第一节、硅的知识点

1第一节、硅的知识点一、碳和硅比较碳和硅是元素周期表里ⅣA族的元素，并且是上下相邻，它们原子结构的共同点是最外层都是4个电子，但电子层数不同，如图所示：碳原子和硅原子都既不容易失电子又不容易得电子，主要通过共用电子对形成正四价的化合物。碳单质和硅单质的主要化学性质既有相似性又有差异性碳和硅都是亲氧元素，但硅的亲氧性强于碳的亲氧性，因此碳和硅在自然界中存在形式有所不同，硅元素在自然界中都是以含氧化合物的形态存在二、二氧化硅1．存在SiO2是硅的最重要的化合物。地球上存在的天然二氧化硅称为硅石，约占地壳质量的12%，其存在的形态有结晶形和无定形两种。石英晶体是结晶的二氧化硅，具有不同的晶型和色彩。石英中无色透明的晶体就是通常所说的水晶，具有彩色环带状或层状的称为玛瑙。沙子中含有小粒的石英晶体2．结构SiO2晶体具有多种晶型，其基本结构单元是如图所示的四面体，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O跟2个Si相结合。实际上，SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所构成的立体网状结构的原子晶体，因此，通常用SiO2来表示二氧化硅的组成，但并不存在单独的SiO2分子。[SiO4]四面体不仅存在于SiO2晶体中，而且存在于所有硅酸盐矿石中，构成了多姿多彩的硅酸盐世界的基本骨架SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着3．物理性质SiO2是坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的SiO2是无色透明的晶体4．化学性质（1）SiO2是酸性氧化物，在一定条件下能与碱性氧化物、强碱反应①与碱性氧化物反应：SiO2＋CaO高温CaSiO3②常温下，与强碱反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（在常温下反应进行得比较慢）SiO2＋2OH－===SiO32－＋H2O说明：玻璃中含有SiO2，实验室中盛NaOH等碱液的试剂瓶常用橡胶塞，而不用玻璃塞，这是因为该反应生成的Na2SiO3是一种矿物胶，日久能使瓶口与瓶塞发生黏合③特殊地，在高温下，SiO2能与纯碱、大理石反应：SiO2＋Na2CO3高温Na2SiO3＋CO2↑SiO2＋CaCO3高温CaSiO3＋CO2↑说明：上述两个反应是玻璃工业生产的主要原理2（2）弱氧化性SiO2中硅元素的化合物为＋4价，这是硅元素的最高化合价，因此具有一定的氧化性，如SiO2在高温下能被C、Mg等还原，制取粗硅：SiO2＋2C高温Si＋2CO↑SiO2＋2Mg高温Si＋2MgO（3）总的来说，SiO2的化学性质不活泼，唯一能与SiO2反应的酸只有弱酸氢氟酸（HF）：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O说明：①保存氢氟酸（HF）不能使用玻璃瓶，而应用塑料或橡胶瓶②应用：氢氟酸（HF）可用于刻蚀玻璃，在玻璃上雕刻花纹等③SiO2与氢氟酸反应生成物SiF4不是盐，所以SiO2不是碱性氧化物5．主要用途与危害性（1）SiO2的用途SiO2的用途很广，主要表现在：①制备高性能通讯材料的光导纤维②制备石英玻璃、石英表、石英钟③制造电子工业中的重要部件、光学仪器、高级工艺品、眼镜片、精密仪器、轴承、耐磨器皿等④建筑材料（2）SiO2的危害性在隧道开凿、石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘。人长期吸入含有SiO2的粉尘就会患硅肺病（旧称为矽肺病）3．物理性质SiO2是坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的SiO2是无色透明的晶体4．化学性质（1）SiO2是酸性氧化物，在一定条件下能与碱性氧化物、强碱反应①与碱性氧化物反应：SiO2＋CaO高温CaSiO3②常温下，与强碱反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（在常温下反应进行得比较慢）SiO2＋2OH－===SiO32－＋H2O三、硅酸（H2SiO3）（了解）1．