Валентность кремния – возможности, число валентных электронов

Важные соединения кремния

Оксид кремния (IV) SiO2 имеет атомное строение, высокий показатель твердости, тугоплавкий (плавится при температуре 1730 °С). Кислотный оксид, соответствует кремниевой кислоте.

Получают:

• в промышленности — нагреванием кремния в атмосфере кислорода:

Химические свойства SiO2:

• не растворяется в кислотах, реагирует только с плавиковой кислотой и газообразным фтороводородом:

На реакции с карбонатами основано получение оконного стекла — смесь из соды, известняка и белого песка прокаливают при температуре, равной 1500 °С: 

Кремниевая кислота и ее соли — силикаты.

Кремниевая кислота H2SiO3 — слабая, малорастворимая.

Кремниевая кислота реагирует только с сильными основаниями и их оксидами, образуя силикаты:

Силикаты, кроме Na2SiO3 и K2SiO3 (их называют жидким стеклом), нерастворимы в воде. Получают следующими методами:

• взаимодействие кремния, оксида кремния или кремниевой кислоты с щелочами:

• реакция растворимых силикатов с солями:

Силициды — это бинарные соединения кремния с металлами, в которых кремний имеет степень окисления -4. Тип химической связи — ионная.

Получают при сплавлении простых веществ или восстановлением смеси оксидов коксом в электропечах:

Вступают в реакцию:

Силан — это бинарное соединение кремния с водородом SiH4, ядовитый бесцветный газ.

Если к порошку силицида магния добавить разбавленную соляную кислоту, то на поверхности раствора образуются пузырьки силана. Они лопаются и загораются на воздухе.

Химические свойства силана:

    5. Карборунд SiC имеет атомный тип кристаллической решетки, сходный с алмазной. Твердый, плавится при температуре 2730 °С.

Получают по схеме:

Окисляется кислородом:

Применение кремния и его соединений — силикатная промышленность.

Кремний используют в металлургии — добавка к стали и другим сплавам; в электронике — изготовление полупроводниковых приборов, радиодеталей и солнечных батарей.

Кремний необходим для поддержания здоровья кожи, волос и ногтей. Кремний участвует в формировании костей, повышает эластичность и прочность кровеносных сосудов, что используется в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний. 

Диоксид кремния: 

• производство стекла, керамики, бетона и кирпича. Из керамики, помимо посуды и декоративных изделий, производят изоляторы для высоковольтных ЛЭП и другие изделия, используемые в технике и строительстве;
• чистый кварц используется в приборостроении;
• производство косметики: как эмульгатор и компонент против слеживания.

Силициды входят в состав жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов и высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Карбид кремния используют как абразив при затачивании резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней, а также в качестве имитации алмаза в ювелирном деле.  

Вяжущие строительные материалы

Вяжущие строительные материалы представляют собой вещества или смеси веществ, способные при смешивании с водой образовывать вязкую массу, которая постепенно затвердевает.

Одним из древнейших строительных материалов является известь. Различают негашеную известьCaO и гашеную известьCaO (негашеную известь) переводят в гидроксид («гасят» водой) и получают гашеную известь

Эта реакция протекает с выделением большого количества теплоты, что приводит к сильному разогреванию смеси (рис. 114). В результате образуется облако водяного пара, как при гашении костра водой. Поэтому данная реакция и называется «гашение извести». Гашеную известь в смеси с песком используют в качестве вяжущего строительного материала.

Другим примером вяжущих строительных материалов является цемент. Если его смешать с водой, то образуется тестообразная масса, которая через некоторое время затвердевает. Это свойство цемента и используется в строительном деле для скрепления, например, кирпичей при сооружении стен.

Из смеси цемента, песка и воды с добавлением мелкого щебня или гравия получают бетон. Если в бетон ввести каркас из железных стержней, то получается железобетон. Бетон и железобетон широко применяются в строительстве. Введение в бетон химических веществ определенного состава позволяет получать пенобетон, отличающийся легкостью, высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Важнейшим отличием бетона от известкового раствора является то, что при его затвердевании происходит поглощение воды.

