Химия Инфо

Кремний и его соединения

Кремний важен и для электроники, и для строительных материалов, но в этих областях используют разные вещества. Полупроводниковый кристалл Si, кварц SiO2, силикатное стекло и силиконовый полимер различаются составом и строением. Разобраться в названиях помогает переход от элемента к его оксиду и кислородным соединениям.

Кремний как элемент и простое вещество

Кремний Si — элемент с атомным номером 14, относящийся к 14-й группе. Кристаллический кремний — немолекулярное вещество с ковалентной пространственной сеткой; каждый Si связан с четырьмя соседними атомами Si.

Кристалл имеет серый цвет и металлический блеск, но по электронным свойствам кремний является полупроводником. Его проводимость зависит от температуры, примесей и структуры. Блеск не служит достаточным основанием назвать вещество металлом. Существуют также аморфные формы кремния.

В природе кремний встречается главным образом в соединениях — кремнезёме и силикатах. Кварц входит в состав многих горных пород; не любой природный песок представляет собой чистый SiO2. Чистота и состав сырья важны для расчётов и получения материалов.

Получение и реакции кремния

Технический кремний получают высокотемпературным восстановлением кремнезёма углеродом в электрической печи. Суммарный баланс:

SiO2 + 2C → Si + 2CO (высокая температура).

Для электронных приборов требуется дальнейшая глубокая очистка и управление составом кристалла. Одно уравнение восстановления не объясняет всех стадий получения полупроводникового материала.

При подходящем нагревании кремний окисляется кислородом:

Si + O2 → SiO2.

В горячем концентрированном растворе щёлочи возможен переход в силикат с выделением водорода. Один школьный суммарный баланс для натриевой системы:

Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2↑.

Степень окисления Si увеличивается из 0 до +IV. Соединения кремния не обязаны иметь одинаковые свойства только потому, что в большинстве рассматриваемых кислородных соединений он находится в +IV.

Диоксид кремния

SiO2 в кварце обозначает соотношение атомов в пространственной структуре, а не набор отдельных трёхатомных молекул. При обычных условиях это твёрдый кислотный оксид, который с водой непосредственно не образует кислоту.

В кварце Si окружён четырьмя O; каждый кислород связывает два Si. Поэтому на один Si в общем составе приходится два O, хотя ближайших кислородных соседей четыре. Сильные связи в сетке связаны с твёрдостью и высокой температурой плавления.

Отсутствие реакции с водой не отменяет кислотных свойств. При сплавлении со щёлочью:

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O (сплавление).

При высокой температуре кремнезём взаимодействует и с карбонатом натрия:

SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2↑.

Это образование силиката, а не растворение кварца в холодной воде. С обычной разбавленной HCl SiO2 не даёт аналогичной реакции. Особый случай — взаимодействие с фтороводородом; для водной среды с достаточным количеством HF суммарно:

SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O.

Состав фторсодержащих продуктов зависит от условий. Реакция объясняет воздействие HF на силикатные материалы, но не превращает SiO2 в обычный основный оксид.

Силикаты, кислоты и гель

Силикаты — многочисленная группа кислородных соединений кремния. Их структуры могут содержать отдельные тетраэдрические фрагменты, цепи, слои и пространственные сетки. Сведение всех минералов к единственной формуле Na2SiO3 неверно.

Na2SiO3 — состав метасиликата натрия. Растворы растворимых силикатов, называемые жидким стеклом, содержат разные силикатные частицы; их соотношение зависит от концентрации, pH и отношения кремнезёма к щёлочи. Нельзя считать любую такую жидкость раствором только одинаковых свободных ионов SiO32−.

Школьная формула H2SiO3 полезна для некоторых суммарных балансов, но не описывает универсальный молекулярный состав кремниевой кислоты или полученного геля. При подкислении силикатов возможны конденсация частиц и образование гидратированной кремнезёмной сетки.

Упрощённая школьная схема:

Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3↓.

