Вопросы и задачи. Валентность кремния

Химия кремния и физическая химия силикатоа, Промстройиздат, стр.
Химия кремния характеризуется сложными пространственными каркасами с Кч 4 и 6, возникающими вследствие частичного разрыва кратных связей и новой гибридизации с участием d - состояний. Для фосфора способность к полимеризации менее ярко выражена, и прочность связей в полимерах меньшая; и то, и другое еще ниже для серы.
Химия кремния и физическая химия силикатов, Госстройпздат, 1950; 2 - е изд.
В химии кремния основным является способность его атомов образовывать прочные связи с атомами кислорода и нежелание соединяться друг с другом.
Отличие химии кремния от углерода в основном обусловлено большими размерами его атома и возможностью использования свободных Зй-орбиталей. Из-за дополнительного связывания (по донорно-акцепторному механизму) связи кремния с кислородом Si-О - Si и фтором Si-F (табл. 17.23) более прочны, чем у углерода, а из-за большего размера атома Si по сравнению с атомом С связи Si - Н и Si-Si менее прочны, чем у углерода. Атомы кремния практически не способны давать цепи. Из-за большего размера у атома Si слабо выражена и способность к л-перекрыванию, поэтому не только тройные, но и двойные связи для него малохарактерны.
Однако в химии кремния и фосфора есть один аспект, который существенно отличает их от углерода.
Практикум по химии кремния и физической химии силикатов, Изд-во Львовск.
Существенной особенностью химии кремния сравнительно с химией углерода является возможность вовлечения в связеобразова-ние Зй-орбиталей. Это приводит к увеличению валентных возможностей атома кремния. Теоретически максимальная ковалентность кремния может быть равна 9 против 4 у углерода. На практике, помимо валентности 4, встречаются шестиковалентные производные, в которых атом кремния находится в 5 / 73 2-гибридном состоянии. Однако для кремния наиболее характерны структуры, где атомы кремния имеют к. Кремний в отличие от углерода менее склонен образовывать кратные связи. Для кремния наиболее характерно дополнительное я - связывание в отличие от пр. Таким образом, в случае кремния л-связывание часто возникает за счет участия вакантных Зй-орби-талей и неподеленных электронных пар атомов партнеров. Так обстоит дело в соединениях кремния с азотом, кислородом, фтором и хлором.
Существенной особенностью химии кремния сравнительно с. Это приводит к увеличению валентных возможностей атома кремния. Теоретически максимальная ковалентность кремния может быть равна 9 против 4 у углерода. На практике помимо валентности 4 встречаются шестиковалентные производные, в которых атом кремния находится в sp3 (- гибридном состоянии. Однако для кремния наиболее характерны структуры, где атомы кремния имеют к.ч. 4 и находятся в зр3 - гибридном состоянии. Производные с sp - и р2 - гибридизацией атома кремния редки и, как правило, мало устойчивы. Кремний в отличие от углерода менее склонен образовывать кратные связи. Для кремния наиболее характерно дополнительное тГр - - связывание в отличие от 7Гр - р-взаимодействия для углерода Таким образом, в случае кремния связывание часто возникает за счет участия вакантных Зс. Так обстоит дело в соединениях кремния с азотом, кислородом, фтором и хлором.
Существенной особенностью химии кремния сравнительно с химией углерода является возможность вовлечения в связеобразование Srf-орбиталей. Это приводит к увеличению валентных возможностей атома кремния. Теоретически максимальная ковалентность кремния может быть равна 9 против 4 у углерода. На практике помимо валентности 4 встречаются шестиковалентные производные, в которых атом кремния находится в sp3 (- гибридном состоянии. Однако для кремния наиболее характерны структуры, где атомы кремния имеют к.ч. 4 и находятся в р3 - гибридном состоянии. Производные с sp - и 5 / 2-гибридизацией атома кремния редки и, как правило, мало устойчивы. Кремний в отличие от углерода менее склонен образовывать кратные связи. Для кремния наиболее характерно дополнительное TTp - rf - связывание в отличие от 7гр - р-взаимодействия для углерода. Таким образом, в случае кремния связывание часто возникает за счет участия вакантных 3 (/ - орбиталей и неподеленных электронных пар атомов партнеров. Так обстоит дело в соединениях кремния с азотом, кислородом, фтором и хлором.
Существенное отличие химии кремния от химии углерода обусловлено прежде всего относительно малой прочностью связей Si-Si. Поэтому цепочки из атомов Si разрываются гораздо легче, чем углеродные, особенно если имеется возможность образования наиболее характерной для кремния связи с кислородом. Прямым следствием является резкое уменьшение числа устойчивых кремниевых соединений по сравнению с углеродными.
Существенное отличие химии кремния от химии углерода обусловлено прежде Всего относительно малой прочностью связей Si-Si. Поэтому цепочки из атомов Si разрываются гораздо легче, чем углеродные, особенно если имеется возможность образования наиболее характерной для кремния связи с кислородом. Прямым следствием является резкое уменьшение числа устойчивых кремниевых соединений по сравнению с углеродными. Последнее в свою очередь косвенно отражается на сравнительном многообразии органического и минерального мира: 6 то время как отдельных видов живых организмов описано более миллиона, различных минералов известно только около трех тысяч.
Введение в химию кремния (Москва, 1934, 158) описывает возможность нанесения очень кислотостойкой эмали путем плавления лепидолита непосредственно на листе железа без предварительной грунтовки.
Наконец, для химии кремния имеет принципиальное значение большое сродство к кислороду, что обусловлено энергией связи атомов кремния с кислородом, которая превосходит энергию связи между атомами кремния в 2 5 раза. И не случайно земная кора более чем наполовину состоит из кремнезема SiO2, его гидратных форм xSiO2 - yH2O, различных силикатных и алюмосиликатных пород.

Наконец, для химии кремния имеет принципиальное значение большое сродство к кислороду, что обусловлено энергией связи атомов кремния с кислородом, которая превосходит энергию связи между атомами кремния в 2 5 раза. И не случайно земная кора более чем наполовину состоит из кремнезема S1O2, его гидратных форм xSiO2 - Н2О, различных силикатных и алюмосиликатных пород.
Наконец, для химии кремния имеет принципиальное значение большое сродство к кислороду, что обусловлено энергией связи атомов кремния с кислородом, которая превосходит энергию связи между атомами кремния в 2 5 раза. И не случайно земная кора более чем наполовину состоит из кремнезема ЗЮз, его гидратных форм а 81О2 уН2О, различных силикатных и алюмосиликатных пород.
Наиболее важным в химии кремния являются связи: кремний - кислород и кремний - углерод. Силиконовые продукты строятся на остове кремнийкислородных атомных групп (Si - О), подобно тому, как углеводороды образуют скелет из групп углерод - углерод. Кроме того, связь Si - С является более прочной и более стабильной при нагревании, особенно если органическая группа невелика и компактна.
На лекции по химии кремния был показан такой опыт.
Сборник задач по химии кремния и физической химии силикатов является учебным пособием к курсу Химия крем-ния и физическая химия силикатов для студентов химических факультетов и кафедр силикатных специальностей втузов.
Интенсивные исследования в области химии кремния и его соединений как в СССР, так и за рубежом позволяют считать, что указанные пробелы будут восполнены в ближайшее время. В результате этого, несомненно, будут получены новые данные, представляющие интерес для науки и техники.
Основные научные работы относятся к химии кремния.
Относительные скорости нуклеофильного замещения в некоторых алкиясиланах [ 55а ]. Реакции типа S vl в химии кремния встречаются крайне редко, если они вообще имеют место.
Существенные изменения в программе курса Химия кремния и физическая химия силикатов, внесенные в 1955 г., нашли определенное отражение и в построении плана нашей книги. Мы также сочли целесообразным раздел, посвященный химии кремния, вынести вперед, так как опыт чтения курса в новом порядке на силикатном факультете Ленинградского технологического института имени Ленсовета привел к положительным результатам как в отношении более широкого охвата ряда вопросов учащимися, так и повышения их интереса к собственно химическим разделам курса.
Развитие физической химии силикатов и химии кремния в последние годы значительно расширило наши представления о природе и строении различных силикатов, о их поведении в технологических процессах. Работы академика В. И. Вернадского в области геохимии, академика А. Е. Ферсмана в области исследования процессов минералообразования, академика Д. С. Белянкина в области минералогических и петрографических исследований силикатов, работы академиков И. Г. Гребенщикова и А. А. Лебедева в области изучения стекловидного состояния веществ, академика П. А. Ребиндера в области исследования глинистых суспензий и условий диспергирования различных веществ и ряда других ученых представляют собой ценнейший вклад в современную науку.
Химия бора во многом напоминает химию кремния: Бор и кремний близки по электроотрицательности, их гидроксиды являются слабыми кислотами, оксиды имеют высокие температуры плавления и термически весьма устойчивы. Поведение галогенидов бора и кремния и водородных соединений этих элементов обладает большим сходством. Такая аналогия свидетельствует о проявлении диагональной периодичности свойств.
Химия бора во многом напоминает химию кремния.
Химия бора во многом напоминает химию кремния; они близки по электроотрицательности, их гидроксиды являются слабыми кислотами, оксиды имеют высокие температуры плавления и очень устойчивы.
Химия германия сравнительно редкого элемента близка химии кремния, изложенной в гл.

