06. Кремний

Нахождение кремния в природе

Кремний – один из самых распространённых химических элементов земной коры. Его содержание составляет почти 30 %. В природе он в основном встречается в виде различных форм диоксида кремния, силикатов и алюмосиликатов.

Почти во всех своих соединениях кремний четырехвалентен. При этом атомы кремния находятся в возбужденном состоянии.

Для перехода в такое состояние один из 3s-электронов занимает вакантное место на 3р-орбитали. При этом вместо 2-х неспаренных электронов в основном состоянии, у атома кремния в возбуждённом состоянии будет 4 неспаренных электрона. Он сможет образовывать 4 ковалентные связи по обменному механизму.

Атомы кремния не склонны к образованию кратных связей, но образуют соединения с одинарными связями –Si–O–. Кремнию, в отличие от углерода, несвойственна аллотропия.

Одной из аллотропных модификаций является кристаллический кремний, в котором каждый атом кремния находится в sp³-гибридизации. Кристаллический кремний – это твердое, тугоплавкое и прочное кристаллическое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском. При обычных условиях – полупроводник. Иногда в качестве еще одной аллотропной модификации кремния выделяют аморфный кремний. Это темно-коричневый порошок, химически более активный, чем кристаллический кремний. Является ли он аллотропной модификацией – вопрос спорный.

Химические свойства кремния как простого вещества

Химические свойства кремния

1. Взаимодействие с галогенами

Si + 2F₂ → SiF₄

2. При нагревании кремний сгорает в кислороде, образуется оксид кремния (IV).

Si + О₂ → SiО₂

3. При высоких температурах кремний взаимодействует с азотом или углеродом.

3Si + 2N₂ → Si₃N₄

Si + C → SiC

4. С водными растворами кислот кремний не реагирует. Но растворяется в щелочах.

Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑

5. При сплавлении кремния с металлами, образуются силициды.

Si + 2Mg → Mg₂Si

6. Кремний непосредственно с водородом не взаимодействует, но водородные соединения кремния можно получить при взаимодействии силицидов с водой.

Mg₂Si + 4H₂O → 2Mg(OH)₂ + SiH₄↑ (силан)

Силаны по строению подобны алканам, но значительно реакционно способны. Самый стабильный моносилан воспламеняется на воздухе.

SiH₄↑ +2О₂ → SiО₂ + 2H₂О

Получение кремния

Кремний получают восстановлением из оксида кремния (IV)

SiО₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Одна из задач – это получение высокочистого кремния. Для этого технический кремний переводят в тетрахлорид кремния. Получившийся тетрахлорид восстанавливают до силана, а силан разлагается при нагревании на кремний и водород.

Оксиды кремния

Кремний способен образовывать два оксида: SiО₂ – оксид кремния (IV) и SiО – оксид кремния (II).

SiО – оксид кремния (II) – это аморфное темно-коричневое вещество, которое образуется при взаимодействии кремния с оксидом кремния (IV).

Si + SiO₂ → 2SiO

Несмотря на стабильность, это вещество почти не используется.

SiО₂ - оксид кремния (IV)

На долю этого вещества приходится 12 % земной коры. Он представлен такими минералами, как горный хрусталь, кварц, аметист, цитрин, яшма, халцедон.

SiО₂ – оксид кремния (IV) – вещество немолекулярного строения.

Его кристаллическая решетка – атомная. Кристаллы SiО₂ имеют форму тетраэдра, которые связаны между собой атомами кислорода. Более правильной была бы формула молекулы (SiО₂)ₙ. Так как SiО₂ образует вещество атомного строения, а СО₂ – молекулярного строения, то очевидна разница в их свойствах. СО₂  – это газ, а SiО₂ – твердое прозрачное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и тугоплавкое.

Химические свойства SiО₂

1. Оксид кремния (IV) SiО₂ – это кислотный оксид. Он не реагирует с водой. Кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией SiО₂. Её соли – силикаты – можно получить при взаимодействии SiО₂ с горячими растворами щелочей.

SiО₂ + 2NaOH Na₂SiO₃ + H₂O

2. Реагирует с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов.

CaCO₃ + SiО₂CaSiO₃ + CO₂↑

3. Взаимодействует с металлами.

SiО₂ + 2Mg → Si + 2MgO

4. Реакция с плавиковой кислотой.

