Номер 337, страница 227 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.337. Метасиликат натрия имеет формулу ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SiO}}_3,$ а координационное число кремния в нём равно 4. Каково строение этого вещества?

Решение

В основе строения всех силикатов лежит кремнийкислородный тетраэдр $[SiO_4]^{4-}$, в котором атом кремния $Si$ находится в центре, а четыре атома кислорода $O$ — в вершинах тетраэдра. Условие, что координационное число кремния равно 4, подтверждает эту тетраэдрическую координацию.

Формула метасиликата натрия $Na_2SiO_3$ показывает, что на каждый атом кремния приходится три атома кислорода, а заряд аниона равен -2 (компенсируется двумя ионами $Na^+$). Эмпирическая формула силикатного аниона — $(SiO_3)^{2-}$.

Поскольку в элементарном тетраэдре $[SiO_4]$ на один атом кремния приходится четыре атома кислорода, а в метасиликате — только три, это означает, что часть атомов кислорода являются общими (мостиковыми) для соседних тетраэдров.

Определим, сколько атомов кислорода в каждом тетраэдре являются мостиковыми, а сколько — концевыми (немостиковыми). Пусть $n$ — число мостиковых атомов кислорода, а $m$ — число концевых.

Суммарное число атомов кислорода, координированных вокруг одного атома кремния, равно 4:

$m + n = 4$

Общее число атомов кислорода, приходящееся на один атом кремния в формуле аниона, равно 3. При этом каждый мостиковый атом кислорода принадлежит двум тетраэдрам, и его вклад в один тетраэдр составляет 1/2. Вклад каждого концевого атома — 1. Таким образом, можем составить второе уравнение:

$m \cdot 1 + n \cdot \frac{1}{2} = 3$

Получаем систему уравнений:

$ \begin{cases} m + n = 4 \\ m + \frac{n}{2} = 3 \end{cases} $

Вычтем второе уравнение из первого:

$(m + n) - (m + \frac{n}{2}) = 4 - 3$

$\frac{n}{2} = 1 \implies n = 2$

Подставим значение $n = 2$ в первое уравнение:

$m + 2 = 4 \implies m = 2$

Таким образом, в каждом кремнийкислородном тетраэдре имеется 2 мостиковых и 2 концевых атома кислорода. Ситуация, когда каждый структурный элемент (тетраэдр) соединен с двумя другими, приводит к образованию цепных или кольцевых структур.

Следовательно, анионы $(SiO_3)_k^{2k-}$ в кристалле метасиликата натрия представляют собой бесконечные полимерные цепи (или крупные кольца), состоящие из тетраэдров $[SiO_4]$, соединенных общими вершинами (мостиковыми атомами кислорода). Два концевых атома кислорода в каждом звене несут отрицательный заряд. Само вещество $Na_2SiO_3$ имеет ионное строение: его кристаллическая решетка построена из катионов натрия $Na^+$ и полимерных силикатных цепей $[(SiO_3)^{2-}]_k$. Такое строение характерно для цепочечных силикатов (иносиликатов).

Ответ: Метасиликат натрия имеет ионное кристаллическое строение. Кристаллическая решетка состоит из катионов натрия $Na^+$ и бесконечных полимерных цепей из кремнийкислородных тетраэдров $[(SiO_3)^{2-}]_k$. В этих цепях каждый тетраэдр $[SiO_4]$ связан с двумя соседними через общие (мостиковые) атомы кислорода.