Страница 127 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Запишите схему строения атома кремния и укажите степени окисления, характерные для этого элемента в соединениях. Приведите примеры формул соединений кремния.

Решение

1. Схема строения атома кремния

Кремний ($Si$) находится в 3-м периоде, IVА группе периодической системы. Его порядковый номер — 14.

• Заряд ядра атома кремния равен +14 (содержит 14 протонов).
• В атоме 14 электронов, которые распределены по трем электронным слоям.
• Распределение электронов по слоям: 2 электрона на первом, 8 на втором и 4 на третьем (внешнем).

Схематическое изображение строения атома:

$_{+14}Si \quad )_{2e^-} \quad )_{8e^-} \quad )_{4e^-}$

Электронная конфигурация (формула) атома кремния: $1s^22s^22p^63s^23p^2$. На внешнем энергетическом уровне ($n=3$) находятся 4 валентных электрона ($3s^23p^2$).

2. Степени окисления кремния

Имея 4 валентных электрона, кремний в соединениях может их как отдавать (проявляя положительную степень окисления), так и принимать до завершения внешнего слоя (проявляя отрицательную степень окисления).

• -4 — низшая степень окисления, проявляется в соединениях с металлами (силициды) и водородом (силан).
• 0 — в простом веществе кремнии ($Si$).
• +2 — промежуточная, малохарактерная степень окисления.
• +4 — высшая и наиболее устойчивая степень окисления, проявляется в соединениях с более электроотрицательными элементами (кислородом, галогенами).

3. Примеры формул соединений кремния

• Со степенью окисления +4:
  • $SiO_2$ — оксид кремния(IV) (кремнезём)
  • $H_2SiO_3$ — кремниевая кислота
  • $Na_2SiO_3$ — силикат натрия
  • $SiF_4$ — тетрафторид кремния
• Со степенью окисления -4:
  • $SiH_4$ — силан (водородное соединение)
  • $Mg_2Si$ — силицид магния

Ответ: Схема строения атома кремния: $_{+14}Si$) 2, 8, 4; электронная формула $1s^22s^22p^63s^23p^2$. Характерные степени окисления: -4, 0, +2, +4. Примеры формул соединений: $SiO_2$ (с.о. +4), $SiH_4$ (с.о. -4), $Mg_2Si$ (с.о. -4).

2. Охарактеризуйте способы получения, свойства и применение кристаллического кремния. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Способы получения

Получение кристаллического кремния — это многостадийный процесс, который начинается с получения технического кремния и заканчивается глубокой очисткой для получения полупроводникового материала.

1. Промышленный способ (карботермическое восстановление). Технический кремний (чистотой 98-99%) получают в дуговых печах при температуре около $1800^{\circ}C$ восстановлением диоксида кремния (кремнезёма, $SiO_2$), который является основным компонентом песка, с помощью кокса (углерода).
Уравнение реакции:
$SiO_2 + 2C \xrightarrow{1800^{\circ}C} Si + 2CO\uparrow$

2. Получение кремния высокой чистоты (полупроводникового). Технический кремний для использования в электронике недостаточен и требует дальнейшей очистки. Наиболее распространенным является хлоридный (или Сименс-процесс) метод.
Стадия 1: Технический кремний обрабатывают хлороводородом при температуре $300-350^{\circ}C$ с образованием летучего трихлорсилана ($SiHCl_3$).
$Si_{техн.} + 3HCl \xrightarrow{300-350^{\circ}C} SiHCl_3 + H_2\uparrow$
Стадия 2: Полученный трихлорсилан очищают методом фракционной перегонки, а затем восстанавливают чистым водородом при высокой температуре ($1000-1200^{\circ}C$) на поверхности раскаленных кремниевых стержней. В результате осаждается поликристаллический кремний высокой чистоты (99,9999% и выше).
$SiHCl_3 + H_2 \xrightarrow{1000-1200^{\circ}C} Si_{чист.} + 3HCl$

3. Лабораторный способ (магнийтермия). В лаборатории кремний можно получить восстановлением диоксида кремния активными металлами, например, магнием или алюминием. При этом обычно образуется аморфный кремний.
$SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$

Для получения монокристаллического кремния, необходимого для производства интегральных схем, используют методы зонной плавки или метод Чохральского, которые позволяют из поликристаллического кремния вырастить единый крупный кристалл.

