Теория:
Кремний, будучи элементом IV группы, занимает центральное место в Периодической системе и проявляет переменную степень окисления (СО) в диапазоне от минимальной –4 до максимальной +4.
То есть кремний проявляет степень окисления в диапазоне −4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4.
Эта особенность обусловлена тем, что у него есть четыре валентных электрона, которые он может как отдать, так и принять.
СО = +4 является самой устойчивой, так как атом кремния стремится использовать все свои валентные электроны для создания прочных связей (часто используя d-орбитали).
Понимание степени окисления кремния необходимо для изучения структуры минералов и полупроводниковых материалов.
Степень окисления кремния определяется по тем же общим правилам, что и для других элементов.
Но с учётом его положения в Периодической системе и электронного строения.
Кремний проявляет переменные степени окисления от –4 до +4, но наиболее устойчивой является +4.
Кремний находится в 14-й группе (IVA) и 3-м периоде.
Высшая (максимальная) СО: равна номеру группы (IV) и составляет +4 (например, в SiO2). Это самая устойчивая степень окисления кремния.
Низшая (минимальная) СО: рассчитывается как 4 – 8 = –4 (например, в силицидах металлов, Mg2Si).
Примечание: правило «номер группы − 8» работает для p‑элементов главных подгрупп.
Валентный слой: 3s2 3p2 (четыре валентных электрона).
Для получения стабильной конфигурации кремнию либо нужно принять четыре электрона (СО = –4), либо отдать все четыре электрона (СО = +4).
Главное квантовое число (n = 3): наличие третьего уровня означает присутствие свободных 3d-орбиталей.
В основном состоянии кремний имеет только два неспаренных p-электрона (3s² 3p²), что соответствует валентности II.
При возбуждении электрон с 3s-орбитали переходит на свободную 3d-орбиталь, что даёт четыре неспаренных электрона (3s1 3p3).
Это позволяет кремнию проявлять валентность IV, а следовательно, и СО = +4.
Основное состояние: 3s23p2 → 2 неспаренных электрона (валентность II).
Возбуждённое состояние: 3s1 3p3 → 4 неспаренных электрона (валентность IV).
Вывод: возбуждение за счёт d‑орбиталей объясняет возможность СО = +4.
ЭО кремния (≈ 1,90) является относительно низкой. Это определяет знак СО в соединении:
СО = –4 (отрицательная): возникает, когда кремний связан с менее электроотрицательными элементами (активные металлы, например Mg2Si).
СО = +4 или +2 (положительная): возникает, когда кремний связан с более электроотрицательными элементами (например, кислород, SiO2).
Для определения СО в конкретном соединении используют правило: сумма всех СО равна нулю (для молекулы).
Пример: диоксид кремния (SiO2)
СО кислорода = –2.
СО кремния обозначим как x.
Составим уравнение: x + 2·(–2) = 0 x – 4 = 0 x = +4
Вывод: степень окисления кремния в SiO2 равна +4.
Кремний проявляет широкий диапазон степеней окисления (СО) от –4 до +4 благодаря сочетанию двух фундаментальных факторов: его положению в IV группе и среднему значению электроотрицательности.
Положение и электронная структура
Кремний находится в 14-й группе (IVA) и имеет четыре валентных электрона (3s2 3p2).
Обоснование: для достижения стабильной электронной конфигурации инертного газа (Аргона) атому кремния необходимо принять четыре электрона (дополнить октет).
Пример: СО = –4 достигается в соединениях с очень активными металлами, например в силицидах (Mg₂Si), где кремний принимает электроны.
Примечание: силициды — бинарные соединения кремния с металлами; степень окисления –4 типична для них.
Обоснование: кремний может отдать все четыре своих валентных электрона.
Механизм: чтобы иметь возможность отдать или разделить эти четыре электрона, кремний вступает в возбуждённое состояние, используя свои свободные 3d-орбитали для распаривания электронов (3s1 3p3), что даёт ему четыре неспаренных электрона.
Пример: СО = +4 проявляется в соединениях с наиболее электроотрицательными элементами, например в диоксиде кремния (SiO2).
Примечание: +4 — наиболее устойчивая степень окисления кремния.
СО = +2 встречается реже и достигается, когда кремний использует только два своих валентных электрона.
Пример: оксид кремния (II) — SiO.
Примечание: SiO существует в газовой фазе или в условиях высокого вакуума; в обычных условиях диспропорционирует.
Электроотрицательность кремния (≈ 1,90) является промежуточной, что позволяет ему быть и окислителем, и восстановителем:
Окислитель (принимает электроны) → СО = –4: при связи с элементами, электроотрицательность которых ниже 1,90 (металлы).
Восстановитель (отдаёт электроны) → СО = +4: при связи с элементами, электроотрицательность которых выше 1,90 (кислород, фтор).
| Примеры | Формула | С О |
|---|---|---|
| Силицид магния | Mg2Si | –4 |
| Оксид кремния(II) | SiO | +2 |
| Оксид кремния(IV) | SiO2 | +4 |
| Хлорид кремния(IV) | SiCl4 | +4 |
| Фторид кремния(IV) | SiF4 | +4 |
| Карбид кремния | SiC | +4 |
| Метакремниевая кислота | H2SiO4 | +4 |
| Метасиликат натрия | Na2SiO3 | +4 |
| Силан | SiH4 | –4 |
| Тетраметилсилан | Si(CH3)4 | +4 |
▶️ Дано:
Соединение SiH4 (силан).
⌕ Найти:
Определите степень окисления (СО) в соединении.
✨ Решение:
Известно, что степень окисления водорода (H) в соединениях с неметаллами равна +1.
В молекуле SiH4 — 4 атома водорода: общий вклад H = 4 × (+1) = +4.
Молекула нейтральна: сумма всех степеней окисления = 0.
Обозначим степень окисления кремния как x:
x + 4 = 0
Решаем уравнение:
x = −4
✅ Ответ:
Степень окисления кремния в SiH4 равна –4.
Кремний проявляет степени окисления: –4, 0, +2, +4.
+4 — наиболее типичная и устойчивая степень окисления. Она характерна для:
диоксида кремния (SiO2);
галогенидов (SiCl4, SiF4);
силикатов (Na2SiO3);
кремниевой кислоты (H2SiO3).
Кремний находится в IV группе (14‑й группе).
Высшая степень окисления = номеру группы = +4.
Низшая степень окисления = номер группы – 8 = –4.