Номер 3, страница 59, часть 2 - гдз по химии 9 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

Кремний ($Si$) — химический элемент 14-й группы, 3-го периода периодической системы с атомным номером 14. В свободном виде существует в двух основных аллотропных модификациях:

• Аморфный кремний — это бурый порошок, обладающий большей химической активностью по сравнению с кристаллической формой.
• Кристаллический кремний — это тёмно-серое, очень твёрдое, но хрупкое вещество с металлическим блеском. Он имеет кристаллическую решётку атомного типа, аналогичную структуре алмаза.

Основные физические свойства кристаллического кремния:

• Агрегатное состояние при стандартных условиях: твёрдое.
• Температура плавления: $1414 o C$ ($1687 K$).
• Температура кипения: $3265 o C$ ($3538 K$).
• Плотность: $2,33 г/см^3$.
• Электропроводность: кремний является классическим полупроводником. Его электропроводность значительно возрастает при нагревании и при введении определённых примесей, в отличие от металлов, у которых проводимость с ростом температуры падает.

Ответ: Кремний — это твёрдое, тугоплавкое и хрупкое вещество, которое может быть в виде бурого порошка (аморфный) или тёмно-серых кристаллов с металлическим блеском (кристаллический). Ключевым свойством кремния является его способность быть полупроводником.

Химические свойства кремния

Положение кремния в 14-й группе (IVA) определяет наличие у него 4 валентных электронов. В химических реакциях он проявляет двойственность, выступая и как восстановитель, и как окислитель. Наиболее характерная степень окисления $+4$, но также возможны $-4, +2$. При обычных условиях кремний химически инертен, так как его поверхность покрыта тонкой и прочной плёнкой оксида $SiO_2$.

1. Восстановительные свойства (кремний отдаёт электроны)

• Реакция с кислородом при нагревании (сгорание):

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

  Здесь $Si^0$ является восстановителем, а $O_2^0$ — окислителем.

• Реакция с галогенами (со фтором реагирует при комнатной температуре, с остальными — при нагревании):

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

  $Si^0$ — восстановитель, $Cl_2^0$ — окислитель.

• Реакция с парами воды при высокой температуре:

  $Si^0 + 2H_2^{+1}o \xrightarrow{t} Si^{+4}O_2 + 2H_2^0\uparrow$

  $Si^0$ — восстановитель, $H^{+1}$ в воде — окислитель.

• Реакция с растворами щелочей:

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

  $Si^0$ — восстановитель, $H^{+1}$ в воде — окислитель.

2. Окислительные свойства (кремний принимает электроны)

• Реакция с активными металлами при нагревании с образованием силицидов:

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

  В этой реакции $Si^0$ является окислителем, а $Mg^0$ — восстановителем.

3. Особые реакции

• Кремний не реагирует с большинством кислот (включая концентрированные), но растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:

  $3Si^0 + 4HN^{+5}O_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[Si^{+4}F_6] + 4N^{+2}O\uparrow + 8H_2O$

  $Si^0$ — восстановитель, $N^{+5}$ в азотной кислоте — окислитель.

Ответ: Кремний проявляет окислительно-восстановительную двойственность: он является восстановителем в реакциях с кислородом, галогенами, щелочами, и окислителем — в реакциях с активными металлами. Химически инертен при обычных условиях, устойчив к действию большинства кислот.

Связь физических свойств с местоположением в периодической системе

Физические свойства кремния напрямую обусловлены его положением в 3-м периоде, 14-й группе периодической системы химических элементов.

• Атомная кристаллическая решётка, твёрдость и тугоплавкость: Находясь в 14-й группе, атом кремния имеет 4 валентных электрона. Это позволяет ему формировать четыре прочные ковалентные связи с соседними атомами, образуя гигантскую атомную кристаллическую решётку (аналогичную алмазу). Разрыв этих многочисленных и прочных связей требует большого количества энергии, что и объясняет высокую твёрдость, тугоплавкость и хрупкость кремния.
• Полупроводниковые свойства: Кремний находится в таблице Менделеева на диагонали, разделяющей металлы и неметаллы. В 3-м периоде он расположен между типичным металлом алюминием ($Al$) и типичными неметаллами фосфором ($\text{P}$) и серой ($\text{S}$). Такое пограничное положение определяет его полупроводниковый характер. Энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости у кремния не так велика, как у диэлектриков (неметаллов), но и не равна нулю, как у металлов.
• Металлический блеск: В 14-й группе сверху вниз (C → Si → Ge → Sn → Pb) происходит усиление металлических свойств. Углерод в форме алмаза — прозрачный диэлектрик, кремний и германий — полупроводники с металлическим блеском, а олово и свинец — типичные металлы. Металлический блеск кристаллического кремния является проявлением этой закономерности.

Ответ: Положение кремния в 14-й группе определяет его способность образовывать прочную атомную решётку, что делает его твёрдым, тугоплавким и хрупким. Его пограничное положение в 3-м периоде между металлами и неметаллами объясняет его полупроводниковые свойства и наличие металлического блеска.