Степень окисления кремния (Si)

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.

Как определить степень окисления кремния

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.

Положение в Периодической Системе (Определение крайних СО)

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.

Электронная формула (обоснование +4 и –4)

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).

Квантовые числа (обоснование валентности IV)

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.

Электроотрицательность (ЭО)

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).

Расчёт по соединениям (практический метод)

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.

Почему степень окисления кремния -4 до +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).

Низшая СО (–4)

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.

Высшая СО (+4)

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.

Промежуточная СО (+2)

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.

Роль электроотрицательности

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 соединений кремния всех степеней окисления

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: