- Обозначение - Si (Silicon);
- Период - III;
- Группа - 14 (IVa);
- Атомная масса - 28,0855;
- Атомный номер - 14;
- Радиус атома = 132 пм;
- Ковалентный радиус = 111 пм;
- Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
- t плавления = 1412°C;
- t кипения = 2355°C;
- Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,90/1,74;
- Степень окисления: +4, +2, 0, -4;
- Плотность (н. у.) = 2,33 г/см 3 ;
- Молярный объем = 12,1 см 3 /моль.
Соединения кремния:
В чистом виде впервые кремний был выделен в 1811 году (французы Ж. Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар). Чистый элементарный кремний был получен в 1825 г. (швед Й. Я. Берцелиус). Свое название "кремний" (в переводе с древнегреческого - гора) химический элемент получил в 1834 году (российский химик Г. И. Гесс).
Кремний является самым распространенным (после кислорода) химическим элементом на Земле (содержание в земной коре 28-29% по массе). В природе кремний чаще всего присутствует в виде кремнезема (песок, кварц, кремень, полевые шпаты), а также в силикатах и алюмосиликатах. В чистом виде кремний встречается чрезвычайно редко. Многие природные силикаты в чистом виде являются драгоценными камнями: изумруд, топаз, аквамари - это все кремний. Чистый кристаллический оксид кремния (IV) встречается в виде горного хрусталя и кварца. Оксид кремния, в котором присутствуют различные примеси, образует драгоценные и полудрагоценные камни - аметист, агат, яшма.
Рис. Строение атома кремния.
Электронная конфигурация кремния - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у кремния находятся 4 электрона: 2 спаренных на 3s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома кремния в возбужденное состояние один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома кремния приобретает следующий вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3 .
Рис. Переход атома кремния в возбужденное состояние.
Т. о., кремний в соединениях может проявлять валентность 4 (чаще всего) или 2 (см. Валентность). Кремний (так же, как и углерод), реагируя с другими элементами, образует химические связи в которых может как отдавать свои электроны, так и принимать их, но при этом способность принимать электроны у атомов кремния выражена слабее, чем у атомов углерода , по причине большего размера атома кремния.
Степени окисления кремния:
- -4 : SiH 4 (силан), Ca 2 Si, Mg 2 Si (силикаты металлов);
- +4 - наиболее устойчивая: SiO 2 (оксид кремния), H 2 SiO 3 (кремниевая кислота), силикаты и галогениды кремния;
- 0 : Si (простое вещество)
Кремний, как простое вещество
Кремний представляет из себя темно-серое кристаллическое вещество с металлическим блеском. Кристаллический кремний является полупроводником.
Кремний образует только одну аллотропную модификацию, подобную алмазу, но при этом не такую прочную, т. к. связи Si-Si не так прочны, как в алмазной молекуле углерода (См. Алмаз).
Аморфный кремний - порошок бурого цвета, с температурой плавления 1420°C.
Кристаллический кремний получают из аморфного путем его перекристаллизации. В отличие от аморфного кремния, который является достаточно активным химическим веществом, кристаллический кремний более инертен в плане взаимодействия с другими веществами.
Строение кристаллической решетки кремния повторяет структуру алмаза, - каждый атом окружен четырьмя другими атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Атомы связываются друг с другом ковалентными связями, которые не так прочны, как углеродные связи в алмазе. По этой причине, даже при н.у. некоторые ковалентные связи в кристаллическом кремнии разрушаются, в результате чего высвобождается некоторая часть электронов, благодаря чему кремний обладает небольшой электропроводностью. По мере нагревания кремния, на свету или при добавлении некоторых примесей, кол-во разрушаемых ковалентных связей увеличивается, вследствие чего и увеличивается кол-во свободных электронов, следовательно, растет и электропроводность кремния.
Химические свойства кремния
Как и углерод, кремний может быть и восстановителем, и окислителем, в зависимости от того, с каким веществом вступает в реакцию.
При н.у. кремний взаимодействует только с фтором, что объясняется достаточно прочной кристаллической решеткой кремния.
В реакцию с хлором и бромом кремний вступает при температурах, превышающих 400°C.
