Номер 4, страница 244 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

4. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

a) $SiO_2 \xrightarrow{1} Si \xrightarrow{2} Ca_2Si \xrightarrow{3} SiH_4 \xrightarrow{4} SiO_2 \xrightarrow{5} Si;$

б) $Si \xrightarrow{1} SiO_2 \xrightarrow{2} Na_2SiO_3 \xrightarrow{3} H_2SiO_3 \xrightarrow{4} SiO_2 \xrightarrow{5} Si.$

Рассмотрите процессы окисления-восстановления.

Решение:

1. Для получения кремния из оксида кремния(IV) проводят реакцию восстановления с помощью активного восстановителя, например, магния или углерода, при высокой температуре. Уравнение реакции с магнием: $SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний в степени окисления $+4$ является окислителем, а магний в степени окисления $0$ – восстановителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{+4} + 4e^- \rightarrow Si^0$ (восстановление); $Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$ (окисление).

2. Силицид кальция $Ca_2Si$ можно получить прямым синтезом из простых веществ при нагревании. Уравнение реакции: $2Ca + Si \xrightarrow{t} Ca_2Si$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кальций является восстановителем (окисляется от $0$ до $+2$), а кремний – окислителем (восстанавливается от $0$ до $-4$). Процессы окисления и восстановления: $Ca^0 - 2e^- \rightarrow Ca^{+2}$ (окисление); $Si^0 + 4e^- \rightarrow Si^{-4}$ (восстановление).

3. Силан $SiH_4$ получают гидролизом силицидов металлов или их реакцией с кислотами. Уравнение реакции с соляной кислотой: $Ca_2Si + 4HCl \rightarrow 2CaCl_2 + SiH_4$. В этой реакции степени окисления элементов не изменяются ($Ca^{+2}, Si^{-4}, H^{+1}, Cl^{-1}$), следовательно, это реакция ионного обмена, а не окислительно-восстановительная.

4. Силан самовоспламеняется на воздухе, сгорая с образованием оксида кремния(IV) и воды. Уравнение реакции: $SiH_4 + 2O_2 \rightarrow SiO_2 + 2H_2O$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний в $SiH_4$ (степень окисления $-4$) является восстановителем, а кислород $O_2$ (степень окисления $0$) – окислителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{-4} - 8e^- \rightarrow Si^{+4}$ (окисление); $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ (восстановление).

5. Получение кремния из его оксида можно провести карботермическим методом (восстановление углем). Уравнение реакции: $SiO_2 + 2C \xrightarrow{t} Si + 2CO$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний в степени окисления $+4$ является окислителем, а углерод – восстановителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{+4} + 4e^- \rightarrow Si^0$ (восстановление); $C^0 - 2e^- \rightarrow C^{+2}$ (окисление).

Ответ:

1. $SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$

2. $2Ca + Si \xrightarrow{t} Ca_2Si$

3. $Ca_2Si + 4HCl \rightarrow 2CaCl_2 + SiH_4$

4. $SiH_4 + 2O_2 \rightarrow SiO_2 + 2H_2O$

5. $SiO_2 + 2C \xrightarrow{t} Si + 2CO$

Решение:

1. Оксид кремния(IV) можно получить путем окисления кремния кислородом при нагревании. Уравнение реакции: $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$. Это окислительно-восстановительная реакция. Кремний $Si^0$ является восстановителем, а кислород $O_2^0$ – окислителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^0 - 4e^- \rightarrow Si^{+4}$ (окисление); $O_2^0 + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$ (восстановление).

2. Оксид кремния(IV) является кислотным оксидом и реагирует с щелочами с образованием солей – силикатов. Уравнение реакции с гидроксидом натрия: $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$. Степени окисления элементов в ходе реакции не изменяются, это не окислительно-восстановительная реакция.

3. Кремниевая кислота является очень слабой, поэтому ее можно вытеснить из раствора ее солей действием более сильных кислот, например, соляной или даже угольной. Уравнение реакции с соляной кислотой: $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + 2NaCl$. Это реакция ионного обмена, не является окислительно-восстановительной.

4. Кремниевая кислота – неустойчивое соединение, при нагревании она разлагается на оксид кремния(IV) и воду. Уравнение реакции: $H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$. Это реакция разложения, степени окисления элементов не меняются.

5. Восстановление кремния из его оксида можно провести с помощью алюминотермии. Уравнение реакции: $3SiO_2 + 4Al \xrightarrow{t} 3Si + 2Al_2O_3$. Это окислительно-восстановительная реакция. $Si^{+4}$ является окислителем, а $Al^0$ – восстановителем. Процессы окисления и восстановления: $Si^{+4} + 4e^- \rightarrow Si^0$ (восстановление); $Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$ (окисление).

Ответ:

1. $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$

2. $SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$

3. $Na_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + 2NaCl$

4. $H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$

5. $3SiO_2 + 4Al \xrightarrow{t} 3Si + 2Al_2O_3$