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第二节 硅及其化合物
【基础考点梳理】
一．硅
1．硅晶体结构：
结构与金刚石晶体结构相同，是一种 晶体，键角 ，由于Si—Si键键长比C—C键键长长，所以晶体硅的熔、沸点比金刚石 。
2．硅的存在和物理性质：
存在：硅在地壳中的含量仅 ，居第 位。自然界中无游离态的硅，只以化合态存在，存在形式为SiO2和硅酸盐。
物理性质：具有金属光泽，灰黑色，熔沸点高，硬而脆，硅是良好的半导体材料。
3．硅的化学性质：
⑴ 与单质反应 Si + O2 Si + F2
⑵ 与氧化物反应 Si + FeO
⑶ 与酸反应 Si + HF 与其它常见酸不反应。
⑷ 与强碱溶液反应 Si + NaOH + H2O
二．二氧化硅
1．晶体结构：原子晶体，晶体中每个硅原子与 个氧原子形成 个共价键，而每个氧原子与 个硅原子形成 个共价键，故晶体中硅、氧原子的个数比为1∶2，所以“SiO2”是二氧化硅的化学式。晶体中无单个分子。
2．物理性质：熔沸点高，硬度大，不溶于水。
3．化学性质：
⑴ 具有酸性氧化物的通性：
CaO + SiO2 （炼铁造渣）
SiO2 + 2NaOH =
⑵ 弱氧化性：SiO2+ 2C SiO2+ 3C
⑶ 特性：SiO2+ 4HF＝ （HF能腐蚀玻璃）
4．用途：
⑴ SiO2是制造光导纤维的主要原料
⑵ 石英制造石英玻璃、石英电子表、石英钟等。
⑶ 水晶常用来制造电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品。
⑷ 石英砂常用作制玻璃。
⑸ 危害：在隧道开凿、石英粉加工等工厂环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（矽肺病）
三．硅酸
1．硅酸的性质：
硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，容易分解。
H2SiO3
H2SiO3 + NaOH =
原硅酸（H4SiO4），白色胶状，不溶于水，不稳定，易失水。H4SiO4＝
硅酸和原硅酸的酸酐都是 。
2．硅酸的制法：
SiO2 + NaOH ＝
Na2SiO3 + 2HCl ＝
也可以写成Na2SiO3 + 2HCl+ H2O ＝
Na2SiO3 + CO2 + H2O = （证明硅酸酸性比碳酸弱）
四．知识网络
基础考点梳理答案：
一、
1．原子 109018’ 低
2．次于氧 二
3．⑴Si + O2 SiO2 Si + 2F2=SiF4
⑵Si + 2FeO SiO2+2Fe
⑶Si + 4HF= SiF4+2H2
⑷Si + 2NaOH +2H2O=Na2SiO3+2H2↑
二、
1．4 4 2 2
3．⑴ CaO + SiO2 CaSiO3
SiO2 + 2NaOH =Na2SiO3+H2O
⑵ SiO2+ 2C Si+2CO SiO2+ 3C SiC+2CO
⑶ SiO2+ 4HF＝SiF4+2H2O
三． ⑴ H2SiO3 SiO2+H2O
H2SiO3 +2NaOH = Na2SiO3+2H2O
SiO2
⑵SiO2 +2NaOH ＝Na2SiO3+H2O
Na2SiO3 + 2HCl ＝2NaCl+H2SiO3↓
也可以写成Na2SiO3 + 2HCl+ H2O ＝2NaCl+H4SiO4↓
Na2SiO3 + CO2 + H2O =Na2CO3+H2SiO3↓
【解题方法规律技巧大放送】
1、二氧化硅与干冰对比
物质 二氧化硅 干冰
化学式 SiO2 CO2
晶体类型 原子晶体 分子晶体
主要物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体不溶于水 熔沸点低，常温下为气体，微溶于水
化学性质 ①与水反应 不反应 CO2 + H2OH2CO3
②与酸反应 SiO2 + 4HF＝SiF4↑+ 2H2O 不反应
③与碱反应 SiO2 + 2NaOH＝Na2SiO3 + H2O盛碱液的试剂瓶用橡皮塞 CO2 + 2NaOH＝Na2CO3 + H2O或CO2 + NaOH＝NaHCO3
④与盐反应 SiO2 + Na2CO3Na2SiO3 + CO2↑SiO2的难挥发性 Ca(ClO)2+CO2+H2O＝CaCO3↓+2HClOCO2 + Na2CO3 + H2O＝2NaHCO3
⑤与碱性氧化物反应 SiO2 + CaOCaSiO3 CO2 + Na2O＝Na2CO3
【例1】物质A是一种高熔点化合物，不溶于硫酸，硝酸等强酸。A与纯碱熔融反应，生成化合物B，同时放出气体C；把气体C通过B的溶液中，则得到化合物D；D在干燥空气中转变为化合物E；将E加热又得到化合物A。试写出A、B、C、D、E的化学式：A____、B____、C____、D____、E____。
答案：A：SiO2、B：Na2SiO3、C：CO2、D：H4SiO4、E：H2SiO3
解析：此题应根据对实验现象的分析，得出结论。A是不溶于硫酸、硝酸等强酸的高熔点化合物，它能与纯碱熔融反应，而且放出气体C，可初步判断A可能是SiO2，B可能是Na2SiO3，C可能是CO2。若把CO2通过Na2SiO3溶液中，会得到胶状沉淀H4SiO4，H4SiO4在干燥空气中易脱水生成H2SiO3，H2SiO3只有加热才能生成SiO2。这些都是与题目所给出的实验现象相符合，这就证实A确实是SiO2。A判断出来了，其它物质的推断就迎刃而解。
