Кремний (Si). Характеристика и соединения
От песка под ногами до микропроцессоров
Важно для ЕГЭ
Кремний (Si) – элемент IVA группы 3-го периода. Прямой аналог углерода, но имеет вакантную 3d-орбиталь. На внешнем уровне (3s² 3p²) имеет 4 электрона. Характерные степени окисления: -4, 0, +2, +4. В отличие от углерода, степень окисления +2 характерна только для оксида SiO (который редко встречается на ЕГЭ), а в остальных соединениях доминирует +4.
1. Общая характеристика, физические свойства, нахождение в природе
Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода (составляет более четверти массы земной коры). Из-за своего высокого сродства к кислороду в свободном виде в природе не встречается, только в виде огромного многообразия модификаций оксида кремния (IV): кварц, песок, горный хрусталь, кремнезем, а также в составе силикатов и алюмосиликатов (глина, слюда).
Кристаллический кремний — это атомный кристалл темно-серого цвета с металлическим блеском. Он хрупкий и является полупроводником, что делает его незаменимым в электронике и производстве солнечных батарей.
2. Способы получения кремния
Чтобы выделить кремний из его природных соединений, необходимо отобрать у него кислород с помощью сильных восстановителей.
| Способ | Уравнения реакций |
|---|---|
| В лаборатории Восстановление магнием или алюминием |
Магний или алюминий выступают жесткими восстановителями, забирая кислород из кремнезема:
SiO₂ + 2Mg t°→ Si + 2MgO3SiO₂ + 4Al t°→ 3Si + 2Al₂O₃ |
| В промышленности Восстановление коксом |
В дуговых печах используют самый дешевый восстановитель — уголь (кокс). Образуется угарный газ:
SiO₂ + 2C t°→ Si + 2CO↑* Такой кремний загрязнен карбидом кремния и не подходит для электроники.  |
| Ультрачистый кремний Для микросхем |
Восстанавливают летучие галогениды чистым водородом или цинком:
SiCl₄ + 2H₂ t°→ Si + 4HClSiCl₄ + 2Zn t°→ Si + 2ZnCl₂ Или термически разлагают силан:
SiH₄ t°→ Si + 2H₂↑
 |
3. Химические свойства кремния
Обратите внимание:
Из-за прочной атомной кристаллической решетки кремний химически довольно инертен. При комнатной температуре он реагирует только со фтором. Он совершенно не реагирует с водородом! Со всеми остальными "соседями" реакции идут только при сильном нагревании.
| Реагенты | Свойства и уравнения реакций |
|---|---|
| С галогенами, кислородом, углеродом Кремний как восстановитель |
Со фтором (н.у.) и другими галогенами (при нагревании):
Si + 2F₂ → SiF₄ | Si + 2Cl₂ t°→ SiCl₄Горит в кислороде (останавливается из-за образования корки оксида):
Si + O₂ t°>400→ SiO₂При 2000°С реагирует с углеродом с образованием твердого как алмаз карборунда:
Si + C 2000°→ SiC (карборунд)
 |
| С активными металлами Кремний как окислитель |
С щелочными и щелочноземельными металлами образует силициды:
Si + 2Mg t°→ Mg₂SiSi + 2Ca t°→ Ca₂Si  |
| С растворами щелочей Супер-реакция ЕГЭ |
Кремний отлично растворяется в щелочах, восстанавливая водород из воды! Это излюбленная реакция составителей ЕГЭ:
Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑ |
| С плавиковой кислотой (HF) |
Кремний (и стекло) не растворяются ни в каких кислотах, кроме плавиковой. Плавиковая кислота "съедает" кремневую решетку:
Si + 4HF(г) → SiF₄↑ + 2H₂↑В растворе образуется комплексная гексафторкремниевая кислота:
Si + 6HF(р-р) → H₂[SiF₆] + 2H₂↑
 |
4. Бинарные соединения (Силициды и Силан)
Силициды — ионные соединения с металлами. Они легко разрушаются водой или кислотами с выделением силана (SiH₄) — бесцветного ядовитого газа, аналога метана. В отличие от метана, силан термически неустойчив и самовоспламеняется на воздухе! Именно из-за этого пузырьки газа, выделяющиеся из пробирки при гидролизе силицида, будут со щелчками загораться на воздухе.
| Превращение | Уравнения реакций |
|---|---|
| Гидролиз силицида магния |
С водой и кислотой:
Mg₂Si + 4H₂O → 2Mg(OH)₂↓ + SiH₄↑Mg₂Si + 4HCl → 2MgCl₂ + SiH₄↑ |
| Свойства силана |
Горит со взрывом:
SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2H₂OРазрушается щелочами:
SiH₄ + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 4H₂↑
|
5. Оксид кремния (IV) — SiO₂
SiO₂ — это кислотный оксид, но с атомной кристаллической решеткой!
Его структура делает его твердым, очень тугоплавким и абсолютно нерастворимым в воде (песок ведь не растворяется в воде). Он не реагирует с водой (хотя ему и соответствует кремниевая кислота). Зато при сплавлении (когда его решетка размягчается) он вступает во все реакции типичных кислотных оксидов.
| Свойства (кислотный оксид) | Уравнения реакций |
|---|---|
| С щелочами и осн. оксидами |
При сплавлении образует силикаты:
SiO₂ + 2KOH t°→ K₂SiO₃ + H₂O↑SiO₂ + CaO t°→ CaSiO₃ |
| С карбонатами |
Твердый тугоплавкий оксид вытесняет летучий CO₂ из солей угольной кислоты. Это реакция, лежащая в основе производства стекла:
SiO₂ + K₂CO₃ t°→ K₂SiO₃ + CO₂↑Для варки стекла сплавляют соду, мел и песок:
6SiO₂ + Na₂CO₃ + CaCO₃ t°→ Na₂O·CaO·6SiO₂ + 2CO₂↑
|
| С плавиковой кислотой (Стеклотравление) |
SiO₂ - единственный оксид, растворимый в HF:
SiO₂ + 4HF(г) → SiF₄↑ + 2H₂O
|
| Окислительные свойства |
Можно восстановить магнием, углем или водородом:
SiO₂ + 2Mg t°→ Si + 2MgOSiO₂ + 3C t°→ SiC + 2CO↑ |
6. Кремниевая кислота и силикаты
Кремниевая кислота ($H_2SiO_3$) — очень слабая, студенистая, нерастворимая в воде кислота.
В растворах солей она легко вытесняется даже слабейшей угольной кислотой. Выпадение белого "желе" (коллоидного геля $H_2SiO_3$) при подкислении растворов силикатов – это качественная реакция.
| Свойство | Уравнения реакций |
|---|---|
| Получение из силикатов (качественная реакция) |
При добавлении хлороводородной или даже угольной кислоты выпадает студень:
Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaClNa₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → H₂SiO₃↓ + Na₂CO₃ |
| Термическое разложение и щелочи |
При прокаливании гель усыхает (силикагель):
H₂SiO₃ t°→ SiO₂ + H₂OВ щелочах гель растворяется обратно:
H₂SiO₃ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + 2H₂O
|
| Гидролиз силикатов |
Растворимые силикаты (жидкое стекло) сильно гидролизуются по аниону, давая щелочную среду раствора.
|
7. Видео эксперименты
Рекомендуем посмотреть опыты с кремнием на канале Thoisoi: