Характеристика химического элемента кремния (Si)

1. Положение в ПСХЭ (Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева)

• Название элемента: кремний.

• Химический символ: Si.

• Порядковый номер: 14.

• Относительная атомная масса (Ar): 28,085 (приблизительно 28).

• Период: 3-й (малый).

• Группа: 14-я (IVА), главная подгруппа.

• Тип элемента: p-элемент.

• Характер элемента: неметалл (по свойствам относится к металлоидам, или полуметаллам).

• Заряд ядра атома: +14.

• Число протонов: 14.

• Число электронов: 14.

• Число нейтронов: 14 (у наиболее распространённого изотопа ²⁸Si).

• Высшая степень окисления: +4.

• Низшая степень окисления: −4.

• Валентность: преимущественно IV.

Кремний расположен в третьем периоде, поэтому его атом имеет три электронных слоя. На внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона.

2. Электронная и электронно-графическая формулы

Электронная формула кремния:

Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p².

Распределение электронов по энергетическим уровням:

2, 8, 4.

Это означает, что:

• На первом энергетическом уровне находятся 2 электрона.

• На втором энергетическом уровне — 8 электронов.

• На третьем энергетическом уровне — 4 электрона.

Электронно-графическая формула:

Орбитальная диаграмма атома кремния в основном состоянии.

На внешнем энергетическом уровне кремния находятся два спаренных электрона на 3s-подуровне и два неспаренных электрона на 3p-подуровне.

При возбуждении атома один электрон с 3s-подуровня переходит на свободную орбиталь 3p-подуровня:

3s¹ 3p³.

В результате образуются четыре неспаренных электрона, что соответствует характерной для кремния валентности IV.

3. Соединения кремния

Кремний образует соединения с кислородом, водородом, металлами и другими элементами.

1. Высший оксид кремния — SiO₂ (оксид кремния(IV)).

• Кремний проявляет степень окисления +4.

• Является кислотным оксидом.

• В природе встречается в виде кварца, входит в состав песка.

Химические свойства:

Взаимодействие со щелочами при нагревании:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O.

Взаимодействие с основными оксидами при нагревании:

SiO₂ + CaO → CaSiO₃.

2. Кремниевая кислота — H₂SiO₃.

• Очень слабая кислота.

• Малорастворима в воде.

• Неустойчива при нагревании.

Её можно получить при взаимодействии растворимого силиката с сильной кислотой:

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl.

При нагревании кремниевая кислота разлагается:

H₂SiO₃ → SiO₂ + H₂O.

3. Летучее водородное соединение — SiH₄ (силан).

• Представляет собой бесцветный газ.

• Является ядовитым и легковоспламеняющимся веществом.

• Кремний имеет степень окисления −4.

Реакция горения силана:

SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2H₂O.

4. Соли кремниевой кислоты — силикаты.

Примеры:

• Na₂SiO₃ — силикат натрия.

• K₂SiO₃ — силикат калия.

• CaSiO₃ — силикат кальция.

Силикаты применяются при производстве стекла, керамики, цемента и других строительных материалов.

5. Карбид кремния — SiC.

• Очень твёрдое вещество.

• Обладает высокой термостойкостью.

• Используется для изготовления абразивных материалов и в электронике.

Реакция получения:

SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑ (при высокой температуре).

Вывод

Кремний (Si) — химический элемент с порядковым номером 14, расположенный в 3-м периоде и 14-й группе Периодической системы. Его атом имеет 14 электронов, из которых 4 находятся на внешнем энергетическом уровне. Электронная конфигурация кремния — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p². Кремний проявляет преимущественно валентность IV, характерные степени окисления +4 и −4. Важнейшие соединения кремния: SiO₂, H₂SiO₃, SiH₄, силикаты и SiC. Кремний и его соединения широко применяются в строительстве, стекольной промышленности, металлургии и электронике.