Ответ: Основной промышленный способ получения технического кремния — восстановление $SiO_2$ коксом ($SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO$). Для получения кремния высокой чистоты используют Сименс-процесс: превращение технического кремния в трихлорсилан ($Si + 3HCl \rightarrow SiHCl_3 + H_2$) с последующим его восстановлением водородом ($SiHCl_3 + H_2 \rightarrow Si + 3HCl$).

Свойства

Кристаллический кремний обладает рядом характерных физических и химических свойств.

Физические свойства:
Кремний — это твёрдое, хрупкое кристаллическое вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском. Он имеет алмазоподобную кубическую кристаллическую решетку (атомного типа). Кремний является полупроводником: его электропроводность невелика при комнатной температуре, но значительно возрастает при нагревании или при введении примесей (легировании). Температура плавления — $1414^{\circ}C$, температура кипения — $3265^{\circ}C$. Плотность — $2,33$ г/см³.

Химические свойства:
При обычных условиях кремний довольно инертен из-за образования на его поверхности тонкой защитной плёнки диоксида кремния $SiO_2$. При нагревании его химическая активность возрастает.
1. Взаимодействует с неметаллами при нагревании:
- С кислородом (горение при $t > 400^{\circ}C$): $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$
- С галогенами (с фтором реагирует при комнатной температуре, с хлором при $400-600^{\circ}C$): $Si + 2Cl_2 \xrightarrow{t} SiCl_4$ (тетрахлорид кремния)
- С азотом (при $t > 1000^{\circ}C$): $3Si + 2N_2 \xrightarrow{t} Si_3N_4$ (нитрид кремния)
- С углеродом (при $t > 2000^{\circ}C$): $Si + C \xrightarrow{t} SiC$ (карбид кремния, или карборунд)

2. Отношение к кислотам и щелочам:
- Кремний устойчив к действию большинства кислот (кроме плавиковой). Он растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:
$3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO\uparrow + 8H_2O$
- Легко реагирует с водными растворами щелочей с выделением водорода и образованием силикатов:
$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$

3. Взаимодействует с активными металлами при сплавлении, образуя силициды:
$2Mg + Si \xrightarrow{t} Mg_2Si$ (силицид магния)

Ответ: Кристаллический кремний — тёмно-серый тугоплавкий полупроводник. Химически инертен при комнатной температуре, но при нагревании реагирует с кислородом ($Si + O_2 \rightarrow SiO_2$), галогенами ($Si + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4$) и другими неметаллами. Растворяется в щелочах ($Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$) и смеси плавиковой и азотной кислот.

Применение

Благодаря своим уникальным полупроводниковым свойствам, кристаллический кремний является основным материалом для современной электроники.

1. Электроника и микроэлектроника. Кремний сверхвысокой чистоты используется для производства полупроводниковых приборов: транзисторов, диодов, тиристоров, а также интегральных микросхем, которые являются основой компьютеров, смартфонов и другой электроники.

2. Солнечная энергетика (фотовольтаика). Поликристаллический и монокристаллический кремний — основной материал для изготовления солнечных батарей (фотоэлектрических преобразователей), которые преобразуют энергию солнечного света в электрическую.

3. Металлургия. Технический кремний используется в качестве легирующей добавки при производстве сталей и сплавов (например, силумина — сплава алюминия с кремнием, обладающего хорошими литейными свойствами). Также он применяется как раскислитель для удаления кислорода из расплавленных металлов.

4. Химическая промышленность. Кремний является сырьем для получения кремнийорганических соединений — силиконов. Силиконы применяются для производства смазок, герметиков, каучуков, смол и жидкостей с широким диапазоном рабочих температур. Из кремния получают карбид кремния ($SiC$), который используется как абразивный материал и компонент для создания композитов и огнеупоров.

