Валентность кремния (Si)

 Теория:

Валентность кремния (Si) — это способность образовывать в соединениях четыре (4) химические связи.

То есть: кремний всегда проявляет валентность, равную IV (четыре).

Причина валентности кремния, равной 4:

Кремний находится в 14-й группе периодической таблицы, и у него четыре валентных электрона на внешнем энергетическом уровне (3s²3p²).

Для достижения стабильной электронной конфигурации кремний обычно образует четыре ковалентные связи, обобществляя эти электроны.

Как определить валентность кремния

Определить валентность кремния (Si) можно несколькими способами:

✅По положению в Периодической таблице Менделеева:

Кремний (Si) находится в 14-й группе (или IV А группе по старой нумерации).

Для элементов главных подгрупп (s— и p-элементы) высшая валентность обычно равна номеру группы (для 14-й группы это 4).

В своих наиболее распространенных и стабильных соединениях кремний проявляет валентность IV.

✅По количеству валентных электронов / электронной конфигурации атома:

Атомный номер кремния — 14. Его электронная конфигурация:

1s²2s²2p⁶3s²3p².

На внешнем энергетическом уровне (3s и 3p) у него четыре валентных электрона.

Кремний чаще всего образует четыре ковалентные связи, обобществляя эти четыре электрона, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации (как у благородного газа аргона).

Это определяет его валентность IV.

✅По формулам его соединений (если известна валентность другого элемента):

SiO₂ (оксид кремния IV, кварц): Один атом Si связан с двумя атомами O. Поскольку кислород двухвалентен (II), то 1 × (валентность Si) = 2 × (валентность O) → 1 × X = 2 × 2 → X = 4.

Валентность кремния здесь IV.

SiH₄ (силан): Один атом Si связан с четырьмя атомами H. Поскольку водород одновалентен (I), то 1 × (валентность Si) = 4×(валентность H) → 1 × X = 4 × 1 → X = 4.

Валентность кремния здесь IV.

➡️Примечание: В некоторых редких соединениях, например, в монооксиде кремния (SiO), кремний может проявлять валентность II, но это менее характерно.

Почему валентность кремния 4 и 2

✅Почему валентность кремния чаще всего равна 4 (IV):

Положение в Периодической таблице: Кремний находится в 14-й группе (IV А группа). Это означает, что у него 4 валентных электрона (3s²3p²) на внешнем энергетическом уровне.

✅Возбужденное состояние: В основном состоянии у атома кремния два спаренных электрона на s-подуровне и два неспаренных на p-подуровне (3s²3p_x¹3p_y¹3p_z⁰).

Однако, при химическом взаимодействии один электрон с s-подуровня может «перескочить» на свободную p-орбиталь, переводя атом в возбужденное состояние (3s¹3p_x¹3p_y¹3p_z¹).

В этом состоянии у кремния появляется четыре неспаренных электрона.

✅Образование связей: Эти четыре неспаренных электрона позволяют атому кремния образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами.

Это наиболее энергетически выгодно, так как позволяет кремнию достичь стабильной электронной конфигурации (октет, как у инертных газов).

Примеры: Большинство распространенных соединений кремния, таких как оксид кремния(SiO₂), силаны (SiH₄), карбид кремния (SiC), силикаты, демонстрируют валентность IV.

Почему валентность кремния может быть 2 (II):

✅Не спаривание s-электронов: В некоторых случаях, особенно при высоких температурах или в соединениях, где стабильность октета достигается без участия всех четырех валентных электронов, кремний может образовывать только две ковалентные связи.

Это происходит, когда в образовании связей участвуют только два p-электрона, а два s-электрона остаются спаренными и не участвуют в образовании связей.

✅Энергетическая невыгодность: Соединения, где кремний проявляет валентность II, обычно менее стабильны и являются сильными восстановителями, так как стремятся перейти в более стабильное состояние с валентностью IV.

Пример: Наиболее известный пример соединения, где кремний двухвалентен, это монооксид кремния (SiO).

Он образуется, например, при восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах.

SiO является аморфным веществом и не так стабилен, как SiO₂.

 Пример решения, задача:

Дано:

Химическая формула соединения: SiC

Известная валентность углерода (C) в карбидах с металлоидами = IV

Найти:

Валентность кремния (Si) = ?

Решение:

Принцип баланса валентностей: В любом химическом соединении сумма валентностей всех атомов одного элемента должна быть равна сумме валентностей всех атомов другого элемента.

Расчет по формуле:

В формуле SiC у нас 1 атом кремния и 1 атом углерода.

Пусть валентность кремния будет X.

Суммарная валентность атомов кремния: 1 X.

Суммарная валентность атомов углерода: (валентность C = 4)

Приравниваем суммарные валентности: 1X(Si) = 4(С), по этому

Х(Si) = 4(C), то есть для создания баланса нужно 4 связи, поэтому между элементами стоит знак =, значит Х = 4.

Ответ:

Валентность кремния в карбиде кремния (SiC) равна IV.

 Часто задаваемые вопросы: