Страница 226 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.317. Тетрахлорид кремния сильно дымит на воздухе. Дым становится ещё гуще, если в воздухе присутствует аммиак. Дайте объяснения этим фактам.

Объяснение "дымления" тетрахлорида кремния на воздухе

Тетрахлорид кремния ($SiCl_4$) является хлорангидридом кремниевой кислоты. На воздухе он активно взаимодействует с парами воды, которые всегда присутствуют в атмосфере. Этот процесс называется гидролизом. В результате гидролиза образуются два продукта: кремниевая кислота (в виде гидратированного диоксида кремния $SiO_2 \cdot nH_2O$) и газообразный хлороводород ($HCl$).

Уравнение реакции можно записать следующим образом:
$SiCl_4 + (n+2)H_2O \rightarrow SiO_2 \cdot nH_2O \downarrow + 4HCl \uparrow$

"Дым", который мы наблюдаем, представляет собой аэрозоль, состоящий из двух компонентов:
1. Мельчайшие твердые частицы гидратированного диоксида кремния ($SiO_2 \cdot nH_2O$), который представляет собой белое твердое вещество.
2. Газообразный хлороводород ($HCl$) при контакте с влажным воздухом образует капельки соляной кислоты, создавая эффект тумана или "дыма".

Именно совокупность этих двух веществ в виде мелких частиц и капель и создает видимость густого белого дыма.

Ответ: Дымление тетрахлорида кремния на воздухе обусловлено его гидролизом влагой воздуха с образованием твердых частиц гидратированного диоксида кремния и газообразного хлороводорода, который, в свою очередь, образует туман (аэрозоль) соляной кислоты.

Объяснение усиления "дымления" в присутствии аммиака

Если в воздухе, помимо паров воды, присутствует газообразный аммиак ($NH_3$), то "дым" становится значительно гуще. Это связано с тем, что один из продуктов гидролиза тетрахлорида кремния — хлороводород ($HCl$) — является кислотой, а аммиак ($NH_3$) — основанием. Между ними происходит быстрая реакция нейтрализации с образованием соли — хлорида аммония ($NH_4Cl$).

Уравнение этой реакции:
$HCl(г) + NH_3(г) \rightarrow NH_4Cl(т)$

Хлорид аммония — это белое кристаллическое вещество. В условиях реакции он образуется в виде очень мелких твердых частиц, которые и составляют густой белый дым. Таким образом, к частицам гидратированного диоксида кремния, образовавшимся при гидролизе, добавляется большое количество частиц хлорида аммония. Это резкое увеличение концентрации твердых частиц в воздухе и приводит к тому, что дым становится намного гуще и заметнее.

Ответ: Усиление дыма в присутствии аммиака происходит из-за химической реакции между газообразным хлороводородом (продукт гидролиза $SiCl_4$) и аммиаком с образованием дополнительного количества твердых частиц — хлорида аммония ($NH_4Cl$).

7.318. Для получения тетрахлорида кремния удобно использовать смесь оксида кремния(IV) с углём. При пропускании над ней хлора при высокой температуре происходит реакция, приводящая к образованию тетрахлорида кремния и угарного газа. Запишите уравнение реакции. Какую роль играет в ней уголь?

Решение

Запишите уравнение реакции.

В условии задачи описано взаимодействие оксида кремния(IV) ($SiO_2$), угля (представленного углеродом, C) и газообразного хлора ($Cl_2$) при нагревании. В результате реакции образуются тетрахлорид кремния ($SiCl_4$) и угарный газ (CO). Напишем и сбалансируем уравнение этой химической реакции.

Схема реакции:

$$ SiO_2 + C + Cl_2 \rightarrow SiCl_4 + CO $$

Уравняем количество атомов каждого элемента в левой и правой частях:

1. Атом кремния (Si) сбалансирован (1 слева и 1 справа).
2. В левой части 2 атома кислорода (в $SiO_2$), значит, в правой части должно получиться 2 молекулы угарного газа ($2CO$).

$$ SiO_2 + C + Cl_2 \rightarrow SiCl_4 + 2CO $$

3. Теперь в правой части 2 атома углерода, значит, в левой части также нужно взять 2 атома углерода ($2C$).

$$ SiO_2 + 2C + Cl_2 \rightarrow SiCl_4 + 2CO $$

4. В правой части 4 атома хлора (в $SiCl_4$), следовательно, в левой части нужно взять 2 молекулы хлора ($2Cl_2$).

$$ SiO_2 + 2C + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4 + 2CO $$

Финальное уравнение реакции с указанием условия (высокая температура, $t^\circ$):

$$ SiO_2 + 2C + 2Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} SiCl_4 + 2CO $$

Ответ: $SiO_2 + 2C + 2Cl_2 = SiCl_4 + 2CO$.