Ответ: Кристаллический кремний применяется в основном в электронике (микросхемы, транзисторы) и солнечной энергетике (солнечные батареи) благодаря своим полупроводниковым свойствам. Также он используется в металлургии для легирования и раскисления сталей и в химической промышленности для производства силиконов и карбида кремния.

3. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$SiO_2 \to Si \to Ca_2Si \to SiH_4 \to SiO_2 \to K_2SiO_3 \to H_2SiO_3 \to SiO_2$

$SiO_2 \rightarrow Si$
Для получения кремния из оксида кремния(IV) его восстанавливают сильным восстановителем, например, магнием или углеродом, при высокой температуре.
Ответ: $SiO_2 + 2Mg \xrightarrow{t} Si + 2MgO$

$Si \rightarrow Ca_2Si$
Кремний напрямую реагирует с активными металлами, такими как кальций, при нагревании с образованием силицида кальция.
Ответ: $Si + 2Ca \xrightarrow{t} Ca_2Si$

$Ca_2Si \rightarrow SiH_4$
Силицид кальция реагирует с кислотой (например, соляной) с образованием силана (моносилана).
Ответ: $Ca_2Si + 4HCl \rightarrow 2CaCl_2 + SiH_4\uparrow$

$SiH_4 \rightarrow SiO_2$
Силан самовоспламеняется на воздухе и горит с образованием оксида кремния(IV) и воды.
Ответ: $SiH_4 + 2O_2 \rightarrow SiO_2 + 2H_2O$

$SiO_2 \rightarrow K_2SiO_3$
Оксид кремния(IV) является кислотным оксидом и реагирует со щелочами, например, с гидроксидом калия, при сплавлении с образованием силиката калия.
Ответ: $SiO_2 + 2KOH \xrightarrow{t} K_2SiO_3 + H_2O$

$K_2SiO_3 \rightarrow H_2SiO_3$
При действии на раствор силиката калия более сильной кислоты (например, соляной) выпадает осадок кремниевой кислоты в виде геля.
Ответ: $K_2SiO_3 + 2HCl \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 2KCl$

$H_2SiO_3 \rightarrow SiO_2$
Кремниевая кислота является нестойким соединением и при нагревании разлагается на оксид кремния(IV) и воду.
Ответ: $H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$

4. Почему щёлочи в лаборатории хранят не в стеклянных сосудах, а в полимерных упаковках?

Решение

Щёлочи, особенно их концентрированные растворы, не хранят в стеклянной посуде из-за химической реакции, которая происходит между щёлочью и основным компонентом стекла — диоксидом кремния ($SiO_2$). Стекло, по своей химической природе, является твёрдым веществом на основе кислотного оксида кремния.

Щёлочи (например, гидроксид натрия $NaOH$ или гидроксид калия $KOH$) являются сильными основаниями и вступают в реакцию с кислотным диоксидом кремния. В результате этой реакции, называемой выщелачиванием стекла, образуются растворимые соли — силикаты. Уравнение реакции для гидроксида натрия выглядит следующим образом:

$2NaOH + SiO_2 \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$

Эта реакция, хоть и медленная при комнатной температуре, имеет несколько существенных негативных последствий. Во-первых, происходит постепенное разрушение стеклянной тары: стенки сосуда мутнеют, становятся тоньше и теряют прочность, что в итоге может привести к утечке едкого вещества. Во-вторых, происходит загрязнение раствора щёлочи продуктами реакции (силикатами), что недопустимо для проведения точных химических анализов или синтезов, где важна чистота реагентов. В-третьих, если для хранения используется склянка со стеклянной притёртой пробкой, то силикат, образующийся в узком зазоре между пробкой и горлышком, действует как клей, намертво "прихватывая" пробку. Открыть такой сосуд, не разбив его, становится практически невозможно.

Полимерные упаковки, изготовленные из таких материалов, как полиэтилен (ПЭ) или полипропилен (ПП), лишены этих недостатков. Полимеры химически инертны по отношению к щелочам и не вступают с ними в реакцию. Поэтому хранение щелочей в полимерной таре обеспечивает как сохранность чистоты реактива, так и целостность упаковки, что гарантирует безопасность при работе в лаборатории.

