{0}{Mg} - 2e^- \rightarrow \overset{+2}{Mg}} \quad | \ 2

Перед

\mathrm{Mg}

и

\mathrm{MgO}

ставим 2:

\mathrm{SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO}

Проверка по кислороду: слева 2, справа 2.

Ответ: SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO; Mg — восстановитель, SiO₂ (Si⁺⁴) — окислитель.

Средний

Цепочка превращений

Условие

Запишите уравнения реакций: $\mathrm{Si \rightarrow SiO_2 \rightarrow Na_2SiO_3 \rightarrow H_2SiO_3}$ .

Решение

Сжигаем кремний:

\mathrm{Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2}

Сплавляем кислотный оксид со щёлочью:

\mathrm{SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O}

Вытесняем кремниевую кислоту более сильной кислотой:

\mathrm{Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2NaCl}

Ответ: Si + O₂ → SiO₂; SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O; Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl.

Сложный

Кремний с примесями и щёлочь

Условие

35 г технического кремния, содержащего 20 % примесей, обработали избытком раствора гидроксида натрия. Какой объём водорода (н. у.) выделился? Примеси со щёлочью не реагируют.

Дано

$m_{\text{техн}} = 35$ г
$w_{\text{прим}} = 20\%$

Найти

$V(\mathrm{H_2})$ . $\mathrm{Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow}$ Чистого кремния $35 \cdot 0{,}8 = 28$ г
$n(\mathrm{Si}) = \dfrac{28}{28} = 1$ моль

Решение

По уравнению $n(\mathrm{H_2}) = 2n(\mathrm{Si}) = 2$ моль, $V = 2 \cdot 22{,}4 = 44{,}8$ л.

Ответ: 44,8 л

Типичные ошибки

Пишут реакцию оксида кремния с водой

Почему неверно

По аналогии с $\mathrm{CO_2}$ и $\mathrm{SO_3}$ пишут $\mathrm{SiO_2 + H_2O \rightarrow H_2SiO_3}$ . Но песок в воде не растворяется и кислоту не образует.

Как правильно

Кремниевую кислоту получают косвенно: из силиката действием более сильной кислоты, $\mathrm{Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2NaCl}$ .

Записывают кремниевую кислоту ионами

Почему неверно

$\mathrm{H_2SiO_3}$ нерастворима и очень слаба: в растворе её ионов практически нет.

Как правильно

В ионных уравнениях $\mathrm{H_2SiO_3}$ — молекулой со стрелкой осадка: $\mathrm{2H^+ + SiO_3^{2-} \rightarrow H_2SiO_3\downarrow}$ .

Ставят кремнию +4 в силицидах

Почему неверно

Привыкнув, что кремний «четырёхвалентный, +4», пишут +4 и в $\mathrm{Ca_2Si}$ . Тогда сумма степеней окисления $2 \cdot (+2) + 4 = +8$ , а должна быть 0.

Как правильно

В силицидах металл положителен, значит кремний отрицателен: в $\mathrm{Ca_2Si}$ и $\mathrm{Mg_2Si}$ у него −4. Валентность при этом IV — это разные понятия.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Определите степень окисления кремния в соединениях $\mathrm{Mg_2Si}$ , $\mathrm{SiO_2}$ , $\mathrm{Na_2SiO_3}$ , $\mathrm{SiF_4}$ .

Подсказка

Степень окисления магния +2, натрия +1, кислорода −2, фтора −1; сумма степеней окисления в соединении равна нулю.

Решение

Для $\mathrm{Mg_2Si}$ получаем $2 \cdot (+2) + x = 0$ , $$x = -4$$ .

Для $\mathrm{SiO_2}$ получаем $x + 2 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +4$$ .

Для $\mathrm{Na_2SiO_3}$ получаем $2 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +4$$ .

Для $\mathrm{SiF_4}$ получаем $x + 4 \cdot (-1) = 0$ , $$x = +4$$ .

Ответ

Mg₂Si — −4; SiO₂, Na₂SiO₃, SiF₄ — +4

База Задача 2

Вычислите массовую долю кремния в оксиде кремния(IV) $\mathrm{SiO_2}$ (в процентах).

Подсказка

Массовая доля элемента — доля его атомов в молярной массе вещества.

Решение

$M(\mathrm{SiO_2}) = 28 + 2 \cdot 16 = 60$ г/моль.

$w(\mathrm{Si}) = \dfrac{28}{60} \cdot 100\% \approx 46{,}7\%$ .