Большое значение в современной технике приобретает химия кремния и, в частности, химия кремнийорганических соединений.
Вначале было организовано семь лабораторий: химии кремния (зав. Две лаборатории - физическая и кремнеорганических соединений - первое время не имели своих заведующих; работы в них консультировали чл.
Эти особенности определяют основные различия между химией кремния и химией углерода.
Относительные скорости нуклеофильного замещения в некоторых алкилсиланах f55a ]. Реакции типа S / / 1 в химии кремния встречаются крайне редко, если они вообще имеют место.
С развитием авиации и электротехники в истории химии кремния началась полоса открытий, в результате которых были созданы материалы, не существующие в природе. Кремнийорганические соединения обладают уникальными свойствами, которые отсутствуют у всех других веществ.
Химия германия, элемента довольно редкого, подобна химии кремния. С, и двуокись германия GeCb - бесцветное кристаллическое вещество, плавящееся при 1086 С.
Химия германия, элемента довольно редкого, подобна химии кремния. С, и двуокись германия Ge02 - бесцветное кристаллическое вещество, плавящееся при 1086 С.
Большая устойчивость связи Si-О налагает свой отпечаток на всю химию кремния.
Большая устойчивость связи Si-О налагает свой отпечаток на всю химию кремния. Само многообразие этих производных - природных силикатов - обусловлено именно прочностью связи Si-О - Si, играющей в химии кремния такую же основную роль, как связь С-С в органической химии. На современном этапе своего развития неорганическая химия кремния находится еще в зачаточном состоянии.
Аналогичные и обширные разделы общей химии составляют химия серы, химия кремния, химия бора и некоторых других элементов.
Химия кремнийорганических соединений основана, главным образом, на закономерностях химии кремния. Кремний обладает большой склонностью к образованию кислородных связен - силоксановых групп и содержащих их сложных полимерных соединений.
Химия кремнийорганических соединений основана, главным образом, на закономерностях химии кремния. Кремний обладает большой склонностью к образованию кислородных связей - силоксановых групп и содержащих их сложных полимерных соединений.
Из сопоставления свойств кремния и углерода можно сделать вывод, что химия кремния теснейшим образом связана с химией углерода - аналога кремния по периодической системе элементов, но говорить о полн ой аналогии соединения кремния с соединениями углерода ельзя.