Ответ: Щёлочи хранят в полимерных упаковках, а не в стеклянных сосудах, потому что щёлочи химически реагируют с диоксидом кремния ($SiO_2$), основным компонентом стекла. Эта реакция приводит к разрушению стекла, загрязнению раствора щёлочи продуктами реакции (силикатами) и "прихватыванию" стеклянных пробок. Полимеры, в отличие от стекла, химически инертны к щелочам и не подвергаются их разрушительному воздействию.

5. Какой объём водорода (н. у.) образуется при взаимодействии 96 г кремния, содержащего 5 % примесей, с избытком раствора гидроксида натрия? Какое количество вещества гидроксида натрия потребуется для реакции?

Дано:

$m_{обр}(Si) = 96 \text{ г}$

$\omega(примесей) = 5\% = 0.05$

Раствор $NaOH$ взят в избытке.

Найти:

$V(H_2)_{н.у.} - ?$

$n(NaOH) - ?$

Решение:

1. В первую очередь определим массу чистого кремния ($Si$) в образце, который будет участвовать в реакции. Массовая доля примесей составляет 5%, следовательно, массовая доля чистого кремния:

$\omega(Si) = 100\% - 5\% = 95\% = 0.95$

Теперь вычислим массу чистого кремния:

$m(Si) = m_{обр}(Si) \times \omega(Si) = 96 \text{ г} \times 0.95 = 91.2 \text{ г}$

2. Запишем уравнение химической реакции взаимодействия кремния с водным раствором гидроксида натрия. Кремний, как амфотерный элемент, реагирует со щелочами с образованием силиката и выделением водорода:

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

3. Рассчитаем количество вещества (в молях) кремния, вступившего в реакцию. Молярная масса кремния $M(Si) \approx 28 \text{ г/моль}$.

$n(Si) = \frac{m(Si)}{M(Si)} = \frac{91.2 \text{ г}}{28 \text{ г/моль}} \approx 3.2571 \text{ моль}$

4. Используя стехиометрические коэффициенты из уравнения реакции, найдём искомые величины.

Какой объём водорода (н. у.) образуется

По уравнению реакции, из 1 моль $Si$ образуется 2 моль $H_2$. Следовательно, количество вещества водорода будет в два раза больше количества вещества кремния:

$n(H_2) = 2 \times n(Si) = 2 \times 3.2571 \text{ моль} \approx 6.5142 \text{ моль}$

Объём водорода при нормальных условиях (н. у.) рассчитывается по формуле $V = n \times V_m$, где $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$ — молярный объём газа при н. у.

$V(H_2) = n(H_2) \times V_m \approx 6.5142 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} \approx 145.92 \text{ л}$

Округляя результат до трёх значащих цифр, получаем 146 л.

Ответ: объём водорода, который образуется, составляет 146 л.

Какое количество вещества гидроксида натрия потребуется для реакции

По уравнению реакции, на 1 моль $Si$ расходуется 2 моль $NaOH$. Следовательно, количество вещества гидроксида натрия также в два раза больше количества вещества кремния:

$n(NaOH) = 2 \times n(Si) = 2 \times 3.2571 \text{ моль} \approx 6.5142 \text{ моль}$

Округляя результат до трёх значащих цифр, получаем 6.51 моль.

Ответ: для реакции потребуется 6.51 моль гидроксида натрия.

6. Охарактеризуйте области применения кремния и его соединений. Перечислите предметы быта, домашнего обихода, при изготовлении которых использованы кремний и кремнийсодержащие вещества.

Охарактеризуйте области применения кремния и его соединений.

Кремний ($Si$) и его многочисленные соединения являются одними из самых распространенных и важных веществ, используемых человеком. Области их применения чрезвычайно широки и охватывают практически все сферы деятельности.

