元素及其化合物 · 九 · 「硅 $(\ce{Si})$ 及其化合物」

单晶硅 $\ce{Si}$

1. 单晶硅的结构与金刚石的相似，为正四面体的立体网状结构。晶体中每个 $\ce{Si}$ 原子与其他 ${4}$ 个 $\ce{Si}$ 原子相连接

2. 单晶硅是带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性，在常温下化学性质不活泼

3. 单晶硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料

化学性质

1. 与非金属单质反应

   • $\ce{Si + 2F2 \xlongequal{} SiF4}$

   • $\ce{Si + 4HF \xlongequal{} SiF4 ^ +2H2 ^}$

   • $\ce{Si + 2NaOH +H2O \xlongequal{} Na2SiO3 + 2H2 ^}$

     $\ce{Si}$ 与 $\ce{Al}$ 都可以和 $\ce{NaOH}$ 反应生成 $\ce{H2}$，而且前者是非金属，后者是金属。在元素推断题中常出现

   • $\ce{Si + 2Cl2 \xlongequal{\Delta} SiCl4}$

   • $\ce{Si + O2 \xlongequal{\Delta} SiO2}$

   • $\ce{Si + C \xlongequal{高温} \underset{\text{金刚砂}}{SiC}}$

2. 与水反应

   • 野外制氢：$\ce{Si + H2O + 2NaOH \xlongequal{} Na2SiO3 + 2H2 ^}$

二氧化硅 $\ce{SiO2}$

1. 结构

   1. 杂化方式：$sp^3$ 杂化

   2. 在 $SiO_2$ 晶体中，每个硅原子均与 $4$ 个氧原子结合；每个氧原子与 $2$ 个硅原子结合

   3. 在 $SiO_2$ 晶体中硅原子与氧原子个数之比是 $1:2$

   4. 在 $SiO_2$ 晶体中，每个硅原子形成 $4$ 个共价键；每个氧原子形成 $2$ 个共价键

   5. 在 $SiO_2$ 晶体中，最小环为十二元环，有 $6$ 个硅原子和 $6$ 个氧原子

   6. 硅原子个数与 $Si-O$ 共价键个数之是 $1:4$ ；氧原子个数与 $Si-O$ 共价键个数之比是 $1:2$

   7. $SiO_2$ 晶体中并不存在 $SiO_2$ 分子

2. 物理性质

   • 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电

3. 化学性质

   $SiO_2$ 是一种酸性氧化物

   1. 与强碱反应： \ce{SiO2 + 2NaOH \xlongequal{} Na2SiO3 + H2O}（装 $\ce{NaOH}$ 溶液不用玻璃塞）

   2. 与唯一一种酸氢氟酸反应： \ce{SiO2 + 4HF \xlongequal{} SiF2 ^ + 2 H2O}（腐蚀玻璃、玻璃雕花）

   3. 与碱性氧化物反应：氧化硅与碱性氧化物反应，不与水反应（与水反应产物为硅酸，是沉淀，阻止反应进行）

   4. 与碱性盐反应

      • $\ce{SiO2 + Na2CO3 \xlongequal{高温} Na2SiO3 + CO2 ^}$（制作玻璃）

      • $\ce{SiO2 + CaCO3 \xlongequal{高温} CaSiO3 + CO2 ^}$（造渣反应）

   5. 与碳反应

      • $\ce{SiO2 + 2C \xlongequal{高温} Si + 2CO ^}$

      • $\ce{SiO2 + 3C \xlongequal{高温} SiC + 3CO ^}$

   6. 精炼

      1. $\ce{SiO2 + 4Mg \xlongequal{高温} Mg2Si + 2MgO}$

      2. $\ce{Mg2Si + 4HCl \xlongequal{} 2MgCl2 + SiH4 ^}$

      3. $\ce{SiH4 + 2O2 \xlongequal{} SiO2 + 2H2O}$（自然）

硅酸 $\ce{H2SiO3}$

• 白色胶状沉淀

• 弱酸性

  不使酸碱指示剂变色，酸性小于碳酸

• 不稳定性

  $\ce{H2SiO3 \xlongequal{\Delta} SiO2 + H2O}$

• 硅酸浓度大时在水中易聚合形成透明、胶冻状的硅酸凝胶，硅酸凝胶经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，成为“硅胶”

  硅胶是多孔状，吸附水分子能力强，常用作（食品级）干燥剂，或作催化剂的载体

• 向硅酸盐溶液中加入盐酸或通入 $\ce{CO2}$，可制得硅酸胶体（凝胶）或沉淀

  • $\ce{Na2SiO3 +2HCl \xlongequal{} H2SiO3(胶体) +2NaCl}$

  • $\ce{Na2SiO3 + CO2 + H2O \xlongequal{} Na2CO3 + H2SiO3 v}$

  制备硅酸的原理是“强酸制弱酸”，这一原理可用来设计酸性强弱比较的实验，如：证明盐酸 > 碳酸 > 硅酸

  

  • $\ce{CaCO3 + 2HCl \xlongequal{} CaCl2 + H2O + CO2 ^}$ 证明酸性：盐酸 > 碳酸

  • $\ce{NaHCO3}$ 饱和溶液用于除去 $\ce{CO2}$ 中的 $\ce{HCl}$，防止其挥发而干扰实验

  • $\ce{Na2SiO3 + CO2 + H2O \xlongequal{} Na2CO3 + H2SiO3 v}$ 证明酸性：碳酸 > 硅酸

  • 注意：该实验不能用于验证非金属性 $\ce{Cl>C>S}$ ，用于其要用最高价氧化物对应的水化物的酸性强弱来比较

硅酸钠 $\ce{Na2SiO3}$

最简单的硅酸盐

1. 白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，有很强的粘合性（所以装 $\ce{NaOH}$ 溶液不用玻璃塞）

2. 可以与酸（盐酸、碳酸等）反应，生成硅酸凝胶

3. 用途：制备硅胶，作木材、纺织品的防腐剂、防火剂