Какую роль играет в ней уголь?

Для определения роли угля (углерода) в этой реакции необходимо проанализировать изменение степеней окисления элементов. Реакция является окислительно-восстановительной.

Расставим степени окисления для каждого элемента в реагентах и продуктах:

$$ \overset{+4}{Si}\overset{-2}{O_2} + 2\overset{0}{C} + 2\overset{0}{Cl_2} \rightarrow \overset{+4}{Si}\overset{-1}{Cl_4} + 2\overset{+2}{C}\overset{-2}{O} $$

Рассмотрим, как изменились степени окисления:

• Углерод ($C$): степень окисления изменилась с $0$ до $+2$. Атом углерода отдал два электрона ($C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$), то есть он окислился. Вещество, которое в ходе реакции окисляется (отдает электроны), является восстановителем.
• Хлор ($Cl$): степень окисления изменилась с $0$ до $-1$. Атом хлора принял один электрон ($Cl_2^0 + 2e^- \rightarrow 2Cl^{-1}$), то есть он восстановился. Вещество, которое в ходе реакции восстанавливается (принимает электроны), является окислителем.
• Кремний ($Si$) и кислород ($O$) свои степени окисления не изменили.

Следовательно, уголь в данной реакции выполняет роль восстановителя.

Ответ: Уголь (углерод) играет роль восстановителя.

7.319. При нагревании смеси кварцевого песка с нитратом калия наблюдается выделение бурого газа. Запишите уравнение реакции и объясните, почему она протекает.

Запишите уравнение реакции

При нагревании смеси кварцевого песка, который представляет собой оксид кремния(IV) ($SiO_2$), с нитратом калия ($KNO_3$) происходит окислительно-восстановительная реакция. Наблюдаемое выделение бурого газа указывает на образование диоксида азота ($NO_2$).

Уравнение реакции имеет следующий вид:

$$4KNO_3 + 2SiO_2 \xrightarrow{t^\circ} 2K_2SiO_3 + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$$

В этой реакции образуются силикат калия ($K_2SiO_3$), диоксид азота ($NO_2$) и кислород ($O_2$).

Ответ: $4KNO_3 + 2SiO_2 \xrightarrow{t^\circ} 2K_2SiO_3 + 4NO_2\uparrow + O_2\uparrow$.

Объясните, почему она протекает

Протекание этой реакции обусловлено совокупностью следующих факторов:

1. Нитрат калия при сильном нагревании разлагается. В присутствии кислотного оксида, такого как $SiO_2$, разложение идет до оксида металла, в отличие от стандартного разложения до нитрита. Промежуточной стадией можно считать обратимое разложение нитрата калия: $2KNO_3 \rightleftharpoons K_2O + 2NO_2\uparrow + \frac{1}{2}O_2\uparrow$.
2. Оксид кремния(IV) ($SiO_2$) является тугоплавким, нелетучим кислотным оксидом. Он химически связывает образующийся в ходе реакции основный оксид калия ($K_2O$), формируя термостойкую соль — силикат калия ($K_2SiO_3$): $K_2O + SiO_2 \xrightarrow{t^\circ} K_2SiO_3$.
3. В соответствии с принципом Ле Шателье, удаление одного из продуктов (в данном случае, $K_2O$ связывается в силикат) и улетучивание других продуктов (газообразные $NO_2$ и $O_2$) смещает равновесие реакции разложения нитрата вправо, способствуя её полному протеканию.

Таким образом, движущей силой процесса является взаимодействие кислотного оксида ($SiO_2$) с продуктом разложения нитрата ($K_2O$) с образованием более устойчивого соединения и удалением летучих продуктов из сферы реакции.

Ответ: Реакция протекает, потому что нелетучий кислотный оксид $SiO_2$ реагирует с основным оксидом калия $K_2O$ (который является продуктом термического разложения $KNO_3$), образуя термостойкий силикат калия $K_2SiO_3$. Этот процесс связывает один из продуктов разложения, а другие продукты ($NO_2$ и $O_2$) являются газами и покидают зону реакции, что, согласно принципу Ле Шателье, смещает равновесие в сторону полного разложения нитрата калия.