Недавно ученые на основе фосфата магния разработали биобетон. Внешние панели из биобетона после постройки тут же начинают накапливать дождевую воду, становясь идеальной средой для развития лишайников и мхов. Это позволяет создавать вертикальные сады на стенах жилых зданий, реализуя концепцию экогородов (см. рис. вверху).

В качестве вяжущего материала используют также алебастр, который часто называют полуводным гипсом. Его формулу записывают следующим образом гипс

Какие вещества реагируют с соляной кислотой

В реакцию с соляной кислотой вступают следующие вещества:

• металлы, стоящие в электрохимическом ряду до водорода;

• неметаллы (фтор);

• основания;

• соли;

• оксиды различных металлов;

• органические соединения и биоорганические соединения.

Способность указанных выше веществ реагировать с хлористым водородом определяется их химическими свойствами. Так, например, неметаллы в виде фтора, за счет более высокого уровня электроотрицательной способности вытесняют хлор (компонент хлороводорода) из соединения, или основания (гидроксиды металлов), обладая выраженными основными свойствами, вступая в реакцию с хлороводором, образуют соли металлов (такое химическое превращение называется р. нейтрализации).

Отдельно стоит отметить взаимодействие хлороводорода с белками, которое каждые 1,5 часа (циркадные ритмы) происходит в желудке человека, с образованием аминокислот их хлорных соединений. Такое химическое превращение получило название кислотного гидролиза.

Электроотрицательность представляет собой способность атома перетягивать электронную плотность от других структур в химическом соединении. Соответственно, чем выше данный показатель у того или иного элемента периодической таблицы, тем больше будет выражена его способность перетягивать электронную плотность в веществе, и наоборот.

Электрохимический ряд потенциалов – это последовательное расположение металлов из таблицы Менделеева в порядке повышения их уровня электроотрицательности. Водород занимает в данной последовательности срединное положение. Металлы, расположенные до водорода, будут обладать меньшей способность удерживать электронное облако, то есть обладать более выраженными металлическими свойства, в результате чего хлор (составная часть HCl) будет проще взаимодействовать с подобными атомами.

Характерными признаки реакции хлороводорода с металлами, стоящими в ряду напряжения металлов до водорода, следующие:

выделение газа (в виде газа представлен H2);

образование осадка (в случае реакции со свинцом, соединение PbCl2 малорастворимое, и может выпадать в осадок при определенных условиях).

Классификация по видам

Классификация химической посуды по видам и форме включает в себя следующие приборы:

Кроме того, в каждой лаборатории есть целые наборы для проведения опытов. Опытный химик пользуется ими, чтобы ускорить работу. В наборе есть все необходимое для безопасного проведения опытов: тигельный сосуд, шпатель, палочка для извлечений веществ, трубки, щипцы для захвата колб и так далее.

Понятие о выходе продукта химической реакции

На практике при проведении химических реакций обычно получается несколько меньшее количество продукта, чем рассчитанное теоретически в соответствии с уравнением реакции. Это может происходить по нескольким причинам.

Многие химические реакции обратимы, т. е. протекают не до конца. Потери веществ могут быть также обусловлены их испарением, частичным растворением (ведь абсолютно нерастворимых веществ нет), потерями при упаривании или фильтровании растворов и т. п. Немаловажное значение имеет оборудование, с помощью которого осуществляется химическая реакция.

Для оценки полноты протекания процесса пользуются понятием выход продукта химической реакции. Оно подобно понятию «коэффициент полезного действия», которое применяется в физике для характеристики процессов преобразования и использования энергии, работы различных двигателей и механизмов.

Выход продукта химической реакции обозначается буквой греческого алфавита η (эта). Он представляет собой величину, равную отношению реально полученной, т. е. практической массы вещества теоретической массе

Выход продукта химической реакции — безразмерная величина, например: η(СаО) = 0,75, или 75 %.

Поскольку масса вещества пропорциональна его химическому количеству, то выход продукта реакции можно определять и как отношение соответствующих химических количеств вещества или объемов (для газов):

Например, если известно, что в реакции синтеза аммиака

выход продукта составляет 0,75 (η = 0,75, или 75 %), то это означает, что из азота массой 28 г (объемом 22,4 дм³ , химическим количеством 1 моль) мы получим аммиак массой не 34 г (объемом 44,8 дм³ , химическим количеством 2 моль), а массой 34 г³ , химическим количеством 1,5 моль).