С углеродом и азотом кремний взаимодействует только при очень высоких температурах.
- В реакциях с неметаллами кремний выступает в роли восстановителя
:
- при нормальных условиях из неметаллов кремний реагирует только с фтором, образуя галогенид кремния:
Si + 2F 2 = SiF 4 - при высоких температурах кремний реагирует с хлором (400°C), кислородом (600°C), азотом (1000°C), углеродом (2000°C):
- Si + 2Cl 2 = SiCl 4 - галогенид кремния;
- Si + O 2 = SiO 2 - оксид кремния;
- 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 - нитрид кремния;
- Si + C = SiC - карборунд (карбид кремния)
- при нормальных условиях из неметаллов кремний реагирует только с фтором, образуя галогенид кремния:
- В реакциях с металлами кремний является окислителем
(образуются салициды
:
Si + 2Mg = Mg 2 Si - В реакциях с концентрированными р-рами щелочей кремний реагирует с выделением водорода, образуя растворимые соли кремниевой кислоты, называемые силикатами
:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2 - С кислотами (за исключением HF) кремний не реагирует.
Получение и применение кремния
Получение кремния:
- в лаборатории - из кремнезема (алюмотерапия):
3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3 - в промышленности - восстановлением оксида кремния коксом (технически чистый кремний) при высокой температуре:
SiO 2 + 2C = Si + 2CO - самый чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния водородом (цинком) при высокой температуре:
SiCl 4 +2H 2 = Si+4HCl
Применение кремния:
- изготовление полупроводниковых радиоэлементов;
- в качестве металлургических добавок при производстве жаропрочных и кислотоустойчивых соединений;
- в производстве фотоэлементов для солнечных батарей;
- в качестве выпрямителей переменного тока.
При нормальных условиях аллотропные модификации углерода – графит и алмаз – довольно инертны. Но при повышении t активно вступают в химические реакции с простыми и сложными веществами.
Химические свойства углерода
Так как электроотрицательность углерода невысока, то простые вещества являются хорошими восстановителями. Легче окисляется мелкокристаллический углерод, труднее – графит, ещё труднее – алмаз.
Аллотропные модификации углерода окисляются кислородом (горят) при определённых температурах воспламенения: графит воспламеняется при 600 °С, алмаз – при 850-1000 °С. Если кислород находится в избытке, образуется оксид углерода(IV), если в недостатке – оксид углерода(II):
С + О2 = СО2
2С + О2 = 2СО
Углерод восстанавливает оксиды металлов. При этом получают металлы в свободном виде. Например, при прокаливании оксида свинца с коксом выплавляется свинец:
PbO + C = Pb + CO
восстановитель: C0 – 2e => C+2
окислитель: Pb+2 + 2e => Pb0
Окислительные свойства углерод проявляет и по отношению к металлам. При этом он образует разного рода карбиды. Так, с алюминием проходит реакции при высокой температуре:
3C + 4Al = Al4C3
C0 + 4e => C-4 3
Al0 – 3e => Al+3 4
Химические свойства соединений углерода
1) Так как прочность монооксида углерода велика, то он вступает в химические реакции при высоких температурах. При значительном нагревании проявляются высокие восстановительные свойства монооксида углерода. Так, он вступает в реакцию с оксидами металлов:
CuO + CO => Cu + CO2
При повышенной температуре (700 °С) он воспламеняется в кислороде и горит голубым пламенем. По этому пламени можно узнать, что в результате реакции образуется углекислый газ:
CO + O2 => CO2
2) Двойные связи в молекуле диоксида углерода достаточно прочны. Для их разрыва требуется значительная энергия (525,6 кДж/моль). Поэтому диоксид углерода довольно инертен. Реакции, в которые он вступает, часто происходят при высоких температурах.
Диоксид углерода проявляет кислотные свойства в реакции с водой. При этом образуется раствор угольной кислоты. Реакция происходит обратимо.
Диоксид углерода как кислотный оксид реагирует со щелочами и основными оксидами. При пропускании углекислого газа через раствор щёлочи может образоваться либо средняя, либо кислая соль.
3) Угольная кислота обладает всеми свойствами кислот и взаимодействует со щелочами и основными оксидами.
Химические свойства кремния
Кремний более активен, чем углерод, и окисляется кислородом уже при 400 °С. Окислять кремний могут другие неметаллы. Эти реакции обычно идут при более высокой температуре, чем с кислородом. В таких условиях кремний взаимодействует с углеродом, в частности с графитом. При этом образуется карборунд SiC– очень твёрдое вещество, уступающее по твёрдости только алмазу.
Кремний может быть и окислителем. Это проявляется в реакциях с активными металлами. Например:
Si + 2Mg = Mg2Si
Более высокая активность кремния по сравнению с углеродом проявляется в том, что он, в отличие от углерода, вступает в реакции с щелочами:
Si + NaOH + H2O => Na2SiO3 + H2
Химические свойства соединений кремния
1) Прочные связи между атомами в кристаллической решётке диоксида кремния объясняют невысокую химическую активность. Реакции, в которые вступает этот оксид, происходят при высоких температурах.
Оксид кремния является кислотным оксидом. Как известно, в реакцию с водой он не вступает. Его кислотная природа проявляется в реакции со щелочами и основными оксидами:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Реакции с основными оксидами проходят при высоких температурах.
Окислительные свойства оксид кремния проявляет слабо. Он восстанавливается некоторыми активными металлами.
Химия подготовка к ЗНО и ДПА
Комплексное издание
ЧАСТЬ И
ОБЩАЯ ХИМИЯ
ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
Применение углерода и кремния
Углерод является одной из самых востребованных полезных ископаемых на нашей планете. Углерод преимущественно используют как топливо для энергетической промышленности. Ежегодная добыча каменного угля в мире составляет около 550 миллионов тонн. Кроме использование угля в качестве теплоносителя, немалое его количество перерабатывают в кокс, необходим для извлечения различных металлов. На каждую тонну полученного железа в результате доменного процесса тратят 0,9 тонн кокса. Активированный уголь применяют в медицине при отравлениях и в противогазах.
Графит в больших количествах используют для изготовления карандашей. Добавка графита в стали увеличивает ее твердость и устойчивость к истиранию. Такую сталь используют, например, для производства поршней, коленчатых валов и некоторых других механизмов. Способность структуры графита к расслаиванию позволяет применять его как высокоэффективную смазку при очень высоких температурах (около +2500 °С).
Графит имеет еще одно очень важное свойство - он является эффективным замедлителем тепловых нейтронов. Это свойство используют в ядерных реакторах. Последнее время стали пользоваться пластмассами, в которые как наполнитель добавляют графит. Свойства таких материалов позволяют использовать их для производства многих важных устройств и механизмов.
Алмазы используют как хороший твердый материал для производства таких механизмов, как шлифовальные-круги, стеклорезы, буровые установки и другие приборы, требующие высокой твердости. Красиво ограненные алмазы применяют как дорогие украшения, которые называют бриллиантами.
Фуллерены были открыты сравнительно недавно (в 1985 году), потому прикладного применения они еще не нашли, однако уже сейчас ученые проводят исследования по созданию носителей информации огромной емкости. Нанотрубки уже сейчас применяют в различных нанотехнологиях, например таких, как введение лекарств с помощью наноголки, изготовление нанокомпьютеров и многое другое.
Кремний - хороший полупроводник. Из него изготавливают различные полупроводниковые приборы, такие как диоды, транзисторы, микросхемы и микропроцессоры. Во всех современных мікрокомп"ютерах применяются процессоры на основе кремниевого кристалла. С кремния изготавливают солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Кроме того, кремний используют как легирующие компонент для производства высококачественных легированных сталей.
Общая характеристика четвертой группы главной подгруппы:
- а) свойства элементов с точки зрения строения атома;
- б) степени окисления;
- в) свойства оксидов;
- г) свойства гидроксидов;
- д) водородные соединения.
а) Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) - элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих элементов имеют 4 электрона: ns 2 np 2 . В подгруппе с ростом порядкового номера элемента увеличивается атомный радиус, неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются: углерод и кремний - неметаллы, германий, олово, свинец - металлы.
б) Элементы этой подгруппы проявляют как положительную, так и отрицательную степени окисления: -4, +2, +4.
в) Высшие оксиды углерода и кремния (С0 2 , Si0 2 ) обладают кислотными свойствами, оксиды остальных элементов подгруппы - амфотерны (Ge0 2 , Sn0 2 , Pb0 2 ).
г) Угольная и кремниевая кислоты (Н 2 СО 3 , H 2 SiO 3 ) - слабые кислоты. Гидроксиды германия, олова и свинца амфотерны, проявляют слабые кислотные и основные свойства: H 2 GeO 3 = Ge(OH) 4 , H 2 SnO 3 = Sn(ОН) 4 , Н 2 РЬО 3 = Pb(OH) 4 .
д) Водородные соединения:
СН 4 ; SiH 4 , GeH 4 . SnH 4 , PbH 4 . Метан - CH 4 - прочное соединение, силан SiH 4 - менее прочное соединение.
Схемы строения атомов углерода и кремния, общие и отличительные свойства.
С lS 2 2S 2 2p 2 ;
Si 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3p 2 .
Углерод и кремний - это неметаллы, так как на внешнем электронном слое 4 электрона. Но так как кремний имеет больший радиус атома, то для него более характерна способность отдавать электроны, чем для углерода. Углерод - восстановитель:
Задача. Как доказать, что графит и алмаз являются аллотропными видоизменениями одного и того же химического элемента? Чем объяснить различия их свойств?
Решение. И алмаз, и графит при сгорании в кислороде образуют оксид углерода (IV) С0 2 , при пропускании которого через известковую воду выпадает белый осадок карбонат кальция СаС0 3
С + 0 2 = СО 2 ; С0 2 + Са(ОН) 2 = CaCO 3 v - Н 2 О.
Кроме того, из графита можно получить алмаз при нагревании под высоким давлением. Следовательно, в состав и графита, и алмаза входит только углерод. Различие в свойствах графита и алмаза объясняется различием в строении кристаллической решетки.
В кристаллической решетке алмаза каждый атом углерода окружен четырьмя другими. Атомы расположены на одинаковых расстояниях друг от друга и очень прочно связаны между собой ковалентны-ми связями. Этим объясняется большая твердость алмаза.
У графита атомы углерода расположены параллельными слоями. Расстояние между соседними слоями гораздо больше, чем между соседними атомами в слое. Это обусловливает малую прочность связи между слоями, и поэтому графит легко расщепляется на тонкие чешуйки, которые сами по себе очень прочные.
Соединения с водородом, образующие углерод. Эмпирические формулы, вид гибридизации атомов углерода, валентность и степени окисления каждого элемента.
Степень окисления водорода во всех соединениях равна +1.
Валентность водорода равна единице, валентность углерода равна четырем.
Формулы угольной и кремниевой кислот, их химические свойства по отношению к металлам,оксидам,основаниям, специфические свойства.
Н 2 СО 3 - угольная кислота,
Н 2 SiO 3 - кремниевая кислота.
Н 2 СО 3 - существует только в растворе:
Н 2 С0 3 = Н 2 О + С0 2
Н 2 SiO 3 - твердое вещество, практически нерастворимо в воде, поэтому катионы водорода в воде практически не отщепляются. В связи с этим такое общее свойство кислот, как действие на индикаторы, Н 2 SiO 3 не обнаруживает, она еще слабее угольной кислоты.
Н 2 SiO 3 - непрочная кислота и при нагревании постепенно разлагается:
Н 2 SiO 3 = Si0 2 + Н 2 0.
Н 2 CO 3 реагирует с металлами, оксидами металлов, основаниями:
а) Н 2 CO 3 + Mg = MgCO 3 + Н 2
б) Н 2 CO 3 + СаО = СаСO 3 + Н 2 0
в) Н 2 CO 3 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + 2Н 2 0
Химические свойства угольной кислоты:
- 1) общие с другими кислотами,
- 2) специфические свойства.
Ответ подтвердите уравнениями реакций.
1) реагирует с активными металлами:
Задача. С помощью химических превращений разделите смесь оксида кремния (IV), карбоната кальция и серебра, последовательно растворяя компоненты смеси. Опишите последовательность действий.
Решение.
1) к смеси прилили раствор соляной кислоты.