Номер 312, страница 225 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.312. Как объяснить растворение кремния в смеси азотной и плавиковой кислот и растворение кварца в плавиковой кислоте?

Растворение кремния в смеси азотной и плавиковой кислот

Растворение кремния ($Si$) в смеси концентрированной азотной ($HNO_3$) и плавиковой ($HF$) кислот является результатом совместного действия этих двух реагентов. По отдельности эти кислоты не могут растворить кремний в значительной степени.

Процесс можно разбить на два одновременно протекающих этапа:

1. Окисление кремния. Азотная кислота является сильным окислителем. Она окисляет поверхность кремния, образуя на ней тонкую, но очень прочную и химически стойкую пленку диоксида кремния ($SiO_2$). Этот процесс называется пассивацией, и он защищает кремний от дальнейшего взаимодействия с одной лишь азотной кислотой.
Уравнение реакции окисления: $Si + 4HNO_{3(конц.)} \rightarrow SiO_2 \downarrow + 4NO_2 \uparrow + 2H_2O$

2. Растворение оксидной пленки. Плавиковая кислота — одна из немногих кислот, способных реагировать с диоксидом кремния. Она немедленно растворяет оксидную пленку, образующуюся на поверхности кремния, превращая ее в хорошо растворимую в воде гексафторокремниевую кислоту ($H_2[SiF_6]$).
Уравнение реакции растворения оксида: $SiO_2 + 6HF \rightarrow H_2[SiF_6] + 2H_2O$

Таким образом, плавиковая кислота постоянно удаляет защитный слой $SiO_2$, открывая доступ азотной кислоте к "свежим" слоям кремния. Это позволяет процессу окисления и последующего растворения оксида протекать непрерывно до тех пор, пока весь кремний не растворится. Суммарное уравнение этого сложного процесса выглядит так:

$3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO \uparrow + 8H_2O$

Ответ: Растворение кремния в смеси азотной и плавиковой кислот объясняется двухстадийным процессом: азотная кислота окисляет кремний до диоксида кремния ($SiO_2$), а плавиковая кислота немедленно растворяет эту оксидную пленку, что позволяет реакции окисления продолжаться.

Растворение кварца в плавиковой кислоте

Кварц представляет собой кристаллическую модификацию диоксида кремния ($SiO_2$). Это вещество с атомной кристаллической решеткой, в которой атомы связаны очень прочными ковалентными связями $Si-O$. Благодаря этому кварц химически очень инертен и не растворяется в воде и большинстве кислот.

Плавиковая (фтороводородная) кислота ($HF$) является уникальным исключением. Её способность растворять кварц и стекло (которое также в основном состоит из $SiO_2$) обусловлена несколькими факторами:

1. Высокая прочность связи $Si-F$. Связь между кремнием и фтором является одной из самых прочных одинарных связей в химии.

2. Образование устойчивого комплекса. В ходе реакции образуется очень устойчивое комплексное соединение — гексафторокремниевая кислота ($H_2[SiF_6]$), которая хорошо растворима в воде. Ион фтора ($F^−$) эффективно атакует атом кремния в структуре $SiO_2$, разрушая прочные $Si-O-Si$ мостики.

Реакция растворения кварца в водном растворе плавиковой кислоты описывается следующим уравнением:

$SiO_2 + 6HF \rightarrow H_2[SiF_6] + 2H_2O$

Именно эта реакция лежит в основе процесса травления стекла.

Ответ: Растворение кварца ($SiO_2$) в плавиковой кислоте ($HF$) объясняется уникальной способностью этой кислоты разрушать прочные связи $Si-O$ в кристаллической решетке диоксида кремния с образованием растворимого и очень устойчивого комплексного соединения — гексафторокремниевой кислоты ($H_2[SiF_6]$).