Кремний

Кремний – элемент четвёртой группы главной подгруппы. Для кремния характерно проявление степеней окисления -4, 0, +2 и +4, что отчётливо проявляется, исходя из электронного строение соответствующих атомов:

Приведём примеры веществ с данными степенями окисления в таблице:

Степень окисления	-4	+2	+4
Пример вещества	Силицид кальция Ca₂Si	Оксид кремния(II) SiO	Оксид кремния(IV) SiO₂ (кварц, кремнезём)

Отметим важные моменты:

Наиболее устойчивая степень окисления кремния – это +4, окислители, как правило, легко переводят кремний сразу в неё;
Диоксид кремния SiO₂ является типичным кислотным оксидом, соответствующая ему кремниевая кислота H₂SiO₃ является нерастворимой в воде, кроме того, SiO₂ имеет атомную решётку с ковалентными-полярными связями между атомами кремния и кислорода;
Оксид кремния(II) SiO пример несолеообразующего оксида, обладающего ярко выраженными восстановительными свойствами.

Кремний Si как простое вещество может проявлять как восстановительные свойства, так и окислительные:

Свойство	Пример
Si — восстановитель	Горение в кислороде: Si + O₂ = SiO₂
Si — восстановитель	Горение в хлоре: Si + 2Cl₂ = SiCl₄
Si — восстановитель	Образование карборунда: Si + C = SiC
Si — восстановитель	Окисление водным раствором щёлочи: Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂ (окислителем являются H⁺¹ как из воды, так и из щёлочи)
Si — окислитель	Реакция с активным металлом с образованием силицида: Ca + 2Si = Ca₂Si

В дополнение, отметим, что:

Силициды подобно карбидам гидролизуются, давая газ силан SiH₄:

Ca₂Si + 4H₂O = 2Ca(OH)₂ + SiH₄

Силан является хорошим восстановителем и легко сгорает в кислороде:

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O

Получить силан напрямую из водорода и кремния не удаётся из-за близких значений электроотрицательности соответствующих неметаллов.

Перейдём, наконец, к соединениям кремния в степени окисления +4: солям силикатам SiO₃^2-, диоксиду кремния SiO₂ и кремниевой кислоте H₂SiO₃. Оксид кремния(IV) и кремниевая кислота проявляют кислотные свойства, реагируя с основными оксидами и гидроксидами:

CaO + SiO₂ = CaSiO₃

2NaOH + H₂SiO₃ = Na₂SiO₃ + 2H₂O

При написании подобных реакций ионного обмена стоит помнить, что кремниевая кислота нерастворима в воде и её можно осадить действием на силикаты более сильных кислот:

Na₂SiO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂SiO₃

Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O = Na₂CO₃ + H₂SiO₃

Любопытны реакции осаждения нерастворимых в воде силикатов, поскольку соответствующие осадки, как правило, имеют нитеобразную форму:

MgCl₂ + Na₂SiO₃ = MgSiO₃ + 2NaCl

Перечислим особые свойства соединений кремния в степени окисления +4:

Диоксид кремния способен вытеснять летучие оксиды из солей при сплавлении:

CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂

Упомянутые выше тетрагалогениды кремния подвергаются необратимому гидролизу в нейтральной и щёлочной средах:

SiCl₄ + 6NaOH = Na₂SiO₃ + 4NaCl + 3H₂O

Резюме

Кремний – элемент четвёртой группы главной подгруппы, имеющий характерные степени окисления: -4, 0, +2 и +4.
Наиболее распространённая степень окисления кремния — +4, в неё он переходит при действии большинства окислителей.
Диоксид кремния SiO₂ и кремниевая кислота H₂SiO₃ проявляют кислотные свойства, причём последняя является нерастворимой в воде.
Оксид кремния(II) SiO является несолеообразующим оксидом.

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №1 (в первой части)

Из указанных в ряду элементов:

1) Ca 2) C 3) Si 4) Li 5) Cu

Выберите два элемента, которые имеют ровно четыре внешних электрона.

Ответ

2 3

Задание 2. Задача №29 (во второй части)

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ:

кремний, серная кислота (разбавленная), гидроксид калия, плавиковая кислота, сульфат бария, сульфид меди(II). Допустимо использование воды в качестве среды протекания реакции.

Из предложенного перечня выберите два вещества, которые вступают в окислительно-восстановительную реакцию с выделением горючего газа. Запишите окислительно-восстановительную реакцию, составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

Ответ

Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂

Si⁰ – 4e = Si⁺⁴ |1| Si⁰ – восстановитель

4H⁺¹ + 4e = 2H₂⁰|1| H⁺¹ — окислитель

Задание 3. Задача №30 (во второй части)

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ:

соляная кислота, кремниевая кислота, гидроксид натрия, силикат калия, плавиковая кислота, гидроксид магния. Допустимо использование воды в качестве среды протекания реакции.

Из предложенного перечня выберите два вещества, которые вступают в реакцию ионного обмена с растворением твёрдого вещества. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения реакции с участием выбранных веществ.

Ответ

2NaOH + H₂SiO₃ = Na₂SiO₃ + 2H₂O

2Na⁺ + 2OH^— + H₂SiO₃ = 2Na⁺ + SiO₃^2- + 2H₂O

H₂SiO₃ + 2OH^— = SiO₃^2- + 2H₂O

Определения:

Кислотный оксид – оксид, которому соответствует кислота и который реагирует с основаниями.
Несолеобразующий оксид – оксид, которому, по-сути, не соответствует никакая кислота или основание, такой оксид не вступает в кислотно-основные реакции.
Силицид – бинарное соединение, содержащее кремний в отрицательной степени окисления.