С и О, в одиночные, что резко отличает химию углерода от химии кремния. Большое выделение энергии при образовании кратных связей в СО и СО2 также связано с особой (энергия корреляции) энергетической выгодностью образования кратных связей, что существенно для использования углерода как высокоэнергетического топлива.
Специфика свойств и особенности методов получения кремний-органических полимеров определяются в основном различиями в химии кремния и углерода. Кремний, как и углерод, обычно является четырехвалентным, однако в виде исключений он может проявлять валентность пять или шесть. Большие размеры атома кремния по сравнению с атомами углерода обусловливают существенные различия между ними. Во-первых, кремний резко образует неполярные связи и они обычно имеют более или менее ярко выраженный ионный характер. Во-вторых, величины энергии связи, образуемые кремнием и углеродом, существенно отличаются друг от друга.
Стереохимические правила, разработанные для химии фосфора , могут быть перенесены на химию кремния. Эти правила следующие, (а) Нуклеофил атакует, а уходящая группа отрывается из апикального положения, (б) Электроотрицательные заместители занимают предпочтительно апикальное положение, (в) Если атом кремния входит в четырех - или пятичленный цикл, то атакующая и уходящая группы вынуждены занимать одно апикальное и одно экваториальное положение.
Непрочность химических связей Si - Н и Si - Si составляет одно из главных отличий химии кремния от химии углерода.
Просветная карта. Зарегистрированы позиции под номерами 3. Пусть одна карта отвечает, например, органической химии, другая - химическому анализу, третья - химии кремния, четвертая - медицине. В каждой карте следует по шаблону проделать отверстия в клетках, соответствующих номерам книг или статей, в которых затрагиваются соответствующие вопросы.
Исследования в области химии силикатов в системе Академии наук СССР были начаты в 1933 г. в Лаборатории химии кремния, организованной И. В. Гребенщиковым, избранным в 1932 г. действительным членом АН СССР.
Изучение свойств отдельных изотопов кремния и образуемых ими соединений представляет собой одну из интереснейших и перспективных проблем химии кремния, к разрешению которой предприняты пока что лишь самые первые шаги.

«Основные типы химической связи» - Электроны. Ковалентная связь. Свойства ковалентной связи. Механизмы образования ковалентной связи. Взаимодействие атомов в химических соединениях. Заряженные частицы. Механизмы разрыва ковалентной связи. Насыщаемость. Связи. Na+Cl. Виды ковалентной связи. Координация. Ионная химическая связь. Параметры ковалентной связи.

«Типы и характеристики химических связей» - Свойства веществ с металлической связью. Ковалентная полярная. Типы химической связи. Водородная связь. Ионная связь. Ионные кристаллические решетки. Металлическая связь. Молекулярная и атомная кристаллические решетки. Вещества с молекулярной кристаллической решеткой. Ковалентная связь. Свойства веществ.

«Металлическая связь» - Механизм металлической связи. Металлический блеск Теплопроводность Электропроводность Ковкость (пластичность). Благодаря блеску, пластичности, твёрдости и редкости высоко ценились и ценятся человечеством. Объяснение ковкости. Наличием свободных электронов объясняются физические свойства металлов. Металлы золото, серебро, платина встречаются в самородном состоянии.

«Степени окисления соединений» - Составить формулы веществ. Оксид железа. Составить формулы бинарных соединений. Названия бинарных соединений. Возможные отрицательные степени окисления. Название. Определить степени окисления элементов в соединениях. Бинарное соединение. Степень окисления. Элемент. Степени окисления элементов. Положительная степень окисления.

«Типы химических связей» - Металлическая связь. Ионы. Типы химической связи. Атомный каркас обладает высокой прочностью. Образование межмолекулярной водородной связи. Схема образования ковалентной полярной связи: H* + Cl:=H: Cl: . Вещества с ионном связью, образуют ионную кристаллическую решетку. Вещества с молекулярной кристаллической решеткой.

«Ковалентная полярная связь» - Ряд электроотрицательности. Общие электронные пары. Алгоритм образования молекулы. Записать электронную и структурную формулы. Ковалентная полярная химическая связь. Число внешних электронов. Полюса. Усиление электроотрицательности. Упражнение. Электронные пары. ЭО в периоде и подгруппе. Элементы. Атомы.

Всего в теме 23 презентации

1. Сравните силу азотной, угольной и кремниевой кислот, а также степень и характер гидролиза их солей.

