Соединения кремния

Водородные соединения кремния (Силаны)

Атом кремния способен образовывать соединения общей формулы $SiX_4$, взаимодействуя с галогенами и водородом, а также формировать структуры с цепочками связей $Si-Si$.

Водородные соединения образуют гомологический ряд, подобно алканам:

• Силан ($SiH_4$) является структурным аналогом метана ($CH_4$).
• Дисилан ($Si_2H_6$) представляет собой аналог этана ($C_2H_6$).

Несмотря на структурное сходство, химическая активность силанов значительно выше, чем у соответствующих углеводородов. Например, силан может самовоспламеняться при контакте с воздухом. Кроме того, он чрезвычайно активно реагирует с водой, тогда как метан взаимодействует лишь с водяным паром и только в очень жестких условиях.

Реакция гидролиза силана: $SiH_4 + 3H_2O = H_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$

Эта реакция интересна своими окислительно-восстановительными свойствами. Процесс протекает по механизму конпропорционирования, где водород выступает одновременно в роли окислителя и восстановителя:

• В молекуле силана ($SiH_4$) степень окисления водорода равна -1.
• В молекуле воды ($H_2O$) степень окисления водорода составляет +1.
• В результате образуется молекулярный водород ($H_2$) со степенью окисления 0.

Галогениды кремния и их гидролиз

Галогениды кремния также демонстрируют высокую реакционную способность. Практически все эти соединения подвергаются полному гидролизу в водной среде. Единственным исключением в этом ряду является фторид кремния ($SiF_4$), который ведет себя иначе.

Рассмотрим процесс на примере взаимодействия хлорида кремния с водой: $SiCl_4 + 4H_2O = H_4SiO_4 + 4HCl$

В ходе этой реакции происходит полное разрушение исходной молекулы с образованием ортокремниевой кислоты ($H_4SiO_4$) и выделением соответствующего галогеноводорода (в данном случае — хлороводорода).

Механизм реакционной способности: Кремний против Углерода

Химическая активность галогенидов кремния колоссально превосходит активность галогенидов углерода. Например, тетрахлорметан ($CCl_4$) абсолютно устойчив к действию воды.

Причина высокой активности кремния заключается в строении его электронной оболочки. Атом кремния имеет свободные $3d$-орбитали на валентном уровне, благодаря чему он способен выступать в роли акцептора электронных пар.

Механизм гидролиза галогенидов кремния протекает по следующей схеме:

1. Присоединение: Молекула воды выступает донором электронной пары (за счет атома кислорода) и атакует атом кремния, размещая электроны на его свободной $d$-орбитали.
2. Отщепление: От образовавшегося комплекса отщепляется молекула галогеноводорода ($HCl$).
3. Промежуточный продукт: Образуется частица, в которой один из атомов галогена замещен на гидроксильную группу ($OH$).
4. Цикличность: Процесс присоединения новых молекул воды и отщепления $HCl$ последовательно повторяется до тех пор, пока все атомы хлора не будут замещены (полный гидролиз).

Почему углерод так не может? У атома углерода на валентном уровне отсутствуют свободные орбитали (не существует $2d$-подуровня). Следовательно, молекула воды физически не может передать ему свою электронную пару для начала реакции. Именно эта невозможность реализовать механизм «присоединения-отщепления» объясняет полную инертность $CCl_4$ к гидролизу.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Окислительно-восстановительные реакции с участием силанов
• Ступенчатый механизм гидролиза галогенидов
• Свойства и строение структур со связями Si-Si
• Ортокремниевая и метакремниевая кислоты: условия образования

Другие темы раздела «Глава 12. Элементы группы IVA»

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