Кремний и его соединения

Кремний — второй по распространённости элемент земной коры после кислорода: кварц, песок, глины, полевые шпаты — всё это соединения кремния. В отличие от углерода, кремний почти не образует цепей атомов друг с другом, зато прочно связывается с кислородом, поэтому в природе встречается только в виде диоксида и силикатов.

Кремний

Тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском, атомная решётка как у алмаза; полупроводник — основа микроэлектроники и солнечных батарей. При обычных условиях кремний малоактивен; при нагревании реагирует с кислородом, галогенами, углеродом, металлами. С кислотами не реагирует (кроме смеси плавиковой и азотной), а со щелочами — выделяет водород, что необычно для неметалла:

\[ \ce{Si + O2 ->[t^\circ] SiO2}; \qquad \ce{Si + 2Cl2 ->[t^\circ] SiCl4}; \qquad \ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^} \]

С магнием кремний образует силицид, который соляная кислота разлагает с выделением самовоспламеняющегося силана: \(\ce{Si + 2Mg ->[t^\circ] Mg2Si}\), \(\ce{Mg2Si + 4HCl -> 2MgCl2 + SiH4 ^}\).

Кремний получают восстановлением диоксида углём, магнием или алюминием, а чистый — восстановлением тетрахлорида: \(\ce{SiO2 + 2Mg ->[t^\circ] Si + 2MgO}\), \(\ce{SiCl4 + 2Zn ->[t^\circ] Si + 2ZnCl2}\).

Диоксид кремния

\(\ce{SiO2}\) — твёрдое тугоплавкое вещество с атомной решёткой (кварц, песок, кремнезём). Кислотный оксид, но с водой не реагирует. Со щелочами реагирует при сплавлении или кипячении с концентрированным раствором, с основными оксидами и карбонатами — при сплавлении, вытесняя летучий \(\ce{CO2}\). Из кислот реагирует только с плавиковой:

\[ \ce{SiO2 + 2NaOH ->[t^\circ] Na2SiO3 + H2O}; \qquad \ce{SiO2 + CaCO3 ->[t^\circ] CaSiO3 + CO2 ^}; \qquad \ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O} \]

Кремниевая кислота и силикаты

Кремниевая кислота \(\ce{H2SiO3}\) нерастворима в воде и выпадает в виде студенистого осадка; она слабее угольной, поэтому её вытесняют из силикатов любые кислоты, даже углекислый газ. При нагревании она теряет воду:

\[ \ce{Na2SiO3 + 2HCl -> H2SiO3 v + 2NaCl}; \qquad \ce{Na2SiO3 + CO2 + H2O -> H2SiO3 v + Na2CO3}; \qquad \ce{H2SiO3 ->[t^\circ] SiO2 + H2O} \]

Растворимы только силикаты натрия и калия; их концентрированный раствор называют жидким стеклом (клей, пропитка). Природные силикаты и алюмосиликаты — основа силикатной промышленности: стекла, керамики, цемента (раздел «Силикатная промышленность»).