2. Сравните окислительно-восстановительные свойства углерода и кремния и проиллюстрируйте уравнениями реакций.

3. Обсудите термодинамику (энтальпию и энтропию) получения молекулярного углерода (С 2), кристаллизации кварцевого стекла, а также синтеза сероуглерода из простых веществ и предскажите (на качественном уровне) температурные условия для этих процессов.

4. Как разделить смесь окиси и двуокиси углерода и выделить каждый газ в чистом виде? Ответ проиллюстрируйте уравнениями реакций.

5. В трех газгольдерах находятся три разных газа: угарный, углекислый и сернистый. Предложите схему их идентификации и проиллюстрируйте уравнениями реакций.

6. Вычислите энтальпию диссоциации оксида углерода (II). Энтальпия ее образования составляет -110,54 кДж/моль, энтальпия сублимации графита 695 кДж/моль, энтальпия диссоциации кислорода 494 кДж/моль.

7. Предложите схему очистки углекислого газа от примесей водяного пара, сероводорода и оксида углерода. Ответ проиллюстрируйте уравнениями реакций.

8. Какова причина таутомерии синильной кислоты?

9. Имеется водный раствор синильной кислоты с рН =5. Определите рН раствора после его разбавления вдвое.

10. Вычислите рН 0,1 М водного раствора соды и 0,65%-ного водного раствора цианистого калия.

11. В четырех колбах находятся газы: CO, CH 4 , CO 2 и N 2 . Как определить, какой газ находится в каждой колбе?

12. Какая соль сильнее гидролизуется при одинаковых условиях – гидрокарбонат или карбонат натрия? Почему?

13.Как получить из кварцевого песка: 1) кремний, 2) тетрафторид кремния, 3) силикат натрия?

14. 1,5 г мрамора при действии на него соляной кислотой выделили при 17 о С и 100 кПа 210 мл оксида углерода (IV). Вычислить процентное содержание СаСО 3 в мраморе.

15. Какой объем ацетилена при нормальных условиях можно получить из карбида кальция, на образование которого пошло 5,6 г оксида кальция.

16. При пропускании 2 м 3 воздуха через раствор Са(ОН) 2 образовалось 3 г СаСО 3 . Каково содержание СО 2 в воздухе (г/л)?

17. Сколько надо взять поташа с содержанием 80% К 2 СО 3 , мела с содержанием 90% СаСО 3 и песка с содержанием 95% SiO 2 для получения 300 кг богемского стекла состава К 2 ОСаО6SiO 2 ?

18. Напишите уравнения следующих реакций

Cr(NO 3) 3 + Na 2 CO 3 (в водном растворе) 

Si + NaOH (в водном растворе) 

SiO 2 + HF (избыток, в водном растворе) 

CS 2 + O 2 (сжигание) 

CS 2 + Na 2 S 

Na 2 CS 3 + H 2 SO 4 

KCN + CO 2 (в водном растворе) 

HCOONa + KМnO 4 (в водном растворе) 

Be 2 C + H 2 O 

CaC 2 + H 2 O 

Олово, свинец

Программа

Олово и свинец: простые вещества, химическая активность, электронное строение.

Сравнение соединений олова (II) и свинца (II), олова (IV) и свинца (IV).

В химии олова и свинца, как и в химии сурьмы и висмута, главный интерес представляет сравнение их в основных валентных состояниях.

Для олова двухвалентное состояние не характерно, и его соединения являются сильными восстановителями:

3 2- + 2Bi 3+ + 6OH - = 3 2- + 2Bi

У двухвалентного же свинца (как и у трехвалентного висмута) сколько-нибудь заметная восстановительная активность отсутствует. Очевидно, что и здесь это определяется инертностью валентной 6s -электронной пары. Поэтому соединения свинца (IV) (как и висмута (V)) - сильные окислители:

5PbO 2 + 2Mn 2+ + 4H + = 5Pb 2+ + 2MnO 4 - + 2H 2 O

Четырехвалентное олово соответственно окислительной активностью не обладает.

