Кремний - Неметаллы

Цели урока. Рассмотреть формы существования кремния как химического элемента: атомы, простые вещества и важнейшие соединения. Сравнить их с соответствующими формами углерода. Показать значение кремния, диоксида кремния и силикатов в природе и жизни человека.

Оборудование и реактивы. Калькуляторы на солнечных батарейках (темно-серого цвета), образцы горных пород (гранита, базальта, гнейса), горного хрусталя, кварца, аметиста. «Растворимое стекло» (силикатный клей), НСl (р-р), пробирки.

I. Строение атома

Этот материал у учащихся не вызывает никаких затруднений:

Они указывают, что у кремния будут слабее, чем у углерода, выражены неметаллические (окислительные) и сильнее — металлические (восстановительные) свойства, и предложат значение степеней окисления и формулы соответствующих соединений.

II. Простые вещества

1. Кристаллический кремний — темно-серое со стальным блеском вещество, имеющее тетраэдрическую кристаллическую решетку (сходство с алмазом). Однако из-за большего радиуса атомов кремния по сравнению с таковыми у углерода ковалентные связи будут значительно слабее, легко разрушаются уже при обычных условиях и у кремния появляются свободные электроны, которые и обусловливают его полупроводниковые свойства. Хрупок.

2. Аморфный кремний — порошок бурого цвета, гораздо реакционно способнее кристаллического кремния. Следовательно, заключают ребята, для кремния, как и для углерода, характерно явление аллотропии.

Химические свойства кремния похожи на свойства углерода: он взаимодействует с металлами, горит в кислороде, соединяется с галогенами (учитель просит ребят записать уравнения соответствующих реакций), но в отличие от углерода прямо не соединяется с водородом, и SiH₄ получают косвенно, действуя на силициды кислотами или разлагая их водой. Кроме этого, кремний, в отличие от углерода, энергично реагирует со щелочами:

III. Кремний в природе

После кислорода кремний самый распространенный элемент на Земле. Однако в свободном состоянии кремний в природе не встречается.

Массивные горные породы (граниты, гнейсы, базальты) состоят из различных соединений кремния с кислородом и металлами. При механическом, и особенно при химическом, действии воды и углекислого газа происходит разрушение горных пород. Продукты разрушения относятся в море и отлагаются там в виде песка и глины, из которых, в свою очередь, получаются твердые породы: песчаники и глинистые сланцы. Таким образом, соединения кремния образуют толщу наружной оболочки Земли. Изучение этих соединений составляет существенный отдел минералогии, подобно тому, как углеродистые соединения изучаются в органической химии.

IV. Оксид кремния (IV)

В природе оксид кремния (IV) SiO₂ встречается главным образом в виде кварца. Наиболее чистым кварцем является горный хрусталь, прозрачные, бесцветные кристаллы которого имеют форму шестигранных призм с шестигранными пирамидами на концах. Горный хрусталь, окрашенный органическими веществами в буроватый цвет, называется дымчатым топазом, а оксиды марганца и железа в аметисте придают ему лилово-красный или розовый цвет.

Чистый песок состоит преимущественно из кварца. Кристаллы кварца вместе с полевым шпатом и слюдой составляют горную породу — гранит.

При высокой температуре (около 2000 °С) восстанавливается углем, при этом образуется карбид кремния:

Карбид кремния SiC в технике называется карборундом, он обладает высокой температурой плавления и большой твердостью, немного уступающей алмазу, благодаря чему применяется для изготовления точильных и шлифовальных камней.

Учитель просит учащихся заполнить таблицу на сравнение свойств SiO₂ и СO₂ (табл. 5).

Таблица 5. Сравнение оксида углерода (IV) и оксида кремния (IV)

Признаки сравнения	СO2	SiO2
1. Строение	Имеет молекулярную кристаллическую решетку	Имеет атомную кристаллическую решетку
2. Физические свойства	Газ — при обычных условиях, легко сжижается и затвердевает. В кристаллическом состоянии возгоняется. В воде растворим	Твердое, тугоплавкое, нелетучее вещество. В воде нерастворим
3. Химические свойства	Оба оксида — кислотные. 1. Взаимодействуют со щелочами
	2КОН + СO2 = К2СO3 + H2O (при обычных условиях)	2КОН + SiO2 = K2SiO3 + Н2O (при сплавлении)
	2. Взаимодействуют с основными оксидами
	СаО + СO2 = СаСO3 (при обычных условиях)	СаО + SiO2 = CaSiO3 (при сплавлении)
	3. С водой реагирует обратимо	С водой не реагирует SiO2 + Н2O ≠
	4. Восстанавливаются магнием:
	СO2 + 2Mg = 2MgO + С	SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si

V. Кремниевая кислота и силикаты

Учащиеся самостоятельно дают классификационную характеристику кремниевой кислоты.

Учитель лишь уточняет, что кремниевая кислота очень слабая, она даже слабее угольной. Ее получают в виде студенистого осадка, действуя какой-либо другой кислотой на раствор силиката:

В чистом виде кремниевую кислоту из этого осадка выделить не удается: при попытках удалить воду при помощи нагревания кремниевая кислота, как и угольная, распадается на оксид и воду:

Соли кремниевой кислоты называются силикатами.

Из силикатов растворимы в воде лишь соли натрия и калия (Na₂SiO₃, K₂SiO₃). Они по внешнему виду представляют стекловидную массу и потому получили название растворимого стекла, а водные растворы их — жидкого стекла. Жидкое стекло часто применяется для изготовления канцелярского клея, замазок, для пропитки пористых камней в строительном деле, для придания огнеупорности тканям (театральные декорации).