Решебник по химии 9 класс Габриелян §24

Кремний и его соединения

Стр. 123

Вопрос

Если углерод — главный элемент живой природы, то кремний — главный элемент неживой природы. Почему?

Углерод считается основным элементом живой природы, потому что он является основой всех органических соединений, из которых построены клетки и ткани живых организмов. Благодаря своей способности образовывать прочные цепочки и кольца с другими атомами углерода, а также соединяться с водородом, кислородом, азотом и другими элементами, углерод формирует огромное разнообразие молекул: белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и прочие вещества, необходимые для жизни.

Кремний, напротив, является главным элементом неживой природы, потому что он входит в состав большинства минеральных образований земной коры. По распространённости в земной коре он занимает второе место после кислорода. Кремний образует прочные соединения с кислородом — оксид кремния (SiO₂) и многочисленные силикаты, которые составляют до 90% массы литосферы. Именно из этих соединений состоят песок, кварц, гранит, глина, слюда и многие другие горные породы.

Таким образом, углерод — основа живого благодаря своей органической химии, а кремний — основа неживого благодаря своей устойчивости, способности к образованию прочных пространственных структур и распространённости в горных породах.

Стр. 126

Лабораторный опыт 40

Соберите прибор для получения газов. Получите углекислый газ взаимодействием мрамора с соляной кислотой. Пропускайте углекислый газ через раствор силиката натрия. Что наблюдаете? Сравните силу угольной и кремниевой кислот.

При взаимодействии мрамора (CaCO₃) с соляной кислотой (HCl) происходит химическая реакция, в результате которой выделяется углекислый газ:

(CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O)

Выделившийся углекислый газ пропускают через раствор силиката натрия (Na₂SiO₃) — это водорастворимая соль кремниевой кислоты (H₂SiO₃).

Когда углекислый газ проходит через раствор силиката натрия, происходит реакция и выпадает осадок — это нерастворимая в воде кремниевая кислота:

(Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → H₂SiO₃↓ + Na₂CO₃)

Наблюдение: появляется белый студенистый осадок, который указывает на образование слаборастворимой кремниевой кислоты.

Вывод: кремниевая кислота — слабее угольной. Это объясняется тем, что угольная кислота (H₂CO₃) не может вытеснить кремниевую кислоту из её соли, а вот наоборот — может. То есть углекислый газ, образуя угольную кислоту в растворе, вытесняет кремниевую кислоту из силиката натрия.

Это наглядный пример сравнения кислот по силе: угольная кислота сильнее кремниевой.

Стр. 127

Проверьте свои знания

1. Запишите схему строения атома кремния и укажите степени окисления, характерные для кремния в соединениях. Приведите примеры таких соединений.

Кремний (Si) находится в IVА группе и в третьем периоде периодической системы. Его порядковый номер — 14. Это означает, что в атоме кремния 14 протонов и, в нейтральном состоянии, 14 электронов. Распределение электронов по энергетическим уровням такое:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²

Суммарная схема: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² или в сокращённой форме: 2e, 8e, 4e

Таким образом, на внешнем энергетическом уровне у кремния 4 электрона, и он может проявлять валентность IV. В соединениях кремний чаще всего проявляет степень окисления +4, реже +2.

Примеры соединений:

• При степени окисления +4: (SiO₂ — диоксид кремния (оксид кремния(IV)), H₂SiO₃ — кремниевая кислота, Na₂SiO₃ — силикат натрия, CaSiO₃ — силикат кальция)

• При степени окисления –4: (SiH₄ — силан, в нём кремний формально отдаёт электроны водороду, проявляя степень окисления –4)

2. Охарактеризуйте способы получения, свойства и применение кремния и его соединений. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.

Получение кремния

Чистый кремний получают в промышленности либо разложением силана (SiH₄), либо восстановлением соединений кремния. Например, восстановление оксида кремния(IV) при высокой температуре:

(SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO)

или

(SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑)

Также возможно получение силиката кальция при взаимодействии оксида кремния с карбонатом кальция:

(CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂↑)

Физические свойства кремния:

Чистый кремний — это твёрдое кристаллическое вещество серо-синего цвета с металлическим блеском. Обладает полупроводниковыми свойствами, плохо растворим в воде и кислотах, химически инертен при обычных условиях.

Химические свойства кремния

Кремний — малореакционноспособный элемент. При комнатной температуре он не взаимодействует с водой и большинством кислот, но реагирует с сильными окислителями:

(Si + 2F₂ → SiF₄)

(в присутствии кислорода: Si + O₂ → SiO₂)

С кислотами, как правило, кремний не взаимодействует, но растворяется в растворе плавиковой кислоты:

(SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O)

С щелочами кремний реагирует с образованием силикатов:

(SiO₂ + 2KOH → K₂SiO₃ + H₂O)

(K₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2KCl)

Применение кремния и его соединений

Кремний и его соединения имеют огромное промышленное значение. Чистый кремний применяется:

В электронике — для изготовления микросхем, процессоров, солнечных батарей (полупроводниковая промышленность).

В металлургии — как восстановитель.

В стекольной, керамической, цементной промышленности — как компонент сырья (кварц, песок).

В строительстве — в составе силикатных материалов (кирпич, цемент).

В медицине и косметике — в виде диоксида кремния (в мазях, зубных пастах).

В бытовой химии и текстиле — гели, силиконовые смазки, уплотнители и пр.

Оксид кремния (SiO₂) входит в состав кварца, песка, горного хрусталя, опала. Он образует прочные кристаллические решётки, устойчив к высоким температурам и химически инертен.

Кремниевая кислота (H₂SiO₃) в свободном виде не существует, но из её солей — силикатов — при действии кислот выделяется нерастворимый гель. Силикаты широко применяются в производстве стекла, керамики, цемента, строительных смесей.

Вывод: Кремний — это важнейший элемент в промышленности и электронике. Его соединения — силикатные материалы — используются повсеместно: от зданий и стекла до микросхем и солнечных батарей. Благодаря своим химическим и физическим свойствам кремний стал «ключом» к современным технологиям.

Стр. 127

Примените свои знания

3. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

SiO₂ → Si → Ca₂Si → SiH₄ → SiO₂ → K₂SiO₃ → H₂SiO₃ → SiO₂

Восстановление оксида кремния(IV) до кремния:

(SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO)

Получение силицида кальция (Ca₂Si):

(2Ca + Si → Ca₂Si)

Получение силана (SiH₄) из силицида кальция:

(Ca₂Si + 4HCl → 2CaCl₂ + SiH₄↑)

Окисление кремния до диоксида кремния:

(Si + O₂ → SiO₂)

Реакция оксида кремния с гидроксидом калия с образованием силиката:

(SiO₂ + 2KOH → K₂SiO₃ + H₂O)

Взаимодействие силиката калия с кислотой:

(K₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2KCl)

Разложение кремниевой кислоты при нагревании:

(H₂SiO₃ → SiO₂ + H₂O)

4. Почему щёлочи в лаборатории хранят не в стеклянных сосудах, а в полимерных упаковках?

Щёлочи (например, NaOH или KOH) активно взаимодействуют с стеклом, которое состоит в основном из силикатов натрия и кальция — соединений кремния. Щёлочь разъедает стекло, разрушая его структуру, особенно при длительном хранении. Поэтому при хранении концентрированных растворов щёлочей стеклянная тара не используется, чтобы избежать порчи посуды и утечки вещества.

Вместо стекла применяют полимерные материалы, устойчивые к действию щёлочей (например, полиэтилен, полипропилен), так как они инертны и не разрушаются под действием оснований.

5. Какой объём водорода (н. у.) образуется при взаимодействии 96 г кремния, содержащего 5 % примесей, с избытком раствора гидроксида натрия? Какое количество вещества гидроксида натрия потребуется для реакции?

1. Определим массу чистого кремния:

5 % примесей → 100 % – 5 % = 95 % кремния

(96 г × 0,95 = 91,2 г Si)

2. Реакция кремния с щёлочью:

(Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑)

1 моль Si (28 г) → 2 моль H₂ (2 × 22,4 л = 44,8 л)

Следовательно, 91,2 г Si → (91,2 / 28) × 44,8 ≈ 145,92 л H₂

3. Количество вещества NaOH:

На 1 моль Si требуется 2 моль NaOH:

(91,2 / 28) моль Si → (91,2 / 28) × 2 ≈ 6,514 × 2 ≈ 13,03 моль NaOH

Ответ: при реакции выделится примерно 145,92 л водорода (н. у.), потребуется 13,03 моль NaOH

6. Охарактеризуйте области применения кремния и его соединений. Перечислите предметы быта, домашнего обихода, при изготовлении которых использованы кремний и кремнийсодержащие вещества.

Кремний и его соединения находят широкое применение в науке, промышленности и быту.

Применение кремния:

• В электронике: чистый кремний используется для производства микросхем, процессоров, солнечных батарей, транзисторов.

• В металлургии: силиций применяют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах.

• В строительстве: песок (SiO₂) — основа для производства стекла, цемента, бетона, кирпича.