• Чистый кремний ($Si$): Обладая свойствами полупроводника, сверхчистый кремний является основой всей современной микроэлектроники. Из него изготавливают транзисторы, микросхемы, диоды, которые являются неотъемлемой частью компьютеров, смартфонов и любой другой электроники. Также он используется в солнечной энергетике для производства фотоэлементов (солнечных батарей). В металлургии технический кремний применяют как легирующую добавку (например, в сплавах алюминия — силуминах) и для раскисления сталей.
• Диоксид кремния ($SiO_2$): Это соединение, известное в природе как песок, кварц. Является главным сырьем для производства стекла (оконного, тарного, оптического). Кварцевый песок — важнейший компонент строительных материалов, таких как бетон и цементный раствор. В виде кварца и кремнезема используется для изготовления керамики, фарфора, фаянса и огнеупорных материалов. В химической промышленности силикагель (гидратированный диоксид кремния) применяется как сорбент и осушитель. В пищевой промышленности используется как добавка E551, предотвращающая комкование. Из чистого плавленого кварца делают оптическое волокно для линий связи.
• Силикаты: Природные силикаты (глина, слюда, полевые шпаты) и полученные искусственно являются основой строительной индустрии. Из глины делают кирпич и керамзит. На основе силикатов кальция и алюминия производят цемент. Силикаты натрия и калия ($Na_2SiO_3$, $K_2SiO_3$) известны как жидкое стекло или силикатный клей, который используется как клей, для пропитки древесины (придания огнестойкости) и как компонент моющих средств.
• Силиконы (кремнийорганические соединения): Это полимеры, обладающие уникальным набором свойств (термостойкость, эластичность, инертность). Они применяются в строительстве (герметики, уплотнители), в медицине (имплантаты, катетеры), в косметике (основа для кремов, шампуней), в быту (кухонные формы для выпечки, лопатки).
• Карбид кремния ($SiC$): Чрезвычайно твердое и тугоплавкое вещество. Используется как абразивный материал (наждачная бумага, шлифовальные круги) и для изготовления деталей, работающих при высоких температурах. Также является полупроводником, применяемым в силовой электронике.

Ответ: Кремний и его соединения применяются в микроэлектронике и солнечной энергетике (чистый $Si$), в производстве стекла, керамики, строительных материалов (бетон, цемент) и оптоволокна ($SiO_2$ и силикаты), в качестве клеев и герметиков (силикаты, силиконы), в медицине и косметике (силиконы), а также как абразивные и огнеупорные материалы ($SiC$).

Перечислите предметы быта, домашнего обихода, при изготовлении которых использованы кремний и кремнийсодержащие вещества.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с предметами, содержащими кремний в той или иной форме:

• Электроника и бытовая техника: Компьютеры, ноутбуки, смартфоны, телевизоры, планшеты (внутри них находятся микросхемы на основе кремния). Светодиодные (LED) лампы.
• На кухне: Стеклянная посуда (стаканы, банки, бутылки), керамическая и фарфоровая посуда (тарелки, чашки), стеклокерамические варочные панели, силиконовые формы для выпечки, коврики, лопатки и кисточки. Зубная паста, содержащая диоксид кремния в качестве мягкого абразива. Фильтры для воды (некоторые содержат силикаты).
• В ванной комнате: Зеркала (стекло), кафельная плитка, сантехника из фаянса (раковины, унитазы), силиконовый герметик для швов, косметические средства (кремы, шампуни, декоративная косметика, содержащие силиконы), тальк (гидросиликат магния).
• Строительные элементы и отделка: Оконные стекла, бетонные стены и перекрытия, кирпич, цементная штукатурка, силикатный клей, краски (могут содержать силикатные наполнители).
• Прочее: Оптоволоконный кабель для интернета, зажигалки (исторически использовался кремень, $SiO_2$), наждачная бумага, пакетики с силикагелем (осушитель) в коробках с обувью или электроникой.

Ответ: Предметы быта, содержащие кремний и его соединения, включают всю электронику (смартфоны, компьютеры), стеклянную и керамическую посуду, зеркала, окна, силиконовые формы для выпечки, кафельную плитку, цемент и кирпич в конструкции дома, косметику и зубную пасту, а также силиконовые герметики.