Таким образом, выход продукта реакции — это величина, равная отношению реально полученной массы (химического количества, объема) вещества к массе (химическому количеству, объему) этого вещества, рассчитанной по уравнению реакции.

Величина выхода продукта реакции не может превышать 100 %. Если выход равен 100 %, то говорят, что реакция протекает количественно. В этом случае

Кроме выражения «выход продукта химической реакции», часто используют и более краткие формы этого понятия: «выход продукта», «выход реакции», «реакция протекает с 90 %-м выходом».

На практике часто приходится рассчитывать химическое количество, массу или объем продукта реакции, если его выход отличается от 100 %, или, наоборот, определять выход продукта реакции. Рассмотрим типы расчетов с использованием этого понятия.

Тип 1. Даны массы (объемы, химические количества) исходного вещества и продукта реакции. Требуется определить выход продукта реакции.

Пример:

При прокаливании гидроксида алюминия массой 93,6 г получен оксид алюминия массой 52,02 г. Определите выход продукта реакции

Дано:

Решение

1. Определяем молярные массы гидроксида и оксида алюминия:

2. Находим химические количества гидроксида и оксида алюминия:

3. Записываем уравнение реакции разложения гидроксида алюминия и производим расчет теоретического химического количества (х) и теоретической массы полученного оксида алюминия:

откуда получим: х = 0,6 моль. Это —

Тогда теоретическая масса оксида алюминия составит:

4. Определяем выход продукта реакции (двумя способами):

Ответ: выход продукта реакции равен 85 %.

Тип 2. Даны масса (объем, химическое количество) исходного вещества и выход продукта реакции. Требуется определить массу (объем, химическое количество) продукта реакции.

Пример:

Рассчитайте массу нитрата аммония  который может быть получен из аммиака объемом 4,48 м³ (н. у.) и необходимого количества азотной кислоты, если выход продукта составляет 90 %?

Дано:

V(NH3) = 4,48 м3 = 4480 дм3

η (NH4NO3) = 90 %

Решение 1.

Найдем химическое количество аммиака:

2. Составим уравнение реакции и рассчитаем теоретическое химическое количество

Ответ: практическая масса нитрата аммония равна 14,4 кг.

Тип 3. Даны масса (объем, химическое количество) продукта и выход продукта. Требуется определить массу (объем, химическое количество) исходного вещества.

Пример:

Определите объем (н. у.) водорода, который понадобится для получения аммиака объемом 13,44 м3 (н. у.), если его практический выход равен 20 %.

Дано:

Решение

1. Рассчитаем теоретический объем аммиака:

2. Составим уравнение реакции синтеза аммиака и рассчитаем объем (х) водорода:

Ответ: для синтеза аммиака потребуется водород объемом 100,8 м3

Выход продукта реакции — это величина, равная отношению реально полученной в результате реакции массы (химического количества, объема) вещества к массе (химическому количеству, объему) этого вещества, рассчитанной по уравнению реакции

Силикаты

Силикаты— это соли кремниевой кислоты.  Большинство силикатов нерастворимо в воде, кроме силикатов натрия и калия, их называют «жидким стеклом».

Способы получения силикатов:

1. Растворение кремния, кремниевой кислоты или оксида в щелочи:

H2SiO3 2KOH → K2SiO3 2H2O

Si 2NaOH H2O → Na2SiO3 2H2

SiO2 2KOH → K2SiO3 H2O

2.Сплавление с основными оксидами:

СаО     SiO2   →   CaSiO3

3.  Взаимодействие растворимых силикатов с солями:

K2SiO3 CaCl2    →    CaSiO3 2KCl

Оконное стекло (натриевое стекло) — силикат натрия и кальция: Na2O·CaO·6SiO2.

Стекло получают при сплавлении в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка CaCO3 и белого песка SiO2:

6SiO2 Na2CO3 CaCO3 → Na2O·CaO·6SiO2 2CO2

Для получения специального стекла вводят различные добавки, так стекло содержащее ионы Pb2 – хрусталь; Cr3 – имеет зеленую окраску, Fe3 – коричневое бутылочное стекло, Co2 – дает синий цвет, Mn2 – красновато-лиловый.