SiО₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O

SiF₄ + 2HF → H₂[SiF₆]

Химические свойства кремниевой кислоты и применение её солей

Химические свойства кремниевой кислоты и силикатов

Получение кремниевой кислоты

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl

Кремниевая кислота осаждается в виде полимерного соединения. Формулы для кремниевой кислоты – H₂SiO₃ (мета форма) и H₄SiO₄ (орто форма) – отражают соотношение элементов, но не истинный состав. Условно на плоскости состав кремниевой кислоты изображается как на.

Для кремниевой кислоты всегда используется формула H₂SiO₃.

1. H₂SiO₃ при нагревании разлагается

H₂SiO₃  H₂O + SiO₂ (силикагель)

2. Взаимодействует с растворами щелочей

H₂SiО₃ + 2NaOH Na₂SiO₃ + 2H₂O

Соли кремниевой кислоты – силикаты – относятся к ионным соединениям. Это твердые бесцветные вещества. В воде растворимы только силикаты щелочных металлов, кроме лития.

1. Растворимые силикаты подвергаются гидролизу по аниону

Na₂SiО₃ + H₂O ⇆ NaHSiО₃ + NaОH

2. Растворимые силикаты взаимодействуют с сильными кислотами

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl

Полиорганосилоксаны (силиконы)

Полиорганосилоксаны (силиконы) – это кислородсодержащие высокомолекулярные кремнийорганические соединения.

R₂[SiO]ₙ

R – органическая группа (метильная, этильная или фенильная). В основе строения силоксанов лежит цепочка из чередующихся атомов кремния и кислорода.

Варьируя длину цепочки и органические группы, можно получить силиконы с различными свойствами. Изменяя условия полимеризации, можно получать молекулы разной длины.

Полимеры с короткой цепочкой – это жидкости, более длинные – ценные смазочные материалы, которые сохраняют свои свойства в огромном интервале температур от –100°С до + 300°С.

Более длинные молекулы образуют каучуки, которые не теряют своей эластичности при низких температурах. Обладают высокой стойкостью к истиранию, химически инертны.

Это обуславливает различные варианты их применения. Они могут использоваться для создания аппаратов искусственного сердца или почки, а могут применяться как подошвы для ботинок. Силоксановые полимеры используются в медицине для создания различных имплантов мягких тканей, поскольку такие полимеры химически инертны и не отторгаются организмом. Они не смачиваются водой. Это используется в кремах. При нанесении такого крема на руки, он заменят собой резиновые перчатки.

Простые опыты с участием силиката натрия

Неорганический сад

В прозрачный стакан, заполненный силикатом натрия, опускаем кристаллы окрашенных солей, например, медного купороса. Через некоторое время можно увидеть, что из кристаллов образовались тонкие полые трубки, которые состоят из нерастворимых силикатов.

Получение «дурацкой» замазки

Смешиваются равные объёмы силиката натрия и медицинского спирта. Выпавший осадок отфильтровывается и отжимается, чтобы не капал спирт. Это и есть замазка. Она названа так, потому что планировалось использовать ее как замазку для окон. Но оказалось, что она обладает такими свойствами, что использовать ее по назначению не получилось. Если скатать шарик и бросить на пол, то он отскочит, как каучуковый мячик. Если положить на стол, то растечется, как жидкость. Если ударить твердым предметом, то разлетится, как твёрдое тело. Через некоторое время, когда высохнет спирт, эта замазка просто рассыплется.

Подведение итога урока

На этом уроке вы изучили тему «Кремний». Рассмотрели сведения о кремнии: его электронное строение, где в природе находится кремний, изучили аллотропию кремния, объяснили его физические и химические свойства. Узнали о том, где в промышленности и других сферах применяется кремний, как его получают. Вы познакомились с диоксидами кремния, кремниевой кислотой и ее солями – силикатами.

Список литературы

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Попель П. П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П. П. Попель, Л. С. Кривля. – К.: ИЦ «Академия», 2008. – 240 с.: ил.

3. Габриелян О. С. Химия. 11 класс. Базовый уровень.  2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «chemport.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. №№ 2-4 (с. 138) Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Назовите области применения полиорганосилоксанов.

3. Сравните свойства аллотропных модификаций кремния.