Номер 3, страница 63, часть 2 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Каковы физические и химические свойства кремния? Приведите уравнения соответствующих реакций. Укажите окислитель и восстановитель. Свяжите физические свойства свободного кремния с местоположением его в периодической системе химических элементов.

Физические свойства кремния и их связь с положением в периодической системе

Кремний ($Si$) — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы IV группы), 3-го периода периодической системы Д.И. Менделеева, с атомным номером 14. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня — $3s^23p^2$. Наличие четырёх валентных электронов определяет его способность образовывать четыре прочные ковалентные связи.

Положение кремния в периодической системе, на условной границе между металлами и неметаллами, определяет его двойственный характер (он является полуметаллом или металлоидом).

В свободном состоянии кремний образует кристаллическую решётку атомного типа, аналогичную решётке алмаза. Каждый атом кремния в кристалле связан с четырьмя соседними атомами прочными ковалентными связями. Эта структура обуславливает следующие физические свойства:

• Агрегатное состояние при обычных условиях — твёрдое. Кремний — очень твёрдое, но хрупкое вещество.
• Имеет тёмно-серый цвет и обладает металлическим блеском.
• Является тугоплавким веществом. Температура плавления $1414o C$, температура кипения $3265o C$. Высокие температуры фазовых переходов объясняются необходимостью затратить большое количество энергии на разрыв прочных ковалентных связей в кристалле.
• Является полупроводником: его электропроводность невелика при комнатной температуре, но значительно возрастает при нагревании, освещении или введении примесей. Это свойство связано с тем, что энергия, необходимая для отрыва электронов от атомов и их перехода в зону проводимости (ширина запрещенной зоны), невелика.

Таким образом, физические свойства кремния, такие как высокая твёрдость, тугоплавкость и полупроводниковые свойства, напрямую связаны с его положением в периодической системе, которое определяет его электронное строение ($\text{4}$ валентных электрона) и, как следствие, тип образуемой кристаллической решётки (атомная) с прочными ковалентными связями.

Ответ: Кремний — твёрдое, хрупкое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском, полупроводник с высокой температурой плавления. Эти свойства обусловлены его положением в 14-й группе 3-го периода, что приводит к образованию атомной кристаллической решётки с прочными ковалентными связями.

Химические свойства кремния

При обычных условиях кремний химически инертен, что связано с наличием на его поверхности тонкой и прочной оксидной плёнки ($SiO_2$). При нагревании его химическая активность возрастает. В реакциях кремний может проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства. Его степени окисления варьируются от -4 до +4 (наиболее характерны 0, +4 и -4).

1. Восстановительные свойства (проявляются в реакциях с более электроотрицательными элементами)

Кремний выступает в роли восстановителя.

• Взаимодействие с кислородом при нагревании (сгорание):

  $Si^0 + O_2^0 \xrightarrow{400-600o C} Si^{+4}O_2^{-2}$

  В этой реакции $Si^0$ (кремний) является восстановителем, а $O_2^0$ (кислород) — окислителем.

  $Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$

  $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$

• Взаимодействие с галогенами. С фтором реагирует при комнатной температуре, с остальными — при нагревании:

  $Si^0 + 2Cl_2^0 \xrightarrow{t} Si^{+4}Cl_4^{-1}$

  $Si$ (кремний) — восстановитель, $Cl_2$ (хлор) — окислитель.

• Реагирует с концентрированными растворами щелочей с выделением водорода:

  $Si^0 + 2NaOH + H_2^{+1}o \rightarrow Na_2Si^{+4}O_3 + 2H_2^0\uparrow$

  $Si^0$ (кремний) является восстановителем, а окислителем является водород в составе воды ($H^{+1}$):

  $Si^0 + 6OH^- - 4e^- \rightarrow SiO_3^{2-} + 3H_2O$

  $2H_2o + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-$

2. Окислительные свойства (проявляются в реакциях с металлами)

При взаимодействии с активными металлами при высокой температуре кремний проявляет окислительные свойства, образуя силициды, где он имеет степень окисления -4.

• Взаимодействие с магнием:

  $2Mg^0 + Si^0 \xrightarrow{t} Mg_2^{+2}Si^{-4}$

  В этой реакции $Si^0$ (кремний) является окислителем, а $Mg^0$ (магний) — восстановителем.

  $Si^0 + 4e^- \rightarrow Si^{-4}$

  $Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$

Кремний устойчив к действию большинства кислот (кроме плавиковой и её смеси с азотной) и воды.

Ответ: Кремний проявляет двойственные окислительно-восстановительные свойства. Чаще всего он является восстановителем, реагируя с кислородом, галогенами, щелочами (уравнения и указания окислителей/восстановителей приведены выше). Окислительные свойства кремний проявляет в реакциях с активными металлами, образуя силициды.