С кислотно-основных позиций, соединения двухвалентных олова и свинца - амфотерны, с преобладанием (особенно у соединений свинца как более металлического элемента) основных свойств:

M(OH) 2 + 2H + = M 2+ +2H 2 O

M(OH) 2 + 2OH - = 2-

Преобладание основных свойств проявляется, в частности, в практически основном характере сульфидов двухвалентных олова и свинца. Даже SnS не растворяется в водном растворе сульфида аммония.

Соответственно, соли двухвалентных олова и свинца в водном растворе сильно гидролизованы. Соли олова (II) гидролизованы настолько сильно, что приготовить их растворы в чистой воде практически невозможно:

SnCl 2 + H 2 O = SnOHCl + HCl

Cоединения же четырехвалентного олова, в соответствии с возросшей степенью окисления олова, обладают практически кислотными свойствами, лишь с незначительной долей амфотерности. В водном растворе олово (IV) существует только в анионной форме. Оловянная кислота m SnO 2 n H 2 O, как и кремниевая, - соединение переменного состава. В химических реакциях ее обычно условно записывают в одной из двух форм: орто-форме H 4 SnO 4 (-оловянная кислота) и мета-форме H 2 SnO 3 (-оловянная кислота). Обе формы, разумеется, в воде практически не растворимы, однако -форма представляет собой свежеосажденный, рыхлый гидрогель с преобладанием оловых связей, с относительно невысокой степенью поликонденсации, с большой склонностью к пептизации и относительно высокой реакционноспособностью. Мета-форма же (она получается при старении орто-формы, особенно ускоряющимся при нагревании и сопровождающимся поликонденсацией с заменой оловых мостиков на оксоловые) пептизируется значительно труднее. Орто-форму можно получить нейтрализацией кислых или щелочных растворов комплексов четырехвалентного олова:

2- + 4OH - = H 4 SnO 4 + 6Cl -

2- +2H + = H 4 SnO 4 + 2H 2 O

Мета-форма обычно получается при повышенных температурах, например, при окислении олова горячей концентрированной азотной кислотой:

Sn + 4HNO 3 = H 2 SnO 3 + 4NO 2 + H 2 O

Гидролиз анионных комплексов олова (IV) протекает в меньшей степени, чем таковых для олова (II).

2- + H 2 O  - + OH -

Соли же олова (IV) по гидролизуемости практически не уступают аналогичным соединениям германия и кремния. Так, хлорид олова (IV) дымит на воздухе:

SnCl 4 + H 2 O  m SnO 2 n H 2 O + HCl

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кремний находится в третьем периоде IV группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы.

Кремний устойчив только в алмазоподобной (кубической) модификации. Тугоплавок - температура плавления равна 1415 o С и отличается высокой твердостью. Имеет темно-серый цвет и металлический вид. При комнатной температуре кремний является полупроводником. Графитоподобная модификация кремния неустойчива.

Валентность кремния в соединениях

Кремний — четырнадцатый по счету элемент Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Он находится в третьем периоде в IVA группе. В ядре атома кремния содержится 14 протонов и 14 нейтронов (массовое число равно 28). В атоме кремния есть три энергетических уровня, на которых находятся 14 электронов (рис. 1).

Рис. 1. Строения атома кремния.

Электронная формула атома кремния в основном состоянии имеет следующий вид:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 .

А энергетическая диаграмма (строится только для электронов внешнего энергетического уровня, которые по-другому называют валентными):

Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что кремний способен проявлять валентность II(Si II O).

Поскольку на третьем энергетическом слое помимо 3s-подуровня есть еще и 3p-подуровень, для атома кремния характерно наличие возбужденного состояния: пара электронов 3s-подуровня распаривается и один из них занимает вакантную орбиталь 3p-подуровня.

Наличие четырех неспаренных электронов свидетельствует о том, что для кремния также характерна валентность IV (встречается наиболее часто) (Si IV O 2 , H 2 Si IV O 3 , Si IV H 4 , Ca 2 Si IV , Si IV F 4 и др.).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1