Пособие-репетитор по химии занятие 34
10-й класс (первый год обучения)
В этом номере заканчивается публикация курса “Пособие-репетитор по химии” первого года обучения (10-й класс). Публикация курса для второго года обучения (11-й класс) будет продолжена в нашей газете в 2010 г.
Кремний и его соединения
П л а н
1.Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.
2. Происхождение названия.
3. Физические свойства, аллотропные модификации кремния.
4. Химические свойства.
5. Нахождение в природе.
6. Основные методы получения.
7. Важнейшие соединения кремния (кремнезем, кремниевая кислота и ее соли, силан).
Кремний находится в главной подгруппе IV группы периодической системы Д.И.Менделеева, является аналогом углерода. Электронная формула кремния 1s22s22p63s2p2, это р-элемент. Как и углерод, кремний является неметаллом, по электроотрицательности он близок к водороду. Характерные степени окисления кремния в соединениях +4 и –4, степень окисления +4 является наиболее устойчивой:
Si: 1s22s22p63s23p2
Si*: 1s22s22p63s13p3
Русское название этого элемента образовано от слова “кремень” – твердый камень для высекания огня; латинское название – silicium – происходит от слова “silex” – кремень.
Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а
Наиболее распространены две аллотропные модификации кремния – аморфный и кристаллический.Аморфный кремний – бурый тугоплавкий порошок, часто имеет желто-коричневый оттенок из-за присутствующих примесей. На воздухе покрыт прочной оксидной пленкой, устойчив, не реагирует с водой. Химически более активен, чем кристаллический кремний.
Кристаллический кремний – твердое вещество темно-серого цвета со слабым металлическим блеском, обладает тепло- и электропроводностью. Кристаллический кремний очень хрупкий, непрозрачный, тугоплавкий, типичный полупроводник. Проводимость кремния возрастает при освещении и нагревании. Структура кристаллического кремния аналогична структуре алмаза, но ковалентные связи в кристалле кремния значительно слабее, чем в алмазе; это обусловливает наличие свободных электронов, обеспечивающих небольшую электропроводность. При освещении, нагревании или при наличии некоторых примесей увеличивается число разрушенных связей, соответственно увеличивается число свободных электронов и возрастают проводниковые свойства.
Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а
По химическим свойствам кремний является аналогом углерода. В реакциях может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. При обычных условиях довольно инертен, при комнатной температуре взаимодействует только со фтором. При нагревании химическая активность возрастает.
Н2 (–).
О2 (+):
Si + O2 SiO2.
Металлы (+/–)*:
,
c Zn, Al, Sn, Pb образует сплавы.
Неметаллы (+/–):
Si + 2Cl2 SiCl4,
Si + 2S SiS2,
Si + C SiC,
Si + P нет реакции.
Н2О (+/–):
Si + 2H2O (пар) SiO2 + 2H2.
Основные оксиды (+/–):
2MgO + 3Si Mg2Si + 2SiO,
CuO + Si нет реакции.
Кислотные оксиды (–).
Основания (+/–):
Si + 2NaOH + Н2О = Na2SiO3 + 2H2,
Si + Cu(OH)2 нет реакции.
Кислоты-неокислители (–/+):
Si + HCl нет реакции,
Si + 6HF (конц.) = Н2[SiF6] + 2H2,
Si + 4HF (г.) = SiF4 + 2H2.
Кислоты-окислители (+/–).
В отличие от углерода, кремний очень тяжело реагирует с концентрированной серной и азотной кислотами из-за образующейся на поверхности кремния пленки оксида. Поэтому на практике обычно применяют смесь концентрированной азотной и плавиковой кислот:
3Si + 4HNO3 + 12HF = 3SiF4 + 4NO+ 8H2O.
Соли (–).
Н а х о ж д е н и е в п р и р о д е
Кремний – один из самых распространенных элементов в земной коре (содержание – более 25 % по массе). Если углерод является основным элементом живой природы, то кремний играет такую же роль в неживой природе. В свободном виде не встречается. Среди соединений кремния распространены алюмосиликаты (соединения, содержащие оксид алюминия). Среди алюмосиликатов наибольшее распространение имеют белая глина (Al2O3•2SiO2•2H2O), полевой шпат (K2O•Al2O3•6SiO2), слюда (K2O•Al2O3•6SiO2•H2O). Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями (аквамарин, изумруд, топаз и др.).
Также кремний встречается в природе в виде своего диоксида SiO2. В общей сложности более 50 % земной коры состоит из этого соединения. Очень чистый кристаллический оксид кремния – это горный хрусталь и кварц. Диоксид кремния, окрашенный различными примесями, образует драгоценные и полудрагоценные камни (агат, аметист, яшма и др.).
М е т о д ы п о л у ч е н и я
Кремний – основной материал для электроники и солнечной энергетики.
И в промышленности, и в лаборатории кремний получают реакциями восстановления. В промышленности кремний восстанавливают из песка с помощью кокса:
SiO2 + 2C 2CO + Si.
В лаборатории в качестве восстановителя используют магний или алюминий:
3SiO2 + 4Al 2Al2O3 + 3Si,
SiO2 + 2Mg 2MgO + Si.
Наиболее чистый кремний можно получить, восстанавливая тетрахлорид кремния цинком или водородом:
SiCl4 + 2Zn Si + 2ZnCl2,
SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl.
В а ж н е й ш и е с о е д и н е н и я к р е м н и я
Диоксид кремния SiO2 (кремнезем). Твердое тугоплавкое вещество белого цвета. Кислотный оксид, ангидрид кремниевой кислоты. Не реагирует с водой:
SiO2 + H2O нет реакции.
В остальном проявляет все свойства, характерные для кислотных оксидов, например:
SiO2 + CaO CaSiO3,
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O,
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2.
Характерна реакция взаимодействия диоксида кремния с плавиковой кислотой, которая используется при “травлении” стекла:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O.
При нагревании диоксид кремния энергично взаимодействует с сильными восстановителями, например:
SiO2 + 2C Si + 2CO,
3SiO2 + 4Al 3Si + 2Al2O3.
Кремниевая кислота H2SiO3. Очень слабая кислота (слабее угольной), в воде практически не растворима, но легко образует коллоидные растворы. При легком нагревании кремниевая кислота разлагается на оксид кремния и воду, но в обратном направлении реакция не идет:
H2SiO3 H2O + SiO2.
Кремниевую кислоту можно получить, действуя на растворимые силикаты более сильными кислотами, эта же реакция является качественной на ион :
Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3.
Из солей кремниевой кислоты растворимыми являются только силикаты натрия и калия, называемые “жидким стеклом”. Водные растворы этих солей имеют сильнощелочную реакцию среды вследствие гидролиза:
Na2SiO3 + 2HOH 2NaOH + H2SiO3.
На воздухе растворы силикатов постепенно мутнеют, т.к. находящийся в воздухе углекислый газ вытесняет кремниевую кислоту:
Na2SiO3 + CO2 + H2O = Na2CO3 + H2SiO3.
Силан (моносилан) SiH4. Ядовитый газ с неприятным запахом плесени, легко самовоспламеняется на воздухе.
SiН4 + 2О2 SiO2 + 2H2O.
Получают силан гидролизом силицидов металлов, например:
Ca2Si + 4H2О = 2Ca(OH)2 + SiH4.
Гидролиз усиливается в присутствии кислот.
В отличие от метана, силан взаимодействует с растворами щелочей, например:
SiH4 + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 4H2.
При температуре выше 400 °С силан распадается на кремний и водород, но эта реакция не является обратимой:
SiH4 Si + 2H2.
Как и углеводороды, силаны образуют гомологический ряд: моносилан SiH4, дисилан Si2H6, трисилан Si3H8, тетрасилан Si4H10 и т.д. Полисиланы имеют общую формулу SinH2n+2. В свободном виде выделены силаны до Si6H14 включительно.