元素及其化合物 · 九 · 「硅 $(\mathrm{Si})$ 及其化合物」

单晶硅 $\mathrm{Si}$

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 $\mathrm{Si}$ 原子与其他 $4$ 个 $\mathrm{Si}$ 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

   • $\mathrm{Si}+2\mathrm{F}{\phantom{A}}_2\stackrel{}{=}\mathrm{SiF}{\phantom{A}}_4$

   • $\mathrm{Si}+4\mathrm{HF}\stackrel{}{=}\mathrm{SiF}{\phantom{A}}_4\uparrow +2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\uparrow$

   • $\mathrm{Si}+2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\uparrow$

     $\mathrm{Si}$ 与 $\mathrm{Al}$ 都可以和 $\mathrm{NaOH}$ 反应生成 $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$，而且前者是非金属，后者是金属。在元素推断题中常出现

   • $\mathrm{Si}+2\mathrm{Cl}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{SiCl}{\phantom{A}}_4$

   • $\mathrm{Si}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2$

   • $\mathrm{Si}+\mathrm{C}\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\underset{\text{金刚砂}}{\mathrm{SiC}}$

2. 与水反应

   • 野外制氢：$\mathrm{Si}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{NaOH}\stackrel{}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\uparrow$

二氧化硅 $\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2$

1. 结构

   1. 杂化方式：$s{p}^3$ 杂化

   2. 在 $Si{O}_2$ 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 $Si{O}_2$ 晶体中硅原子与氧原子个数之比是 $1:2$

   4. 在 $Si{O}_2$ 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 $Si{O}_2$ 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. $Si{O}_2$ 晶体中并不存在 $Si{O}_2$ 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

   $Si{O}_2$ 是一种酸性氧化物

   1. 与强碱反应：$$\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{NaOH}\stackrel{}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\$\$（\mathrm{装}\$\mathrm{NaOH}\$\mathrm{溶}\mathrm{液}\mathrm{不}\mathrm{用}\mathrm{玻}\mathrm{璃}\mathrm{塞}）$$$$\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{HF}\stackrel{}{=}\mathrm{SiF}{\phantom{A}}_2\uparrow +2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\$\$（\mathrm{腐}\mathrm{蚀}\mathrm{玻}\mathrm{璃}、\mathrm{玻}\mathrm{璃}\mathrm{雕}\mathrm{花}）$$
   2. 与碱性盐反应
      • $\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{CO}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2\uparrow$（制作玻璃）
      • $\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{CaCO}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{CaSiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2\uparrow$（造渣反应）
   3. 与碳反应
      • $\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{C}\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{Si}+2\mathrm{CO}\uparrow$
      • $\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+3\mathrm{C}\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{SiC}+3\mathrm{CO}\uparrow$
   4. 精炼
      1. $\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{Mg}\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{Mg}{\phantom{A}}_2\mathrm{Si}+2\mathrm{MgO}$
      2. $\mathrm{Mg}{\phantom{A}}_2\mathrm{Si}+4\mathrm{HCl}\stackrel{}{=}2\mathrm{MgCl}{\phantom{A}}_2+\mathrm{SiH}{\phantom{A}}_4\uparrow$
      3. $\mathrm{SiH}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{}{=}\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$（自然）

硅酸 $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3$

• 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

  $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

• 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 $\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$，可制得硅酸胶体（凝胶）或沉淀

  • $\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{HCl}\stackrel{}{=}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3(\mathrm{胶}\mathrm{体})+2\mathrm{NaCl}$

  • $\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{CO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3\downarrow$

  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

  

  • $\mathrm{CaCO}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{HCl}\stackrel{}{=}\mathrm{CaCl}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2\uparrow$ 证明酸性：盐酸 > 碳酸
  • $\mathrm{NaHCO}{\phantom{A}}_3$ 饱和溶液用于除去 $\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$ 中的 $\mathrm{HCl}$，防止其挥发而干扰实验
  • $\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{CO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3\downarrow$ 证明酸性：碳酸 > 硅酸
  • 注意：该实验不能用于验证非金属性 $\mathrm{Cl}>\mathrm{C}>\mathrm{S}$ ，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 $\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3$

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 $\mathrm{NaOH}$ 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