Для геля используют также обобщённое обозначение SiO2·xH2O. Содержание воды и строение меняются, поэтому его массу нельзя точно рассчитывать как массу чистого неизменного вещества H2SiO3 без дополнительного условия. В разбавленных растворах существуют и молекулярные формы, например ортокремниевая кислота Si(OH)4; образование геля зависит от условий, а не от одного факта добавления кислоты.

Стекло, керамика и силиконы

Кварц — кристаллическая форма SiO2, кварцевое стекло — аморфный материал того же основного состава. Обычные силикатные стёкла содержат также компоненты других элементов, например Na и Ca; у них нет единственной универсальной «молекулы стекла».

Глины содержат алюмосиликатные минералы, используемые в керамике. При обжиге происходят химические и структурные изменения, а не только удаление свободной воды. Кремнийсодержащие компоненты важны и для цементных материалов. Силиконы — отдельный класс полимеров с кремний-кислородным скелетом и органическими группами; они не тождественны элементарному Si или кварцу.

Три разобранных примера

1. Доля кремния в SiO2

При Ar(Si) ≈ 28 и Ar(O) ≈ 16 молярная масса SiO2 около 60 г/моль:

w(Si) = 28 / (28 + 2 · 16) ≈ 0,467 = 46,7%.

Четыре ближайших кислородных соседа в структуре не означают формулу SiO4 для всего кварца: O являются общими для соседних тетраэдров.

2. Сплавление со щёлочью

Для полного превращения 6,0 г чистого SiO2 в Na2SiO3 по указанному уравнению:

n(SiO2) = 6,0 / 60 = 0,10 моль; m(NaOH) = 2 · 0,10 · 40 = 8,0 г.

Стехиометрическая масса безводного метасиликата при M ≈ 122 г/моль равна 12,2 г. Вода — второй продукт, поэтому массы исходных веществ не следует целиком приписывать соли.

3. Что можно рассчитать при подкислении?

В упрощённой модели 0,10 моль Na2SiO3 требуют 0,20 моль HCl и дают 0,20 моль NaCl:

m(HCl) ≈ 0,20 · 36,5 = 7,30 г; m(NaCl) ≈ 0,20 · 58,5 = 11,7 г.

Однако масса влажного силикатного геля по этим данным не определяется однозначно: неизвестно содержание воды. Это ограничение продукта, а не нарушение атомного баланса.

Частые ошибки

  • Путать Si, SiO2, силикат и силикон.
  • Называть кварц молекулярным веществом с отдельными SiO2.
  • Отказывать оксиду в кислотном характере только из-за отсутствия реакции с водой.
  • Распространять одну школьную формулу на все силикатные растворы и гели.

Проверь себя

  1. Почему четыре соседних O у Si в кварце согласуются с формулой SiO2?
  2. Какая реакция подтверждает кислотный характер SiO2, если он не реагирует с водой?
  3. Какие продукты даёт школьный баланс Na2SiO3 с HCl и что в нём упрощено?
  4. Сколько H2 соответствует полному превращению 0,050 моль Si по данной реакции с горячей щёлочью?
  5. Чем кварц отличается от кварцевого стекла при одинаковом основном составе?

Ответы с пояснениями

  1. Каждый O общий для двух Si: четыре связи на Si соответствуют двум O в пересчёте на один атом кремния.
  2. Образование силиката при сплавлении с NaOH. Кислотный оксид не обязан реагировать с водой.
  3. NaCl и продукт, условно записанный H2SiO3. Реальный гель имеет переменный гидратированный состав, а частицы могут конденсироваться.
  4. На один Si приходится два H2:

    n(H2) = 2 · 0,050 = 0,100 моль.

  5. У кварца упорядоченная кристаллическая структура, у кварцевого стекла нет такого дальнего кристаллического порядка.

Связанные темы и источники

Повтори кислотные оксиды, кристаллы и стёкла, карбонаты и соединения фосфора.

Сверка фактов: RSC: кремний и материалы, МГУ, раздел16.5, лекции МГУ2024. Состав силикатных растворов и гелей — первичные работы Iler и о конденсации кремниевой кислоты. Примеры и задачи авторские.