Строение, получение и химические свойства кремния

Почему кремний не растворяется в кислотах, но растворяется в щёлочи.

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

Проверка

Какой 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 + 2MgO 3SiO₂ + 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 + 4HCl SiCl₄ + 2Zn t°→ Si + 2ZnCl₂ Или термически разлагают силан: SiH₄ t°→ Si + 2H₂↑

Вопрос 1: Получение кремния

Проверка

Как 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°→ SiCl₄ Горит в кислороде (останавливается из-за образования корки оксида): Si + O₂ t°>400→ SiO₂ При 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°→ Mg₂Si Si + 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)

Проверка

Кремний 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)