硅酸的写法SiO2的对应水化物是硅酸，SiO2是硅酸的酸酐。与一般的酸相比，硅酸的组成与结构要复杂得多，常用化学式H2SiO3来简单地表示硅酸说明：①酸酐的定义：某酸脱去一分子或几分子水所剩下的部分称为该酸的酸酐。一般无机酸是一分子的该酸，直接失去一分子的水就形成该酸的酸酐，其酸酐中决定酸性的元素的化合价不变，如H2SO4、H2SO3、H3PO4、HNO3的酸酐分别为SO3、SO2、P2O5、N2O5②只有含氧酸才有酸酐，无氧酸没有酸酐2．硅酸的制取由于SiO2不溶于水，所以硅酸只能用间接的方法制取，一般常用可溶性硅酸盐与其他酸反应制得【实验4－1】硅酸的制取3Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓SiO32－＋2H+===H2SiO3↓注意：①硅酸不溶于水，不能用SiO2与水反应制取硅酸②硅酸的酸性比碳酸的酸性还弱，所以往可溶性硅酸盐溶液中通入CO2也可以制取硅酸：Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓SiO32－＋CO2＋H2O===CO32－＋H2SiO3↓③如前所述，SiO2＋Na2CO3高温Na2SiO3＋CO2↑，该反应在高温条件下进行，有利于CO2从体系中挥发出来，而SiO2为高熔点固体，不能挥发，所以反应可以进行，符合难挥发性酸酐制取易挥发性酸酐的原理；而上述反应“Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓”可以进行，是因为该反应是在溶液中进行的，符合复分解反应的原理，两者反应原理不矛盾3．硅酸的性质（1）物理性质硅酸为白色固体，难溶于水，不同浓度的硅酸聚合得到不同形式的胶体：①浓度较小的H2SiO3聚合形成胶体溶液——硅酸溶胶②硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝聚物——硅酸凝胶③硅酸经干燥脱水形成硅酸干胶——硅胶（2）化学性质①硅酸的酸性比碳酸的酸性还弱，所以在与碱反应时只能与强碱反应，如：H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2OH2SiO3＋2OH－===SiO32－＋2H2O②硅酸的热稳定性较弱，受热易分解为SiO2和水：H2SiO3△H2O＋SiO24．用途：硅胶表面疏松多孔，吸水能力强，常用作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可用作催化剂的载体硅酸与碳酸的比较3．物理性质SiO2是坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的SiO2是无色透明的晶体实验步骤在试管中加入3~5mLNa2SiO3溶液（饱和Na2SiO3溶液按1∶2或1∶3的体积比用水稀释），滴入1~2滴酚酞溶液，再用胶头滴管逐滴加入稀盐酸，边加边振荡，至溶液红色变浅并接近消失时停止。静置。仔细观察变化过程及其现象实验现象滴加酚酞溶液后，溶液显红色；滴加盐酸后，溶液的红色逐渐消失，生成软而透明的胶冻状的凝胶实验结论硅酸钠溶液显碱性，可与酸反应；硅酸为白色固体，难溶于水物质硅酸碳酸化学式H2SiO3H2CO3酸酐SiO2CO2制法Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓CO2＋H2O===H2CO3颜色与状态白色、粉末状无色液体，只存在于水溶液中水溶性不溶于水只存在于水溶液中44．化学性质（1）SiO2是酸性氧化物，在一定条件下能与碱性氧化物、强碱反应①与碱性氧化物反应：SiO2＋CaO高温CaSiO3②常温下，与强碱反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（在常温下反应进行得比较慢）SiO2＋2OH－===SiO32－＋H2O四、硅酸盐（了解）1．硅酸盐的含义由于硅酸有不同的组成，所以硅酸根离子的组成与结构也是复杂多样的，因此硅酸盐的组成和结构也是复杂多样的。通常把由硅、氧和金属组成的化合物统称为硅酸盐2．