7.320. При растворении сплава кремния и цинка в щёлочи выделилось 6,72 л водорода (н. у.), а при действии на такой же сплав соляной кислотой – 4,48 л газа (н. у.). Определите массу сплава и массовые доли элементов в сплаве.

Дано:

$V_1(H_2) = 6,72 \text{ л}$ (при реакции с щёлочью, н. у.)

$V_2(H_2) = 4,48 \text{ л}$ (при реакции с соляной кислотой, н. у.)

Сплав состоит из кремния (Si) и цинка (Zn)

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$ (молярный объём газа при н. у.)

$M(Si) = 28 \text{ г/моль}$

$M(Zn) = 65 \text{ г/моль}$

Найти:

$m(\text{сплава}) - ?$

$\omega(Si) - ?$

$\omega(Zn) - ?$

Решение:

1. Рассмотрим реакцию сплава с соляной кислотой. Кремний (Si) не реагирует с соляной кислотой, а цинк (Zn) реагирует с выделением водорода. Это позволяет нам определить количество цинка в сплаве.

Уравнение реакции цинка с соляной кислотой:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

Найдем количество вещества (в молях) выделившегося водорода:

$n(H_2) = \frac{V_2(H_2)}{V_m} = \frac{4,48 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции, количество вещества цинка равно количеству вещества водорода ($n(Zn):n(H_2) = 1:1$):

$n(Zn) = n(H_2) = 0,2 \text{ моль}$

Теперь найдем массу цинка в сплаве:

$m(Zn) = n(Zn) \cdot M(Zn) = 0,2 \text{ моль} \cdot 65 \text{ г/моль} = 13,0 \text{ г}$

2. Рассмотрим реакцию сплава со щёлочью. И кремний, и цинк реагируют с раствором щёлочи, выделяя водород.

Уравнения реакций:

$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2 \uparrow$ (1)

$Zn + 2NaOH \rightarrow Na_2ZnO_2 + H_2 \uparrow$ (2)

Найдем общее количество вещества водорода, выделившегося при реакции со щёлочью:

$n_{общ}(H_2) = \frac{V_1(H_2)}{V_m} = \frac{6,72 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

Это общее количество водорода ($n_{общ}(H_2)$) является суммой водорода, выделившегося из реакции с цинком ($n(H_2)_{\text{из Zn}}$), и водорода из реакции с кремнием ($n(H_2)_{\text{из Si}}$).

По уравнению реакции (2), количество водорода, выделившегося при реакции цинка со щёлочью, равно количеству вещества цинка, которое мы уже нашли:

$n(H_2)_{\text{из Zn}} = n(Zn) = 0,2 \text{ моль}$

Теперь можем найти количество вещества водорода, выделившегося в реакции с кремнием, вычитая из общего количества:

$n(H_2)_{\text{из Si}} = n_{общ}(H_2) - n(H_2)_{\text{из Zn}} = 0,3 \text{ моль} - 0,2 \text{ моль} = 0,1 \text{ моль}$

По уравнению реакции (1), количество вещества кремния в два раза меньше количества вещества выделившегося водорода ($n(Si):n(H_2) = 1:2$):

$n(Si) = \frac{1}{2} n(H_2)_{\text{из Si}} = \frac{1}{2} \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,05 \text{ моль}$

Найдем массу кремния в сплаве:

$m(Si) = n(Si) \cdot M(Si) = 0,05 \text{ моль} \cdot 28 \text{ г/моль} = 1,4 \text{ г}$

3. Определим общую массу сплава и массовые доли элементов.

Масса сплава:

$m(\text{сплава}) = m(Si) + m(Zn) = 1,4 \text{ г} + 13,0 \text{ г} = 14,4 \text{ г}$

Массовые доли элементов в сплаве:

$\omega(Si) = \frac{m(Si)}{m(\text{сплава})} \cdot 100\% = \frac{1,4 \text{ г}}{14,4 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 9,72\%$

$\omega(Zn) = \frac{m(Zn)}{m(\text{сплава})} \cdot 100\% = \frac{13,0 \text{ г}}{14,4 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 90,28\%$

Ответ: масса сплава равна 14,4 г; массовая доля кремния ($\omega(Si)$) составляет 9,72%, массовая доля цинка ($\omega(Zn)$) — 90,28%.

7.321. Кремний, поверхность которого покрыта белой коркой оксида, массой 10 г, растворили в 100 г раствора гидроксида натрия. Масса раствора после завершения реакции стала 108,8 г. Какая часть кремния была окислена?

