Кремний (Si). Характеристика и соединения
От песка под ногами до микропроцессоров
Вызов для любознательных!
В самом конце страницы вас ждет уникальная олимпиадная цепочка с запутанной схемой, скрытыми реакциями и расчетом массовой доли. Бросьте вызов своим знаниям неорганической химии!
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.
Вопрос 1: Нахождение в природе
ПроверкаКакой элемент (после кислорода) является вторым по распространенности в земной коре? Назовите его главный природный минерал.
Ответ: Кремний ($Si$). Главный минерал — кварц, кремнезем ($SiO_2$).
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↑
 |
Вопрос 1: Получение кремния
ПроверкаКак в промышленности получают кремний из песка ($SiO_2$)? Напишите уравнение реакции.
Ответ: Восстановлением углем (коксом) при высоких температурах: $SiO_2 + 2C \xrightarrow{t^\circ} Si + 2CO\uparrow$.
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↑
 |
Вопрос 1: Химические свойства кремния (Уравнения)
ПроверкаКремний довольно инертен, но вступает в ряд реакций. Допишите уравнения:
- $Si + O_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
- $Si + F_2 \rightarrow \dots$ (при н.у.)
- $Si + C \xrightarrow{t^\circ} \dots$ (карборунд)
- $Si + NaOH + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
- $Si + Mg \xrightarrow{t^\circ} \dots$
Ответ:
- $Si + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SiO_2$
- $Si + 2F_2 \rightarrow SiF_4$ (горит во фторе)
- $Si + C \xrightarrow{t^\circ} SiC$ (карбид кремния, абразив)
- $Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$ (кремний растворяется в щелочах)
- $Si + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} Mg_2Si$ (силицид магния)
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↑
|
Вопрос 1: Силан и силициды
ПроверкаАналог метана ($CH_4$) — силан ($SiH_4$). Напишите уравнение реакции гидролиза силицида магния, в результате которой получается силан, и уравнение самовоспламенения силана на воздухе.
Ответ:
- Получение: $Mg_2Si + 4HCl \rightarrow 2MgCl_2 + SiH_4\uparrow$
- Горение: $SiH_4 + 2O_2 \rightarrow SiO_2 + 2H_2O$
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↑ |
Вопрос 1: Оксид кремния (IV) (Уравнения)
ПроверкаОксид кремния ($SiO_2$) — типичный кислотный оксид, но с атомной кристаллической решеткой. С водой не реагирует! Допишите уравнения:
- $SiO_2 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
- $SiO_2 + Na_2CO_3 \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow$ (варка стекла)
- $SiO_2 + HF(плавиковая к-та) \rightarrow \dots\uparrow + \dots$
Ответ:
- $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ} Na_2SiO_3 + H_2O$
- $SiO_2 + Na_2CO_3 \xrightarrow{t^\circ} Na_2SiO_3 + CO_2\uparrow$ ($SiO_2$ вытесняет более летучий оксид $CO_2$)
- $SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2O$ (единственная кислота, растворяющая стекло)
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.
|
Вопрос 1: Кремниевая кислота
ПроверкаКремниевая кислота ($H_2SiO_3$) — очень слабая, нерастворимая в воде кислота (выпадает в виде студня). Как получить ее из раствора силиката натрия? Напишите уравнение.
Ответ: Подействовать любой более сильной кислотой (даже угольной).
Реакция: $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2SiO_3\downarrow$ (или $Na_2SiO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Na_2CO_3 + H_2SiO_3\downarrow$)
7. Видео эксперименты
Рекомендуем посмотреть опыты с кремнием на канале Thoisoi:
Олимпиадная задача (Кремний)
Темно-серый полупроводниковый неметалл X горит в кислороде, образуя тугоплавкий оксид A (основу речного песка и кварца) (реакция 1). Массовая доля образующего элемента в A составляет $46,67\%$. Если прокалить оксид A с активным металлом магнием, то можно получить чистый элемент X (реакция 2). Оксид A сплавляется со щелочами, давая растворимое стекло — силикат натрия B (реакция 3). При подкислении раствора B выпадает студенистый нерастворимый осадок слабой кремниевой кислоты C (реакция 4), который при прокаливании распадается на воду и оксид A (реакция 5).
Уникальной особенностью оксида A является его реакция с плавиковой кислотой, в результате которой образуется летучий газ F (реакция 6). Этот же газ F получается при прямом сжигании неметалла X во фторе (реакция 7).
При нагревании элемента X с магнием образуется силицид D (массовая доля элемента $36,84\%$) (реакция 8). Силициды разлагаются кислотами с выделением самовоспламеняющегося на воздухе газа E (массовая доля элемента $87,50\%$) (реакция 9). Газ E термически неустойчив и при нагревании без воздуха разлагается на элементы (реакция 10).
При сплавлении неметалла X с углеродом в электропечи образуется карборунд G (реакция 11) — вещество, по твердости уступающее только алмазу.
Схема превращений (8 веществ):
Показать решение и уравнения реакций
ОтветШаг 1: Расшифровка веществ.
Оксид A с $\omega(Si) = 46,67\%$ — это $SiO_2$. $M = 28 + 32 = 60$. $\omega(Si) = 28/60 \approx 0.4667$.
Силицид D с $\omega(Si) = 36,84\%$ — это $Mg_2Si$. $M = 48 + 28 = 76$. $\omega(Si) = 28/76 \approx 0.3684$.
Газ E с $\omega(Si) = 87,50\%$ — это силан $SiH_4$. $M = 28 + 4 = 32$. $\omega(Si) = 28/32 = 0.875$.
Следовательно, X — Кремний ($Si$).
Вещества: X = $Si$, A = $SiO_2$, B = $Na_2SiO_3$, C = $H_2SiO_3$, D = $Mg_2Si$, E = $SiH_4$, F = $SiF_4$, G = $SiC$.
Реакции (11 уравнений):
1. $Si + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SiO_2$
2. $SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} 2MgO + Si$
3. $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ} Na_2SiO_3 + H_2O$
4. $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2NaCl$
5. $H_2SiO_3 \xrightarrow{t^\circ} SiO_2 + H_2O$
6. $SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2O$
7. $Si + 2F_2 \xrightarrow{t^\circ} SiF_4$
8. $Si + 2Mg \xrightarrow{t^\circ} Mg_2Si$
9. $Mg_2Si + 4HCl \rightarrow 2MgCl_2 + SiH_4\uparrow$
10. $SiH_4 \xrightarrow{t^\circ} Si + 2H_2\uparrow$
11. $Si + C \xrightarrow{t^\circ} SiC$