Электронное строение атома кремния и химические свойства свободного кремния

 

 

Задача 960.
Дать краткую характеристику кремния, указав: а) электронное строение атома и его валентные возможности; б) химические свойства свободного кремния. 
Решение: 
а) Кремний – элемент с порядковым номером 14, расположен в третьем периоде в главной подгруппе IV-ой группы периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Атом кремния содержит 14 электронов на трёх энергетических уровнях, на валентном уровне - 4 электрона; заряд ядра равен +14 (14 протонов и 14 нейтронов). Следовательно, электронную формулу кремния можно записать так: 1s²2s²2p⁶3s²3p². На внешнем валентном уровне атом кремния содержит четыре электрона, из которых два расположены на 3s-подуровне и два неспаренных на 3р-подуровне. Графически строение атома кремния можно представить так:

Так как на внешнем электронном слое атом кремния содержит два неспаренных электрона, то его валентность (ковалентность) равна 2 в основном состоянии. При возбуждении атома кремния один из 3s-электронов перейдёт на свободную 3d-орбиталь. Что можно представить электронной формулой 2s²2p²3d⁰ или графически:

Следовательно, в возбуждённом состоянии атом кремния (или четыре неспаренных электрона) будет проявлять валентность (или ковалентность) равную 4.
б) При обычных условиях свободный кремний химически инертен и реагирует только с фтором с образованием тетрафторида кремния:

Si + 2F₂ = SiF₄.

От взаимодействия с кислородом даже при нагревании кремний защищает оксидная плёнка:

Si + O₂  SiO₂

При температуре выше 400 ⁰С кремний реагирует также с парами серы, азотом, фосфором, углеродом и бором:

Si + C = SiC;
Si + 2S = SiS₂;
Si + 4B = B₄Si.

С металлами кремний образует силициды:

Si + 4Li = Li₄Si.

С водородом и кислотами кремний не реагирует. Исключение составляет смесь азотной и фтороводородной кислот; кремний растворяется в щелочах:

Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + H₂↑.

---

Задача 961.
Охарактеризовать физические и химические свойства диоксида кремния, его отношение к воде, кислотам и щелочам.
Решение:
Диоксид кремния SiO₂ – бесцветное соединение, которое может существовать в кристаллической, аморфной и стеклообразной форме. В кристаллической форме SiO₂ образует несколько модификаций, различающиеся особенностями взаимного расположения структурных единиц – кремнекислородных тетраэдров состава SiO₄:

Взаимные превращения кристаллических модификаций диоксида кремния сопровождается изменением объёма и плотности. Модификации SiO₂: α - кварц (горный хрусталь) – бесцветное кристаллическое вещество с сильным двойным лучепреломлением, очень твёрдое и тугоплавкое вещество. Кристаллический кварц химически очень инертен. При обычных условиях он взаимодействует только с F₂ и с водным раствором плавиковой кислоты:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O.

С водой SiO₂(к) не взаимодействует, но аморфный при обычных условиях, а микрокристаллический – при температуре выше 150 ⁰С и высоком давлении – очень медленно растворяется в воде с образованием ортокремниевой кислоты:

SiO₂ + 2Н₂О H₄SiO₄.

В растворах щелочей растворение SiO₂ происходит гораздо быстрее, чем в воде, и тем быстрее, чем выше концентрация гидроксид-иона ОН^– и выше температура:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O.

Обычно же кремнекислые соли получают сплавлением диоксида кремния со щелочами или карбонатами:

SiO₂ + Na₂CO₃  Na₂SiO₃ + CO₂↑.

При прокаливании SiO₂ с углем в электрической печи до 2000 ⁰С образуется карбид кремния (карборунд):

SiO₂ + 3С SiC + 2CO↑.

---