Дано:

$m_{смеси}(Si + SiO_2) = 10 \text{ г}$

$m_{р-ра}(NaOH) = 100 \text{ г}$

$m_{конечн. р-ра} = 108,8 \text{ г}$

Найти:

Какая часть кремния была окислена ($\omega_{Si(окисл.)}$) - ?

Решение:

В растворе гидроксида натрия протекают две реакции:

1. Взаимодействие чистого кремния с раствором щелочи с выделением водорода:

$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2 \uparrow$

2. Взаимодействие оксида кремния(IV) (кислотного оксида) с раствором щелочи:

$SiO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$

Масса раствора после реакции ($108,8 \text{ г}$) оказалась меньше, чем сумма масс исходного раствора щелочи и растворенной в нем смеси ($100 \text{ г} + 10 \text{ г} = 110 \text{ г}$). Уменьшение массы произошло за счет выделения газообразного водорода, который образуется только в первой реакции.

Найдем массу выделившегося водорода:

$m(H_2) = (m_{смеси} + m_{р-ра}(NaOH)) - m_{конечн. р-ра}$

$m(H_2) = (10 \text{ г} + 100 \text{ г}) - 108,8 \text{ г} = 110 \text{ г} - 108,8 \text{ г} = 1,2 \text{ г}$

Определим количество вещества водорода (молярная масса $M(H_2) \approx 2 \text{ г/моль}$):

$n(H_2) = \frac{m(H_2)}{M(H_2)} = \frac{1,2 \text{ г}}{2 \text{ г/моль}} = 0,6 \text{ моль}$

По уравнению реакции (1), из 1 моль кремния ($Si$) образуется 2 моль водорода ($H_2$). Следовательно, количество вещества прореагировавшего (неокисленного) кремния в два раза меньше количества вещества водорода:

$n(Si) = \frac{1}{2} n(H_2) = \frac{1}{2} \times 0,6 \text{ моль} = 0,3 \text{ моль}$

Найдем массу чистого кремния в смеси (молярная масса $M(Si) \approx 28 \text{ г/моль}$):

$m(Si) = n(Si) \times M(Si) = 0,3 \text{ моль} \times 28 \text{ г/моль} = 8,4 \text{ г}$

Зная массу чистого кремния, найдем массу оксида кремния $SiO_2$ в исходной 10-граммовой смеси:

$m(SiO_2) = m_{смеси} - m(Si) = 10 \text{ г} - 8,4 \text{ г} = 1,6 \text{ г}$

Теперь найдем массу кремния, которая была в составе оксида (массу окисленного кремния). Молярная масса $M(SiO_2) \approx 28 + 2 \times 16 = 60 \text{ г/моль}$.

Массовая доля кремния в оксиде кремния составляет $\frac{M(Si)}{M(SiO_2)}$.

$m(Si_{окисл.}) = m(SiO_2) \times \frac{M(Si)}{M(SiO_2)} = 1,6 \text{ г} \times \frac{28 \text{ г/моль}}{60 \text{ г/моль}} = 1,6 \times \frac{7}{15} \approx 0,747 \text{ г}$

Точное значение: $m(Si_{окисл.}) = \frac{16}{10} \times \frac{28}{60} = \frac{4 \times 4}{10} \times \frac{28}{4 \times 15} = \frac{4 \times 28}{150} = \frac{112}{150} = \frac{56}{75} \text{ г}$.

Общая масса всего кремния в образце равна сумме масс чистого и окисленного кремния:

$m_{Si(общ.)} = m(Si) + m(Si_{окисл.}) = 8,4 \text{ г} + \frac{56}{75} \text{ г} = \frac{84}{10} + \frac{56}{75} = \frac{42}{5} + \frac{56}{75} = \frac{42 \times 15 + 56}{75} = \frac{630 + 56}{75} = \frac{686}{75} \text{ г}$

Часть кремния, которая была окислена, — это отношение массы окисленного кремния к общей массе всего кремния:

$\omega_{Si(окисл.)} = \frac{m(Si_{окисл.})}{m_{Si(общ.)}} = \frac{56/75 \text{ г}}{686/75 \text{ г}} = \frac{56}{686}$

Сократим дробь на 14:

$\frac{56 : 14}{686 : 14} = \frac{4}{49}$

В процентах это составляет:

$\frac{4}{49} \times 100\% \approx 8,16\%$

Ответ: окисленная часть кремния составляет $\frac{4}{49}$ от общего количества кремния, или примерно 8,16%.

7.322. Что происходит при добавлении к раствору силиката натрия раствора гидросульфата аммония? Запишите уравнение реакции.

Решение

При добавлении раствора гидросульфата аммония ($NH_4HSO_4$) к раствору силиката натрия ($Na_2SiO_3$) происходит химическая реакция, так как смешиваются растворы с сильно различающимися кислотно-основными свойствами.

Силикат натрия ($Na_2SiO_3$) — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и очень слабой кремниевой кислотой ($H_2SiO_3$). В водном растворе силикат-ион подвергается гидролизу, что создает сильнощелочную среду ($pH > 7$):

$SiO_3^{2-} + 2H_2O \rightleftharpoons H_2SiO_3 \downarrow + 2OH^-$

Гидросульфат аммония ($NH_4HSO_4$) — это кислая соль. В водном растворе она диссоциирует на ионы аммония ($NH_4^+$) и гидросульфат-ионы ($HSO_4^-$). Оба иона придают раствору кислую среду ($pH < 7$). Гидросульфат-ион является кислотой ($HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$), а катион аммония также подвергается гидролизу ($NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$).

При смешивании этих двух растворов происходит реакция нейтрализации. Кислая среда, создаваемая гидросульфатом аммония, реагирует с основной средой силиката натрия. Это реакция ионного обмена, в ходе которой более сильная кислота (представленная гидросульфат-ионом) вытесняет более слабую, нерастворимую кремниевую кислоту из ее соли.

В результате реакции наблюдается образование белого гелеобразного (студенистого) осадка кремниевой кислоты ($H_2SiO_3$). В растворе остаются ионы натрия, аммония и сульфат-ионы, которые образуют растворимые соли: сульфат натрия ($Na_2SO_4$) и сульфат аммония ($(NH_4)_2SO_4$).

Полное молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Na_2SiO_3 + 2NH_4HSO_4 \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + Na_2SO_4 + (NH_4)_2SO_4$

При добавлении раствора гидросульфата аммония к раствору силиката натрия выпадает белый гелеобразный осадок кремниевой кислоты. Уравнение реакции: $Na_2SiO_3 + 2NH_4HSO_4 \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + Na_2SO_4 + (NH_4)_2SO_4$.

7.323. Как доказать, что кремниевая кислота слабее угольной?

Решение

Чтобы доказать, что кремниевая кислота ($H_2SiO_3$) слабее угольной ($H_2CO_3$), можно воспользоваться одним из основных правил химии: более сильная кислота вытесняет более слабую кислоту из раствора ее соли. Это можно продемонстрировать с помощью простого химического эксперимента.

Для проведения опыта необходимо взять раствор соли кремниевой кислоты (например, силикат натрия $Na_2SiO_3$, также известный как "жидкое стекло") и пропустить через него углекислый газ ($CO_2$). Углекислый газ, растворяясь в воде, образует нестабильную угольную кислоту ($H_2CO_3$).

При пропускании углекислого газа через водный раствор силиката натрия происходит следующая химическая реакция вытеснения:
$Na_2SiO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Na_2CO_3 + H_2SiO_3\downarrow$

В ходе этой реакции наблюдается выпадение белого гелеобразного (студенистого) осадка. Этот осадок — кремниевая кислота ($H_2SiO_3$), которая практически нерастворима в воде.

Тот факт, что угольная кислота, образовавшаяся в растворе, смогла вытеснить кремниевую кислоту из ее соли, является прямым экспериментальным доказательством того, что угольная кислота является более сильной, чем кремниевая.

Теоретически силу кислот также можно сравнить по их константам диссоциации ($K_a$). Для угольной кислоты (по первой ступени) константа диссоциации $K_{a1} \approx 4.5 \cdot 10^{-7}$, а для кремниевой кислоты (по первой ступени) $K_{a1} \approx 2 \cdot 10^{-10}$. Поскольку константа диссоциации угольной кислоты значительно больше, чем у кремниевой ($4.5 \cdot 10^{-7} > 2 \cdot 10^{-10}$), это теоретически подтверждает, что угольная кислота — более сильная кислота.

Ответ: Чтобы доказать, что кремниевая кислота слабее угольной, нужно пропустить углекислый газ ($CO_2$) через раствор соли кремниевой кислоты, например, силиката натрия ($Na_2SiO_3$). Наблюдаемое образование осадка кремниевой кислоты ($H_2SiO_3$) покажет, что угольная кислота, как более сильная, вытеснила кремниевую из ее соли.