Ответ

46,7 %

Средний Задача 3

К раствору силиката натрия прилили раствор серной кислоты. Что наблюдают? Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения.

Подсказка

Кремниевая кислота нерастворима в воде.

Решение

Выпадает белый студенистый осадок кремниевой кислоты.

\mathrm{Na_2SiO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + Na_2SO_4}

\mathrm{2Na^+ + SiO_3^{2-} + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2Na^+ + SO_4^{2-}}

\mathrm{2H^+ + SiO_3^{2-} \rightarrow H_2SiO_3\downarrow}

Ответ

Студенистый осадок H₂SiO₃; 2H⁺ + SiO₃²⁻ → H₂SiO₃↓

Средний Задача 4

Какую массу кремния можно получить из 30 г оксида кремния(IV) при восстановлении его магнием?

Подсказка

$\mathrm{SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO}$

Решение

Дано

$m(\mathrm{SiO_2}) = 30$ г

Найти

$m(\mathrm{Si})$ . $\mathrm{SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO}$ $n(\mathrm{SiO_2}) = \dfrac{30}{60} = 0{,}5$ моль. По уравнению $n(\mathrm{Si}) = n(\mathrm{SiO_2}) = 0{,}5$ моль

$m(\mathrm{Si}) = 0{,}5 \cdot 28 = 14$ г.

Ответ

14 г

Сложный Задача 5

На 38 г силицида магния $\mathrm{Mg_2Si}$ подействовали избытком соляной кислоты. Какой объём силана (н. у.) выделился?

Подсказка

Силицид активного металла с кислотой даёт соль металла и силан $\mathrm{SiH_4}$ .

Решение

Дано

$m(\mathrm{Mg_2Si}) = 38$ г

Найти

$V(\mathrm{SiH_4})$ . $\mathrm{Mg_2Si + 4HCl \rightarrow 2MgCl_2 + SiH_4\uparrow}$ $M(\mathrm{Mg_2Si}) = 2 \cdot 24 + 28 = 76$ г/моль
$n = \dfrac{38}{76} = 0{,}5$ моль

По уравнению $n(\mathrm{SiH_4}) = 0{,}5$ моль, $V = 0{,}5 \cdot 22{,}4 = 11{,}2$ л.

Ответ

11,2 л

Сложный Задача 6

Через 61 г 20%-ного раствора силиката натрия пропустили избыток углекислого газа. Какая масса кремниевой кислоты выпала в осадок?

Подсказка

Угольная кислота сильнее кремниевой и вытесняет её из соли.

Решение

Дано

$m_{\text{р-ра}} = 61$ г
$w(\mathrm{Na_2SiO_3}) = 20\%$

Найти

$m(\mathrm{H_2SiO_3})$ . $\mathrm{Na_2SiO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + Na_2CO_3}$ $m(\mathrm{Na_2SiO_3}) = 61 \cdot 0{,}2 = 12{,}2$ г; $M(\mathrm{Na_2SiO_3}) = 2 \cdot 23 + 28 + 3 \cdot 16 = 122$ г/моль; $n = \dfrac{12{,}2}{122} = 0{,}1$ моль

$n(\mathrm{H_2SiO_3}) = 0{,}1$ моль; $M(\mathrm{H_2SiO_3}) = 2 + 28 + 48 = 78$ г/моль; $m = 0{,}1 \cdot 78 = 7{,}8$ г.

(При избытке $\mathrm{CO_2}$ вместо карбоната получится гидрокарбонат натрия, но масса осадка от этого не меняется.)

Ответ

7,8 г

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Достаньте из коробки с обувью пакетик силикагеля, а с полки — стеклянный стакан и горсть песка. Объясните: всё это — оксид кремния $\mathrm{SiO_2}$ , только в разной форме. Кремний в природе всегда «держится» за кислород, поэтому из его соединений сделаны камни, песок и стекло, а чистый кремний добывают специально — для микросхем в телефоне и солнечных батарей. Вопросы для проверки понимания: 1) Почему нельзя получить кремниевую кислоту, растворив песок в воде? 2) Какую степень окисления имеет кремний в $\mathrm{SiO_2}$ и в $\mathrm{Ca_2Si}$ ? 3) Почему щёлочь не хранят в стеклянной посуде? На что обратить внимание. Ребёнок должен различать роли кремния: с металлами — окислитель, с остальными — восстановитель. Проверьте, что в уравнениях есть условия (нагревание) и что $\mathrm{H_2SiO_3}$ записана с осадком.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 24	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8