Крем­ний как хи­ми­че­ский эле­мент. На внеш­нем слое в атоме крем­ния 4 элек­тро­на (рис. 1).

Рис. 1. Элек­тро­ны в атоме крем­ния

Крем­ний – эле­мент тре­тье­го пе­ри­о­да, а зна­чит, ра­ди­ус его атома боль­ше, чем уг­ле­ро­да. От­сю­да сле­ду­ет, что внеш­ние элек­тро­ны крем­ния сла­бее при­тя­ги­ва­ют­ся к ядру, и его от­но­си­тель­ная элек­тро­от­ри­ца­тель­ность будет мень­ше, чем уг­ле­ро­да.

Крем­ний может про­яв­лять сте­пень окис­ле­ния -4 в со­еди­не­ни­ях с ме­тал­ла­ми. В боль­шин­стве осталь­ных со­еди­не­ний крем­ний про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +4 (рис. 2).

Рис. 2. Сте­пе­ни окис­ле­ния крем­ния

Свойства простого вещества кремния

Для крем­ния из­вест­ны две ал­ло­троп­ные мо­ди­фи­ка­ции. Наи­бо­лее устой­чи­вая ал­ло­троп­ная мо­ди­фи­ка­ция крем­ния имеет стро­е­ние, по­доб­ное ал­ма­зу, т. е. атом­ное стро­е­ние. Это ту­го­плав­кое, твер­дое, но хруп­кое ве­ще­ство, чер­но-се­ро­го цвета (рис. 3).

Рис. 3. Крем­ний

Хи­ми­че­ские свой­ства крем­ния во мно­гом по­доб­ны уг­ле­ро­ду. Для него ха­рак­тер­ны ре­ак­ции с кис­ло­ро­дом, га­ло­ге­на­ми и ме­тал­ла­ми. В от­ли­чие от уг­ле­ро­да, крем­ний не вза­и­мо­дей­ству­ет с во­до­ро­дом. Его во­до­род­ное со­еди­не­ние по­лу­ча­ют с по­мо­щью ре­ак­ции между си­ли­ци­дом маг­ния и со­ля­ной кис­ло­той.

Si + O₂ = SiO₂

Si + 2Cl₂ = SiCl₄

2Mg + Si = Mg₂Si

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄↑

Наи­бо­лее ха­рак­тер­ная сте­пень окис­ле­ния крем­ния +4. Рас­смот­рим свой­ства неко­то­рых со­еди­не­ний крем­ния, в ко­то­рых он про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +4.

Оксид кремния(IV)

Оксид крем­ния (IV), или крем­не­зем – ту­го­плав­кий, неле­ту­чий, прак­ти­че­ски нерас­тво­ри­мый в воде. Спе­ци­аль­но при­го­тов­лен­ный по­ро­шок ок­си­да крем­ния (си­ли­ка­гель) ис­поль­зу­ет­ся в ка­че­стве ад­сор­бен­та (рис. 4). Гра­ну­ли­ро­ван­ный си­ли­ка­гель ис­поль­зу­ет­ся для осуш­ки воз­ду­ха.

Рис. 4. Си­ли­ка­гель

По своей струк­ту­ре оксид крем­ния пред­став­ля­ет собой неор­га­ни­че­ский по­ли­мер, в ко­то­ром атомы крем­ния и кис­ло­ро­да, свя­зан­ные между собой, об­ра­зу­ют свое­об­раз­ные це­поч­ки, ленты и сетки. Этим и объ­яс­ня­ет­ся ту­го­плав­кость и твер­дость ок­си­да крем­ния.

В при­ро­де встре­ча­ют­ся мно­гие раз­но­вид­но­сти крем­не­зе­ма. Глав­ным об­ра­зом, это кварц, ко­то­рый из­ве­стен в виде обыч­но­го песка или круп­ных кри­стал­лов. Неко­то­рые раз­но­вид­но­сти квар­ца имеют осо­бые на­зва­ния: гор­ный хру­сталь, аме­тист, дым­ча­тый топаз, агат и яшма и дру­гие.

По хи­ми­че­ским свой­ствам оксид крем­ния – кис­лот­ный оксид, а зна­чит, он всту­па­ет в ре­ак­ции со ще­ло­ча­ми, при этом об­ра­зу­ют­ся си­ли­ка­ты. На­при­мер, при вза­и­мо­дей­ствии ок­си­да крем­ния с из­быт­ком гид­рок­си­да калия об­ра­зу­ют­ся си­ли­кат калия и вода

SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O

При сплав­ле­нии он вза­и­мо­дей­ству­ет с ос­нов­ны­ми ок­си­да­ми, на­при­мер с ок­си­дом каль­ция:

CaO + SiO₂ = CaSiO₃

В ряду спе­ци­фи­че­ских свойств ок­си­да крем­ния сле­ду­ет от­ме­тить его рас­тво­ре­ние в пла­ви­ко­вой кис­ло­те (по­сколь­ку оксид крем­ния яв­ля­ет­ся одной из со­став­ных ча­стей лю­бо­го стек­ла, эта ре­ак­ция на­зы­ва­ет­ся ре­ак­ци­ей «трав­ле­ния стек­ла»):

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O

Оксид крем­ния не вза­и­мо­дей­ству­ет с водой, но ему со­от­вет­ству­ет крем­ни­е­вая кис­ло­та H₂SiO₃.

Кремниевая кислота

Пра­виль­нее фор­му­лу крем­ни­е­вой кис­ло­ты сле­ду­ет за­пи­сы­вать так: SiO₂*nH₂O, т. к. она не имеет по­сто­ян­но­го со­ста­ва. Крем­ни­е­вая кис­ло­та нестой­кая и со вре­ме­нем раз­ла­га­ет­ся на оксид крем­ния и воду:

Н₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O

Соли крем­ни­е­вой кис­ло­ты – си­ли­ка­ты. Боль­шин­ство си­ли­ка­тов не рас­тво­ря­ет­ся в воде. Их стро­е­ние в ос­нов­ном сход­но со стро­е­ни­ем ок­си­да крем­ния. По­это­му си­ли­ка­ты тоже ту­го­плав­кие ве­ще­ства.

Так как крем­ни­е­вая кис­ло­та – очень сла­бая, то из своих солей она вы­тес­ня­ет­ся не толь­ко силь­ны­ми кис­ло­та­ми, но и уголь­ной кис­ло­той, ко­то­рая силь­нее ее:

Na₂SiO₃ + H₂O + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂SiO₃↓