Степень окисления кремния. Применение кремниевых соединений

Решение задач на составление уравнений окислительно-восстановительных реакций кремниевых соединений

Задание 387

Какую степень окисления может проявлять кремний в своих соединениях? Составьте уравнения реакций, которые надо провести для осуществления следующих превращений:

МgSi → SiH₄  → SiO₂  → K₂SiO₃  → Н₂SiO₃
При каком превращении происходит окислительно-восстановительная реакция?
Решение:
Для кремния в своих соединениях характерна степень окисления +4.
Уравнения реакций следующих превращений: 

МgSi → SiH₄  → SiO₂  → K₂SiO₃  → Н₂SiO₃

а) МgSi + 2H₂SO₄ → SiH₄ + 2MgSO₄;

б) Окислительно-восстановительной реакцией является реакция силана с водой. 
Здесь кремний увеличивает свою степень окисления от -4 до +4, т. е. проявляет свойство восстановителя, а водород уменьшает свою степень окисления от +1 до 0, т. е. Проявляет свойство окислителя;

в) SiO₂ + K₂CO₃ → K₂SiO₃ + CO₂↑₎;
г) K₂SiO₃ + H₂SO₄ → Н₂SiO₃ + K₂SO₄

Задание 388
Какое применение находит кремний? Составьте уравнения реакций, которые надо провести для осуществления следующих превращений: SiO₂ → Si → K₂SiO₃ → Н₂SiO₃
Окислительно-восстановительные реакции напишите на основании электронных уравнений.
Решение:
а) Применение кремниевых соединений

Кремний в больших количествах используется для получения динамной и трансформаторной стали, которые применяются для изготовления трансформаторов, электромоторов и генераторов. В химическом машиностроении применяют кремниевый чугун (15-17% Si), обладающий кислотоупорными свойствами. Ферросилиций служит добавкой в сталь при её выплавке, для удаления из неё кислорода (образуется SiO₂, который уходит в шлак). 
Особо чистый кремний применяют для изготовления полупроводниковых устройств (интегральные схемы, солнечные батареи и др.). Кварц используется для изготовления кварцевого стекла, выдерживающего нагревание до 1200 ⁰С и пропускающего ультрафиолетовое излучение. Изделие из кварца не растрескивается, даже если его нагреть до красного каления и, затем, опустить в холодную воду, благодаря ничтожно малому коэффициенту термического расширения.
Кристаллический кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами. Широко используются кварцевые ультразвуковые вибраторы и эталоны частоты.
Огромное применение имеет стекло. Из него изготавливают стеклянные изделия, оконное стекло, посуду, строительные материалы, стекловолокно, стеклоткань и др. изделия.
Из кремния изготавливают ситаллы – материалы, обладающие химической стойкостью и высокой механической прочностью. Их изготавливают из металлургического шлака. 
Цемент, керамика, огнеупоры, кирпичи, фаянс, фарфор, асбоцемент представляют собой материалы, содержащие оксид кремния. 
Силикат натрия применяют для огнезащитного покрытия деревянных изделий, в производстве силикатных материалов. Фторокремниевую кислоту используют качестве дезинфицирующего средства. 
Муллит – соединение в системе Al₂O₃ — SiO₂, устойчивое при высоких температурах.
Цеолиты используют в качестве селективных адсорбентов при очистке и осушке газов (природный газ) и органических жидкостей (углеводороды).
SiH₄ и SiCl₄ используют для получения кремнийорганических соединений, из которых получают каучукоgодобные материалы, выдерживающие длительное нагревание до 250 ⁰С и сохраняющие эластичность даже при -60 ⁰С, клей, огнеупорные лаки и эмали, водоотталкивающие вещества для пропитки тканей, силиконовые смазки, протезные пластмассы, электроизоляционные материалы.

б) Уравнения реакций, которые надо провести для осуществления следующих превращений: 

SiO₂ → Si → K₂SiO₃ → Н₂SiO₃

1) SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

Уравнения электронного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

2Mg⁰  + Si⁴⁺ = 2Mg²⁺ + Si⁰

Молекулярное уравнение реакции:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

В данной реакции магний увеличивает свою степень окисления от 0 до +2, т. е. проявляет свойства восстановителя, а кремний уменьшает свою степень окисления от +4 до 0, т. е. проявляет свойства окислителя.

2). Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂↑

Уравнения электронного баланса:

Ионно-молекулярное уравнение:

Si⁰  + 4H⁺ = Si⁴⁺ + 2H₂⁰

Молекулярное уравнение реакции:

Si + 2KOH + H₂O = K₂SiO₃ + 2H₂↑

В данной реакции кремний увеличивает свою степень окисления от 0 до +4, т. е. проявляет свойства восстановителя, а водород уменьшает свою степень окисления от + до 0, т. е. проявляет свойства окислителя.

3) K₂SiO₃ + H₂SO₄ = Н₂SiO₃ + K₂SO₄

В данной реакции кремний не изменяет свою степень окисления — реакция не является окислительно-восстановительной.