Соли кремниевой кислоты

Из солей кремниевой кислоты растворимы только силикаты щелочных металлов. Силикаты калия и натрия называют растворимыми стеклами, а их концентрированные водные растворы — жидким стеклом. Раньше жидкое стекло широко использовалось в качестве силикатного клея.

Концентрированный раствор силиката натрия применяется для пропитки деревянных изделий и тканей для придания им огнеупорных свойств. Приготовим две одинаковые полоски бумаги. Одну из них покроем тонким слоем жидкого стекла и высушим на воздухе. Затем одновременно внесем полоски в пламя спиртовки (рис. 111). Что при этом наблюдается?

Если в разбавленный раствор силиката натрия поместить несколько кристаллов окрашенных солей, то через некоторое время в растворе появятся длинные цветные нити в виде веточек. Получается силикатный «сад» (рис. 112). С особенностями протекания этого процесса вы можете познакомиться, если прочитаете дополнительную литературу.

Природные кремнеземы, силикаты и глина являются сырьем для силикатной промышленности.

 В составе силикатов часто встречается третий по распространенности в земной коре после кислорода и кремния элемент алюминий. В этом случае они называются алюмосиликатами. Их состав часто записывают в виде соединения оксидов. Например, состав калиевого полевого шпата выражается формулой каолинита — главной составной части глин — отвечает формуле

• Оксид кремния(IV) SiO2 является кислотным оксидом. При нагревании или сплавлении SiO₂ реагирует с основными оксидами, щелочами и некоторыми солями.
• Кремниевую кислоту H₂SiO₃ можно получить, действуя более сильными кислотами на растворы ее солей.
• Соли кремниевой кислоты называются силикатами.
• Концентрированные водные растворы силикатов калия и натрия называют жидким стеклом.

Стекло

Чаще всего мы сталкиваемся со стеклами, полученными на основе различных силикатов, поэтому в быту слово «стекло» употребляется для обозначения именно силикатных стекол.

Кроме красивого внешнего вида, стекло обладает низкой теплопроводностью и высокой прозрачностью, что позволяет использовать его для изготовления оконных стеклопакетов. При нагревании стекло легко вытягивается в тонкие, длинные нити, из которых изготавливают стекловату, стекловолокно и стеклоткани.

Стекольная промышленность Беларуси имеет давнюю историю. В 1717 г. в деревнях Налибоки и Янковичи (ныне Столбцовский район) по образцу Дрезденской мануфактуры Радзивиллы основали Налибокскую стеклянную мануфактуру, где изготавливались зеркала, подсвечники, художественная и бытовая посуда. В 1737 г.

в деревне Уречье (ныне Любанский район) была основана Уречская стеклянная мануфактура, которая выпускала изделия из бесцветного и цветного стекла. Эти мануфактуры существовали до середины XVIII в. В 1883 г. помещик Зенон Ленский построил в поселке Березовка (ныне Лидский район) мануфактуру, которая позже, в 1908 г., стала стеклозаводом «Неман», работающим и по сей день.

Стекло не является индивидуальным соединением, а представляет собой сплав нескольких веществ. Для получения стекла (как говорят на производстве, при «варке» стекла) в качестве исходных материалов используют

Часто при варке стекла для придания ему специфических свойств и окраски в исходную смесь добавляют разнообразные соли и оксиды.

• Стекло является экологически чистым материалом. Оно может подвергаться вторичной переработке, не загрязняя при этом окружающую среду.
• Основным источником сырья для производства строительных материалов являются природные соединения: песок, глина, известняк, силикаты и алюмосиликаты.
• К строительным материалам относятся стекло, керамика, вяжущие материалы.

Таблица валентности химических элементов (1 часть):

Таблица валентности химических элементов (2 часть):

Таблица валентности химических элементов (3 часть):

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента можно при этом выразить числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента.

Определенная таким образом валентность называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: так, в соединениях HCl, H2O, NH3, CH4 валентность по водороду хлора равна единице, кислорода – двум, азота – трём, углерода – четырём.

Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного соединения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента.

Определенная таким образом валентность называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3 валентность по кислороду калия равна единице, углерода – двум, азота – трём, кремния – четырём, серы – шести.

С точки зрения электронной теории валентность определяется числом неспаренных (валентных) электронов в основном или возбужденном состоянии.

Известны элементы, которые проявляют постоянную валентность. У большинства химических элементов валентность переменная.

Коэффициент востребованности 5 596

Таблица валентности химических элементов.

Чего не указано в таблице валентности, это то, что валентность элемента может быть постоянной и переменной.

Знание валентности элементов необходимы для правильного составления химических формул соединений.

Технология получения

В лабораторных условиях кремний получают:

• прокаливанием белого песка (оксид кремния IV) с металлическим магнием:

• восстановлением из оксида кремния IV с помощью алюминия:

Промышленные способы получения кремния:

Однако, такой кремний имеет примеси карбида кремния и не подходит для производства микросхем.

Продукт со степенью чистоты до 99,9% получают:

Химические свойства

При нормальных условиях кремний существует в виде атомного кристалла, поэтому химическая активность кремния крайне невысокая.

1. Кремний проявляет свойстваокислителя(при взаимодействии с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойствавосстановителя(при взаимодействии с элементами, расположенными выше и правее).

1.1. При обычных условиях кремний реагирует с фтором с образованием фторида кремния (IV):

Si    2F2  → SiF4

При нагревании кремний реагируетсхлором, бромом, йодом:

Si      2Cl2  →   SiCl4

Si       2Br2  →   SiBr4

1.2. При сильном нагревании (около 2000оС) кремний реагируетс углеродом с образованием бинарного соединения карбида кремния (карборунда):

C      Si  → SiC

При температуре выше 600°С взаимодействует с серой:

Si      2S   →  SiS2

1.3.Кремний не взаимодействует с водородом.

1.4.С азотом кремний реагирует в очень жестких условиях:

3Si   2N2  →  Si3N4

1.5.В реакциях сактивными металлами кремний проявляет свойства окислителя. При этом образуются силициды:

2Ca Si → Ca2Si

Si       2Mg   →    Mg2Si

1.6. При нагревании выше 400°С кремний взаимодействуетс кислородом:

Si      O2   →  SiO2 

2.Кремний взаимодействует сосложными веществами:

2.1. В водных растворахщелочейкремний растворяется с образованием солей кремниевой кислоты. При этом щелочь окисляет кремний.

Si       2NaOH      H2O   →   Na2SiO3      2H2

Видеоопыт взаимодействия кремния с раствором щелочи можно посмотреть здесь.

2.2.Кремний не взаимодействует с водными растворами кислот, но аморфный кремний растворяется в плавиковой кислоте с образованием гексафторкремниевой кислоты:

Si       6HF  →   H2[SiF6]       2H2

При обработке кремния безводным фтороводородом комплекс не образуется:

Si(тв.)       4HF(г.)   =   SiF4       2H2

С хлороводородом кремний реагирует при 300 °С, с бромоводородом – при 500 °С.

2.3. Кремний растворяется всмеси концентрированных азотной и плавиковой кислот:

3Si       4HNO3       12HF   →  3SiF4      4NO      8H2O

Химические свойства si

Определяются положением кремния в периодической системе Д.И. Менделеева и строением атома: электронная формула 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Проявляет степени окисления: -4, 0, 2, 4. Валентность: II и IV.

Окислительные свойства кремний проявляет в реакциях с активными металлами:

С водородом не реагирует, но при растворении силицидов в кислотах образуется силан:

Восстановительные свойства кремния. 

• галогены (Cl, Br, J) при нагревании, со фтором при комнатной температуре:

Электронное строение кремния

Электронная конфигурация  кремния восновном состоянии:

14Si 1s²2s²2p⁶3s²3p²    

Электронная конфигурация  кремния ввозбужденном состоянии:

14Si^* 1s²2s²2p⁶3s¹3p³    

Атом кремния содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома кремния — от -4 до 4. Характерные степени окисления -4, 0, 2, 4.