Химические свойства кремния

Общая реакционная способность

Кремний характеризуется ярко выраженной зависимостью химической активности от температурных условий окружающей среды. При обычной комнатной температуре это вещество отличается поразительной инертностью. В таких условиях кремний практически не реагирует с подавляющим большинством реагентов, сохраняя свою структуру неизменной.

Ситуация кардинально меняется при значительном нагревании. Когда температура достигает точки плавления, составляющей 1414 °C, кристаллическая решетка разрушается, и расплавленный кремний приобретает способность активно взаимодействовать с широким спектром химических элементов. В этом агрегатном состоянии он охотно вступает в химические превращения как с типичными металлами, так и с неметаллами. Отдельно стоит подчеркнуть, что среди всех возможных продуктов реакций особой устойчивостью отличаются именно кислородные соединения кремния.

Взаимодействие с простыми веществами и оксидами

Реакции с простыми веществами и оксидами металлов раскрывают широкие возможности этого элемента. Взаимодействия протекают по следующим направлениям:

• С углеродом (C): При контакте с углеродом в условиях высоких температур происходит синтез карбида кремния, также известного под тривиальным названием карборунд. Химическая формула этого соединения — SiC. Отличительной чертой карборунда является его колоссальная твердость, обусловленная тем, что пространственная структура этого вещества чрезвычайно близка к строению алмаза.
• С оксидами металлов: В реакциях с оксидами металлов, протекающих при значительном нагревании, кремний стабильно выступает в роли восстановителя.
• С металлами: Здесь возможны два принципиально разных варианта. С одними металлическими элементами кремний образует истинные химические соединения — бинарные фазы, получившие название силициды (характерным примером служит силицид магния, $Mg_2Si$). С другими же представителями металлов, такими как алюминий (Al) или серебро (Ag), химического взаимодействия с образованием новых веществ не происходит — в этом случае образуются лишь сплавы.

Отношение к кислотам и щелочам

Взаимодействие кремния с растворами кислот и оснований имеет ряд уникальных особенностей, которые требуют пристального внимания.

Реакции с кислотами: Ни одна отдельно взятая концентрированная кислота не способна вступить в реакцию с кремнием. Существует единственное важное исключение: растворение происходит исключительно в бинарной смеси концентрированной азотной ($HNO_3$) и плавиковой ($HF$) кислот. В ходе этого процесса образуется гексафторокремниевая кислота, а также выделяются оксид азота(II) и вода. Схема реакции выглядит следующим образом: $$Si + HNO_3 + HF \rightarrow H_2[SiF_6] + NO + H_2O$$

Реакции с растворами щелочей: Совершенно иная картина наблюдается при контакте с водными растворами щелочей. В этих условиях кремний легко вступает в реакцию, которая сопровождается интенсивным выделением водорода. Подобное химическое поведение демонстрирует удивительное сходство кремния с классическими амфотерными металлами, такими как цинк (Zn) или алюминий (Al). Уравнение реакции: $$Si + 2NaOH + H_2O = Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$$

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизм окислительно-восстановительной реакции со смесью азотной и плавиковой кислот.
• Сравнение пространственной структуры карбида кремния (карборунда) со структурой алмаза.
• Особенности образования и классификация бинарных соединений — силицидов.
• Причины особой устойчивости кислородных соединений кремния.
• Сравнение химического поведения кремния и типичных амфотерных металлов в щелочной среде.

Другие темы раздела «Глава 12. Элементы группы IVA»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.