硅酸盐在自然界中的存在硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，自然界中存在各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的95%3．硅酸盐的物理性质硅酸盐绝大部分都难溶于水，常见的易溶于水的硅酸盐是Na2SiO3，Na2SiO3的水溶液叫水玻璃，是制造硅胶和木材防火剂等的原料。硅酸盐都有较高或很高的熔点4．硅酸盐的化学性质（1）硅酸盐有很强的热稳定性，即能耐高温（2）硅酸盐易跟酸发生反应由于硅酸是比碳酸还弱的酸，所以水玻璃易跟碳酸（CO2＋H2O）及更强的酸反应，生成难溶于水的硅酸，如：①通入少量的CO2：Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓SiO32－＋CO2＋H2O===CO32－＋H2SiO3↓②通入过量的CO2：Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2SiO3↓SiO32－＋2CO2＋2H2O===2HCO3－＋H2SiO3↓5．硅酸盐的主要用途（1）生产陶瓷、玻璃、水泥这些最为重要的无机非金属材料，都要用硅酸盐做主要原料（2）Na2SiO3可用作肥皂填料、木材防火剂及胶黏剂等6．硅酸盐的多样性Al与Si在元素周期表中位置相邻，离子大小相近，Al3+置换硅酸盐中部分Si，并引入其他正离子使化合物保持电中性，从而形成复杂多样的硅酸盐。硅酸盐种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用SiO2和金属氧化物的组合形式表示其组成，如：硅酸钠：Na2O·SiO2石棉：CaO·3MgO·4SiO2长石：K2O·Al2O3·6SiO2普通玻璃的大致组成：Na2O·CaO·6SiO2黏土的主要成分：Al2O3·2SiO2·2H2O水泥的主要成分：3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3注意：对于混合物，都没有固定的熔沸点，同样，由于硅酸盐中含有各种的金属和非金属化合物，所以大部分的硅酸盐都是混合物，一般没有固定的熔沸点五、硅单质（了解）1．硅元素在自然界中的存在（1）含量：在地壳中，硅的含量在所有元素中居第二位（质量分数为26.3%），仅次于氧（2）存在形态：自然界中无游离态的硅。硅的化合物几乎全部是二氧化硅和硅酸盐，它们广泛地存在于地壳的各种矿物和岩石中。硅是构成矿物和岩石的主要元素2．硅单质的物理性质和重要用途（1）物理性质：硅有晶体硅和无定型硅两种同素异形体。晶体硅的结构类似于金刚石。晶体硅呈灰黑色、有金属光泽，熔点、沸点很高，硬度大，有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料5（2）用途：晶体硅的用途广泛，可以用来制造晶体管、光电池，硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心3．硅单质的化学性质硅和碳是元素周期表里ⅣA族的元素，并且是上下邻居，它们原子结构的共同点是最外层是4个电子，但电子层数不同，碳原子和硅原子都既不容易失电子又不容易得电子，主要通过共用电子对形成正四价的化合物。碳单质和硅单质的主要化学性质既有相似性又有差异性常温下不活泼，除与氟气、氢氟酸和强碱外，一般不与其他物质反应Si＋2F2===SiF4Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑Si＋2OH－＋H2O===SiO32－＋2H2↑注意：能与NaOH溶液反应生成盐和H2的单质有Si和Al两种，但Al是两性金属，而Si不是两性非金属变式3．物理性质SiO2是坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的SiO2是无色透明的晶体4．化学性质（1）SiO2是酸性氧化物，在一定条件下能与碱性氧化物、强碱反应①与碱性氧化物反应：SiO2＋CaO高温CaSiO3②常温下，与强碱反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（在常温下反应进行得比较慢）SiO2＋2OH－===SiO32－＋H2O