• В химической промышленности: силикаты натрия и калия — сырьё для клеев, моющих средств, силикатных красок.

• В быту: из силикатов делают моющее стекло, плитку, кафель, стеклянную посуду, термостойкую керамику.

• В медицине и косметике: диоксид кремния — компонент мазей, зубных паст, скрабов.

• В пищевой промышленности: оксид кремния используется как добавка-антислеживатель (Е551).

Предметы, содержащие кремний и его соединения:

• Стеклянная и фарфоровая посуда

• Строительные материалы (кирпич, цемент)

• Электроника (смартфоны, ноутбуки, микросхемы)

• Зеркала, окна

• Косметические средства

• Бытовая химия

• Солнечные панели

• Кварцевые часы

Кремний — один из важнейших элементов, благодаря которому возможны как современные технологии, так и повседневные удобства.

7. Выполните домашний эксперимент «Силикатный сад».

Реактивы и оборудование: соли — медный купорос, железный купорос (их можно приобрести в магазине товаров для сада и огорода), силикатный клей (1–2 тюбика), несколько баночек из бесцветного стекла (сколько солей возьмёте для опытов, столько нужно и баночек).

Ответ (отчёт об опыте «Силикатный сад»):

Для выполнения опыта были использованы следующие вещества:

– медный купорос (CuSO₄·5H₂O),

– железный купорос (FeSO₄·7H₂O),

– силикатный клей (раствор Na₂SiO₃),

– вода,

– стеклянные баночки.

Ход работы:

1. В отдельной посуде силикатный клей был разбавлен водой в соотношении 1:1.

2. Полученный раствор силикатного клея налит в стеклянные баночки (примерно на ¾ объёма).

3. В каждую баночку были помещены по 2–3 кристалла соответствующей соли:

– в первую — медного купороса,

– во вторую — железного купороса.

4. В течение нескольких дней велись наблюдения.

Наблюдения

Через 1–2 часа в зоне контакта кристаллов с силикатным раствором начиналось образование ярких «ростков».

— В растворе с медным купоросом появились синие «стволики», похожие на кораллы.

— В растворе с железным купоросом — зелёно-бурые «побеги», похожие на растения.

С течением времени «сад» разрастался вверх и в стороны. Это результат выпадения в осадок нерастворимых силикатов металлов.

Химические уравнения реакций:

(1) CuSO₄ + Na₂SiO₃ → CuSiO₃↓ + Na₂SO₄

(2) FeSO₄ + Na₂SiO₃ → FeSiO₃↓ + Na₂SO₄

Объяснение происходящего:

Когда соль металла контактирует с силикатным клеем, происходит реакция ионного обмена: образуется нерастворимый силикат металла, который оседает на кристалле. Осадок препятствует дальнейшему выходу ионов из кристалла, поэтому рост структуры продолжается вверх и в стороны. Пористые, трубчатые образования — это и есть «растения» силикатного сада.

Вывод:

Эксперимент показал, как легко в домашних условиях можно воспроизвести модель осадкообразования и наблюдать ионный обмен. Такой опыт наглядно демонстрирует химические свойства силикатов и их взаимодействие с солями металлов. Кроме научной ценности, он очень красив и может использоваться в учебных целях и для химического творчества.

Стр. 128

Выразите свое мнение

8. Как вы думаете, почему углерод называют главным элементом живой природы, а кремний — основным элементом неживой природы?

Углерод называют главным элементом живой природы, потому что он является основой всех органических соединений, из которых построены живые организмы. Благодаря способности образовывать прочные ковалентные связи с другими атомами углерода, а также с водородом, кислородом, азотом и другими элементами, углерод способен создавать длинные цепи, разветвлённые структуры и кольца — то есть сложные молекулы, такие как белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Именно эти соединения лежат в основе жизненных процессов — обмена веществ, наследственности, роста, движения и размножения.

Кремний, напротив, является основным элементом неживой природы, так как он входит в состав почти всех горных пород и минералов. Его соединения, особенно оксид кремния (SiO₂) и силикаты, составляют до 90 % земной коры. Кремний также способен образовывать прочные связи с кислородом, образуя пространственные структуры, которые формируют кристаллические решётки минералов — кварца, гранита, глины и др. Эти соединения устойчивы, твёрды и инертны — что делает кремний идеальным элементом для построения неорганических материалов литосферы.

Таким образом, углерод — основа органической жизни, а кремний — основа неорганического мира. Каждый из них играет свою уникальную роль в природе: углерод — в процессах живого, кремний — в структуре земной поверхности.