Страница 102 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

Часть I

1. Строение атома кремния: $ \sideset{}{_{15}}\text{Si} \quad \square \overline{e}, \quad \square \overline{e}, \quad \square \overline{e} $.

1. Строение атома кремния:
Для определения строения атома кремния (Si) необходимо использовать данные из Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.
Кремний (Si) — это элемент 3-го периода, 14-й группы (главной подгруппы IV группы), его порядковый (атомный) номер равен 14. В условии задачи, вероятно, допущена опечатка, так как указан номер 15, который соответствует фосфору (P). Решение приведено для атома кремния, как указано в названии.
Атомный номер элемента равен числу протонов в ядре и, для нейтрального атома, числу электронов. Следовательно, в атоме кремния содержится 14 электронов ($14\bar{e}$).
Поскольку кремний находится в 3-м периоде, его электроны располагаются на трех энергетических уровнях (электронных оболочках). Распределим 14 электронов по этим уровням:
- На первом энергетическом уровне (n=1), который может вместить максимум 2 электрона, находится 2 электрона ($2\bar{e}$).
- На втором энергетическом уровне (n=2), который может вместить максимум 8 электронов, находится 8 электронов ($8\bar{e}$).
- Оставшиеся электроны ($14 - 2 - 8 = 4$) располагаются на третьем, внешнем энергетическом уровне (n=3). На нем находится 4 электрона ($4\bar{e}$).
Таким образом, распределение электронов по энергетическим уровням для атома кремния записывается как: 2, 8, 4.
Полная электронная конфигурация атома кремния имеет вид: $1s^22s^22p^63s^23p^2$.

Ответ: $2\bar{e}, 8\bar{e}, 4\bar{e}$.

2. Природные соединения кремния:

Диоксидные

1) _________

2) _________

3) _________

4) _________

5) _________

6) _________

полудрагоценные минералы

Силикатные

1) _________

2) _________

3) _________

содержат

4) _________ - не содержит Al

Решение

В данном задании необходимо заполнить пропуски, указав природные соединения кремния, которые делятся на две группы: диоксидные и силикатные.

Диоксидные соединения

В этой части перечисляются различные природные формы диоксида кремния ($SiO_2$), также известного как кремнезём.

1) Наиболее распространенная кристаллическая форма – кварц.

2) Распространенный сыпучий материал, состоящий в основном из зерен кварца – песок.

3) Бесцветная и прозрачная разновидность кварца, ценимая как полудрагоценный камень – горный хрусталь.

4) Фиолетовая разновидность кварца, также являющаяся полудрагоценным камнем – аметист.

5) и 6) В задании указано, что эти минералы являются полудрагоценными. К ним относятся скрытокристаллические разновидности кремнезёма, такие как агат (полосчатый халцедон) и яшма (окрашенная примесями порода).

Силикатные соединения

Здесь необходимо привести примеры силикатов – минералов, являющихся солями кремниевых кислот.

1), 2), 3) Согласно схеме, эти три минерала объединены общим свойством: они содержат некий элемент, название которого вписывается в 8 пустых клеток. Наиболее важную и обширную группу силикатов образуют алюмосиликаты, которые содержат алюминий. Это слово состоит из 8 букв и идеально подходит. В качестве примеров можно привести: глина (основной компонент – каолинит, $Al_2Si_2O_5(OH)_4$), слюда (например, мусковит, $KAl_2[AlSi_3O_{10}](OH)_2$) и полевой шпат (например, ортоклаз, $K[AlSi_3O_8]$).

4) Этот силикатный минерал, согласно условию, не содержит алюминий ($Al$), а его название состоит из 4 букв. Этим условиям полностью соответствует тальк. Его химическая формула – $Mg_3Si_4O_{10}(OH)_2$, он не содержит алюминия, а русское название "тальк" состоит из 4 букв.

Ответ:

Диоксидные

1) Кварц

2) Песок

3) Горный хрусталь

4) Аметист

5) Агат

6) Яшма

Силикатные

1) Глина

2) Слюда

3) Полевой шпат

(содержат алюминий)

4) Тальк

(не содержит Al)

3. Физические свойства кремния:

Кремний (Si) — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы IV группы), 3-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Это типичный неметалл, но по некоторым физическим свойствам он проявляет сходство с металлами.

Аллотропные модификации и внешний вид: Кремний существует в двух основных аллотропных модификациях.
1. Аморфный кремний — это бурый порошок, обладающий высокой химической активностью.
2. Кристаллический кремний — основная форма, представляет собой тёмно-серое, очень твёрдое и хрупкое вещество с металлическим блеском. Он имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решётку типа алмаза, где каждый атом кремния связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями.
Ответ: Кремний существует в аморфной (бурый порошок) и кристаллической (тёмно-серое хрупкое вещество с блеском) формах.

Механические свойства: Кристаллический кремний является очень твёрдым, но при этом хрупким материалом. Его твёрдость по шкале Мооса составляет 7,0, что сравнимо с твёрдостью кварца. Плотность кристаллического кремния при нормальных условиях составляет $2,329$ г/см³ (или $2329$ кг/м³).
Ответ: Плотность кремния — $2,329$ г/см³, твёрдость по шкале Мооса — 7,0; материал хрупкий.

Термические свойства: Кремний — тугоплавкое вещество. Его температура плавления равна $1414$ °C ($1687$ К), а температура кипения — $3265$ °C ($3538$ К). Теплопроводность кристаллического кремния составляет $149 \frac{Вт}{м \cdot К}$ при $300$ K, что является довольно высоким показателем для неметаллов.
Ответ: Температура плавления — $1414$ °C, температура кипения — $3265$ °C.

Электрические свойства: Кристаллический кремний является типичным полупроводником. Его электропроводность сильно зависит от температуры и концентрации примесей. У чистого кремния при комнатной температуре удельное электрическое сопротивление довольно велико, но с ростом температуры оно экспоненциально уменьшается. Ширина запрещённой зоны для кремния при комнатной температуре составляет примерно $1,12$ эВ. Именно это свойство делает кремний основным материалом для современной электроники: транзисторов, диодов, солнечных батарей и интегральных схем.
Ответ: Кремний — это полупроводник, чья электропроводность значительно увеличивается при нагревании и при введении примесей (легировании).

4. Химические свойства кремния.

1) ________ свойства

a) Реагирует с галогенами:

$Si + F_2 = \text{\_\_\_\_\_\_\_\_}$

$\uparrow \boxed{\bar{e}}$

б) Реагирует с кислородом при нагревании:

$Si + O_2 \to \text{\_\_\_\_\_\_\_\_}$

$\uparrow \boxed{\bar{e}}$

в) Реагирует со сложными веществами — сильными окислителями:

$Si + KOH + H_2O = K_2SiO_3 + \text{\_\_\_\_\_\_\_\_}$

2) ________ свойства

a) Реагирует с металлами при нагревании с образованием $\text{\_\_\_\_\_\_\_\_}$ :

$Si + Mg = \text{\_\_\_\_\_\_\_\_}$

$\uparrow \boxed{\bar{e}}$

б) С водородом прямо не взаимодействует, и $SiH_4$ — $\text{\_\_\_\_\_\_\_\_}$ получают косвенным путём:

$Mg_2Si + HCl = \text{\_\_\_\_\_\_\_\_}$

1) Восстановительные свойства

а) Реагирует с галогенами:

Решение: Кремний ($Si$) реагирует с фтором ($F_2$) с образованием тетрафторида кремния ($SiF_4$). В этой реакции кремний повышает свою степень окисления с 0 до +4, отдавая 4 электрона, и, следовательно, является восстановителем. Схема процесса окисления кремния: $Si^0 - 4\bar{e} \rightarrow Si^{+4}$. Уравнение реакции: $Si + 2F_2 = SiF_4$.

Ответ: Продукт реакции: $SiF_4$. Число электронов, отдаваемых атомом кремния: 4. Полное уравнение: $Si + 2F_2 = SiF_4$.

б) Реагирует с кислородом при нагревании:

Решение: При нагревании кремний ($Si$) взаимодействует с кислородом ($O_2$), в результате чего образуется оксид кремния(IV), также известный как диоксид кремния ($SiO_2$). Кремний выступает в роли восстановителя, отдавая 4 электрона и переходя в степень окисления +4. Схема процесса окисления: $Si^0 - 4\bar{e} \rightarrow Si^{+4}$. Уравнение реакции: $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$.

Ответ: Продукт реакции: $SiO_2$. Число электронов, отдаваемых атомом кремния: 4. Полное уравнение: $Si + O_2 \xrightarrow{t} SiO_2$.

в) Реагирует со сложными веществами — сильными окислителями:

Решение: Кремний растворяется в горячих концентрированных растворах щелочей, например, в гидроксиде калия ($KOH$). Это окислительно-восстановительная реакция, в которой кремний окисляется до силикат-иона ($SiO_3^{2-}$), а водород из воды восстанавливается, выделяясь в виде газа ($H_2$). Электронный баланс: $Si^0 - 4\bar{e} \rightarrow Si^{+4}$ | 1 (восстановитель) $2H^{+1} + 2\bar{e} \rightarrow H_2^0$ | 2 (окислитель) Сбалансированное уравнение: $Si + 2KOH + H_2O = K_2SiO_3 + 2H_2$.

Ответ: Пропущенный продукт реакции: $2H_2$. Полное уравнение: $Si + 2KOH + H_2O = K_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$.

2) Окислительные свойства

а) Реагирует с металлами при нагревании с образованием силицидов:

Решение: При взаимодействии с активными металлами, такими как магний ($Mg$), при нагревании кремний ($Si$) проявляет окислительные свойства. Он принимает 4 электрона, его степень окисления понижается с 0 до -4. Продукты таких реакций называются силицидами. В данном случае образуется силицид магния ($Mg_2Si$). Схема процесса восстановления кремния: $Si^0 + 4\bar{e} \rightarrow Si^{-4}$. Уравнение реакции: $2Mg + Si \xrightarrow{t} Mg_2Si$.

Ответ: Пропущенное слово: силицидов. Продукт реакции: $Mg_2Si$. Число электронов, принимаемых атомом кремния: 4. Полное уравнение: $2Mg + Si \xrightarrow{t} Mg_2Si$.

б) С водородом прямо не взаимодействует, и $SiH_4$ — силан — получают косвенным путём:

Решение: Водородное соединение кремния $SiH_4$ носит название силан. Силан не получают прямым синтезом из кремния и водорода. Один из способов его получения — реакция обмена между силицидами металлов и кислотами. При взаимодействии силицида магния ($Mg_2Si$) с соляной кислотой ($HCl$) образуются хлорид магния ($MgCl_2$) и силан ($SiH_4$). Уравнение реакции: $Mg_2Si + 4HCl = 2MgCl_2 + SiH_4\uparrow$.

Ответ: Пропущенное слово: силан. Продукты реакции: $2MgCl_2 + SiH_4$. Полное уравнение: $Mg_2Si + 4HCl = 2MgCl_2 + SiH_4$.