7.324. Порошок кремния сожгли в хлоре. Образовавшуюся бесцветную жидкость внесли в раствор гидроксида натрия. К полученному раствору добавили хлорид кальция. При этом выпал осадок, который отфильтровали. К фильтрату добавили нитрат серебра. Что наблюдается? Запишите уравнения реакций.

Решение

Данная задача описывает цепочку химических превращений. Проанализируем каждый этап.

1. Сжигание порошка кремния в хлоре. При нагревании кремний ($Si$) взаимодействует с хлором ($Cl_2$), образуя тетрахлорид кремния ($SiCl_4$). Это соединение при обычных условиях является бесцветной жидкостью.

Уравнение реакции: $Si + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4$

2. Добавление тетрахлорида кремния в раствор гидроксида натрия. Тетрахлорид кремния ($SiCl_4$) является кислотным галогенидом, поэтому он реагирует со щелочью ($NaOH$). В ходе этой реакции образуются две растворимые соли: силикат натрия ($Na_2SiO_3$) и хлорид натрия ($NaCl$), а также вода.

Уравнение реакции: $SiCl_4 + 6NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + 4NaCl + 3H_2O$

3. Добавление хлорида кальция. К раствору, содержащему силикат натрия и хлорид натрия, добавляют раствор хлорида кальция ($CaCl_2$). Силикат натрия вступает в реакцию ионного обмена с хлоридом кальция, в результате чего образуется нерастворимый в воде силикат кальция ($CaSiO_3$), который выпадает в виде белого осадка.

Уравнение реакции: $Na_2SiO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaSiO_3 \downarrow + 2NaCl$

4. Фильтрование осадка и анализ фильтрата. Осадок силиката кальция отделяют фильтрованием. В фильтрате (растворе, прошедшем через фильтр) остается хлорид натрия ($NaCl$), который был продуктом как второй, так и третьей реакции. Чтобы определить его наличие, к фильтрату добавляют раствор нитрата серебра ($AgNO_3$), который является качественным реагентом на хлорид-ионы ($Cl^-$).

5. Наблюдение при добавлении нитрата серебра. Хлорид натрия в фильтрате реагирует с нитратом серебра, образуя белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$).

Уравнение реакции: $NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NaNO_3$

Таким образом, финальным наблюдаемым явлением будет образование белого осадка.

Ответ: При добавлении нитрата серебра к фильтрату наблюдается выпадение белого творожистого осадка.
Уравнения реакций:

$Si + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4$

$SiCl_4 + 6NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + 4NaCl + 3H_2O$

$Na_2SiO_3 + CaCl_2 \rightarrow CaSiO_3 \downarrow + 2NaCl$

$NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NaNO_3$

7.325. Объясните, почему кремний не удаётся получить восстановлением кварца: а) водородом; б) углём.

а) водородом

Восстановление оксида кремния(IV) (кварца) водородом является термодинамически невыгодным процессом. Химическая связь $Si-O$ в оксиде кремния очень прочная, а сам $SiO_2$ представляет собой атомную кристаллическую решетку, для разрушения которой требуется большое количество энергии. Водород является недостаточно сильным восстановителем, чтобы разорвать эти связи.

Гипотетическое уравнение реакции выглядит так: $SiO_2 + 2H_2 \rightleftharpoons Si + 2H_2O$

Изменение энергии Гиббса ($\Delta G$) для этой реакции при стандартных условиях и даже при высоких температурах имеет большое положительное значение. Это означает, что реакция самопроизвольно не протекает в прямом направлении, и равновесие сильно смещено влево, в сторону исходных веществ. Таким образом, получить кремний этим способом не удаётся.

Ответ: Получить кремний восстановлением кварца водородом не удаётся, так как водород является слишком слабым восстановителем, чтобы разрушить очень прочные химические связи в оксиде кремния(IV). Реакция термодинамически невыгодна ($\Delta G > 0$).

б) углём

Восстановление кварца углём (коксом) является основным промышленным способом получения технического кремния, однако этот процесс сопряжён с определёнными трудностями, из-за которых получение чистого кремния напрямую невозможно. Реакция требует очень высоких температур, порядка 1800-2000 °C, и протекает в электродуговых печах:

$SiO_2 + 2C \xrightarrow{t^\circ} Si + 2CO \uparrow$

Проблема заключается в том, что при таких высоких температурах образующийся расплавленный кремний очень активно реагирует с избытком углерода (который необходим для полноты реакции) с образованием очень тугоплавкого и химически стойкого карбида кремния (карборунда):

$Si + C \xrightarrow{t^\circ} SiC$

В результате прямого восстановления кварца углём получается не чистый кремний, а его сплав с карбидом кремния, либо, при избытке угля, карбид кремния становится основным продуктом. Контролировать процесс для получения чистого кремния крайне сложно. Поэтому в контексте получения чистого элементарного кремния этот метод считается неподходящим.

Ответ: При восстановлении кварца углём реакция требует очень высоких температур, при которых образующийся кремний немедленно реагирует с углём, образуя карбид кремния ($SiC$). Это делает невозможным получение чистого кремния в ходе одной стадии.

7.326. Самый чистый кремний получают разложением силанов – соединений кремния с водородом. Силаны образуют гомологический ряд наподобие алканов, но гораздо менее устойчивы. Изобразите структурную формулу трисилана ${\mathrm{Si}}_3{\mathrm{H}}_8$ и запишите реакцию его термолиза.

Решение

Структурная формула трисилана $Si_3H_8$

Силаны являются водородными соединениями кремния, которые образуют гомологический ряд с общей формулой $Si_n H_{2n+2}$, аналогично алканам ($C_n H_{2n+2}$). Трисилан, у которого $n=3$, — аналог пропана ($C_3H_8$).

В молекуле трисилана три атома кремния соединены друг с другом в цепь одинарными связями. Атом кремния в данных соединениях четырехвалентен. Поэтому два концевых атома кремния связаны с тремя атомами водорода каждый, а центральный атом кремния — с двумя.

Полная структурная формула трисилана, показывающая все связи:

 H H H | | | H--Si--Si--Si--H | | | H H H

Также можно использовать сокращенную структурную формулу: $SiH_3-SiH_2-SiH_3$.

Ответ: Структурная формула трисилана:

 H H H | | | H--Si--Si--Si--H | | | H H H

Реакция термолиза трисилана

Термолиз — это разложение химического соединения под действием высокой температуры. Силаны термически неустойчивы и при нагревании легко разлагаются на простые вещества: элементарный кремний и водород. Этот процесс является основой промышленного получения кремния высокой чистоты.

Уравнение реакции термического разложения (термолиза) трисилана $Si_3H_8$ выглядит следующим образом:

$Si_3H_8 \xrightarrow{t} 3Si + 4H_2$

В результате реакции из одной молекулы трисилана образуется три атома твёрдого кремния и четыре молекулы газообразного водорода.

Ответ: $Si_3H_8 \xrightarrow{t} 3Si + 4H_2$.

7.327. Что называют жидким стеклом? Как его получают?

Что называют жидким стеклом?

Жидким стеклом (также известным как растворимое стекло или силикатный клей) называют концентрированный водный раствор силикатов щелочных металлов, чаще всего натрия ($Na_2SiO_3$) или калия ($K_2SiO_3$).

По своим физическим свойствам это вязкая, сиропообразная жидкость, которая может быть бесцветной или иметь желтоватый/зеленоватый оттенок из-за примесей. Ключевыми характеристиками жидкого стекла являются:

• Высокая адгезия (клеящая способность) ко многим пористым материалам.
• Огнеупорность и негорючесть.
• Антисептические свойства, препятствующие образованию плесени и грибка.
• Высокая прочность и водонепроницаемость после высыхания (полимеризации) на воздухе.

Химический состав жидкого стекла принято выражать общей формулой $Me_2O \cdot nSiO_2$, где $Me$ — это $Na$ или $K$, а $n$ — силикатный модуль. Модуль показывает молярное соотношение диоксида кремния ($SiO_2$) к оксиду щелочного металла ($Me_2O$) и определяет основные свойства продукта: чем выше модуль, тем выше вязкость и клеящая способность.

Ответ: Жидкое стекло — это водный щелочной раствор силикатов натрия и/или калия, представляющий собой вязкую жидкость, которая после высыхания образует прочное, водонепроницаемое и огнеупорное покрытие. Его также называют силикатным клеем.

Как его получают?

В промышленности жидкое стекло получают двумя основными способами:

1. Сухой способ (сплавление). Это наиболее распространенный метод. Исходные компоненты — кварцевый песок ($SiO_2$) и кальцинированную соду ($Na_2CO_3$) — смешивают и сплавляют в стекловаренных печах при температуре около 1400–1500 °C. В ходе реакции образуется силикат натрия и выделяется углекислый газ:
   $Na_2CO_3 + SiO_2 \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + CO_2 \uparrow$
   Полученный расплав, называемый силикат-глыбой, после остывания дробят и растворяют в горячей воде в автоклавах под давлением до получения раствора нужной концентрации.
2. Мокрый способ (автоклавный). В этом методе кремнеземсодержащее сырье (например, диатомит, трепел или мелкодисперсный кварцевый песок) напрямую обрабатывается концентрированным раствором едкого натра ($NaOH$) в автоклаве при температуре 170–250 °C и соответствующем давлении. Реакция протекает по следующему уравнению:
   $2NaOH + nSiO_2 \xrightarrow{p, t} Na_2O \cdot nSiO_2 + H_2O$
   Этот способ позволяет получить жидкое стекло сразу в виде водного раствора, минуя энергозатратную стадию плавления.

Ответ: Жидкое стекло получают либо сплавлением кварцевого песка с содой с последующим растворением продукта (силикат-глыбы) в воде, либо прямым взаимодействием кремнеземсодержащего сырья с раствором щелочи в автоклаве при высокой температуре и давлении.

7.328. Жидкое стекло хранят в плотно закупоренной таре. При оставлении её открытой на воздухе содержимое постепенно превращается в студенистую массу. Что при этом происходит?

Решение

Жидкое стекло — это водный щелочной раствор силикатов натрия ($Na_2SiO_3$) и/или калия ($K_2SiO_3$). По своей химической природе это соль, образованная сильным основанием (например, $NaOH$) и очень слабой кремниевой кислотой ($H_2SiO_3$).

Когда контейнер с жидким стеклом оставляют открытым, оно взаимодействует с компонентами воздуха. Происходит следующий процесс:

Жидкое стекло вступает в реакцию с углекислым газом ($CO_2$), который всегда присутствует в атмосфере. Углекислый газ, растворяясь в воде, образует угольную кислоту ($H_2CO_3$). Угольная кислота является более сильной, чем кремниевая, и поэтому вытесняет её из соли силиката. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Na_2SiO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Na_2CO_3 + H_2SiO_3 \downarrow$

В результате этой реакции образуется кремниевая кислота ($H_2SiO_3$), которая практически нерастворима в воде. Она выпадает в осадок в виде объёмного геля, который и является той самой «студенистой массой».

Кроме того, одновременно с химической реакцией происходит испарение воды из раствора, что также способствует увеличению концентрации и затвердеванию массы.

Именно для предотвращения контакта с углекислым газом воздуха и испарения воды жидкое стекло необходимо хранить в плотно закупоренной таре.

Ответ: При контакте с воздухом жидкое стекло (раствор силиката натрия или калия) реагирует с углекислым газом. В результате этой химической реакции образуется нерастворимая кремниевая кислота в виде геля, что приводит к превращению жидкости в студенистую массу. Процесс ускоряется за счет испарения воды.

7.329. Для укрепления грунтов в полости под давлением закачивают жидкое стекло и раствор хлорида кальция. Через некоторое время содержимое полости затвердевает. Дайте объяснение этому явлению.

Решение

Явление затвердевания смеси жидкого стекла и раствора хлорида кальция в полостях грунта объясняется химической реакцией, которая происходит между этими веществами. Этот метод известен как силикатизация грунтов.

1. Жидкое стекло представляет собой концентрированный водный раствор силикатов щелочных металлов, как правило, силиката натрия ($Na_2SiO_3$).

2. Раствор хлорида кальция ($CaCl_2$) является источником ионов кальция ($Ca^{2+}$).

При смешивании этих двух растворов протекает реакция ионного обмена: $Na_2SiO_3 (р-р) + CaCl_2 (р-р) \rightarrow CaSiO_3 \downarrow + 2NaCl (р-р)$

В результате реакции образуется силикат кальция ($CaSiO_3$) — вещество, практически нерастворимое в воде. Важно, что этот осадок выпадает не в виде кристаллического порошка, а в виде гелеобразной (студенистой) массы. Этот гель из гидратированного силиката кальция обладает вяжущими свойствами. Он заполняет поры и трещины в грунте, обволакивает и прочно скрепляет его частицы. Со временем гель уплотняется и частично обезвоживается, превращая рыхлую или водонасыщенную почву в прочный и водонепроницаемый камнеподобный материал.

Ответ: Затвердевание происходит в результате химической реакции между силикатом натрия (компонентом жидкого стекла) и хлоридом кальция. В ходе реакции образуется нерастворимый в воде гелеобразный силикат кальция ($CaSiO_3$), который заполняет пустоты, связывает частицы грунта и при уплотнении формирует прочную, твердую массу.