【例2】将过量的CO2分别通入① CaCl2溶液；② Na2SiO3溶液；③Ca(ClO)2溶液；④ 饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是（ ）
A. ①②③④ B. ②④ C. ①②③ D.②③
答案：B
解析：CO2溶于水：CO2+H2OH2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸、次氯酸强。根据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液无明显现象（弱酸不能制强酸）；过量CO2通入Ni2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入Ca(ClO)2溶液至过量，Ca(ClO)2+CO2+H2OCaCO3↓+2HClO，CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2，最终生成Ca(HCO3)2而无沉淀产生。过量CO2通入饱和Na2CO3溶液中。
Na2CO3+H2O+CO22NaHCO3生成的NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而结晶析出。
2、硅及其化合物的“反常”
①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑
②非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却放出H2：Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑
③非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si+4HF＝SiF4+2H2↑
④非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。
⑤SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
⑥酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HF＝SiF4+2H2O
⑦无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水。
⑧因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能发生下列反应：Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3，但在高温下SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑也能发生。
⑨Na2SiO3的水溶液称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠水溶液(即水玻璃)称泡花碱 ( http: / / www.21cnjy.com / )，但它却是盐的溶液，并不是碱溶液
⑩非金属氧化物一般是分子晶体，而二氧化硅却是原子晶体。
【例3】下列关于硅及硅的化合物的叙述不正确的是
①硅的晶体结构和金刚石相似，都是原子晶体 ②硅是地壳中含量最多的非金属 ③晶体硅是良好的半导体材料 ④SiO2是制造光导纤维的重要材料 ⑤SiO2分子是由两个氧原子和一个硅原子组成的 ⑥SiO2是酸性氧化物，不溶于任何酸
A．①②⑥ B．①⑤⑥ C．③④⑤ D．②⑤⑥
答案：D
解析：硅在地壳中含量仅次于氧，其晶体为原子晶体，是良好的半导体材料。二氧化硅不存在单个的“SiO2”分子，能溶解于氢氟酸。
3．硅酸盐：
硅酸盐是构成地壳岩石的主要成份，硅酸盐的种类很多，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成：
书写原则：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·SiO2·H2O
例如：硅酸钠Na2SiO3 Na2O·SiO2
镁橄榄石Mg2SiO4 2MgO·SiO2 高岭石Al2Si2O5(OH)4 Al2O3·2SiO2·2H2O
钙沸石Ca(Al2Si3O10)·3H2O CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
石棉Mg3Ca(SiO3)4 CaO·3MgO·4SiO2
正长石 KAlSi3O8 K2O·Al2O3·6SiO2
【例4】三硅酸镁被用来治疗胃溃疡，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。把三硅酸镁Mg2Si3O8·nH2O改写成氧化物形式为_________，写出它中和胃酸（HCl）的化学方程式______________。
答案：（1）2MgO·3SiO2·nH2O
（2）2MgO·3SiO2·nH2O+4HCl=2MgCl2+3SiO2+（n+2）H2O
解析：本题主要考查硅酸盐的书写方式和性质，其氧化物形式的书写关键在于化合价，该物质中Mg为+2价，Si为+4价，其氧化物分子式分别为MgO，SiO2，故三硅酸镁的氧化物形式为：2MgO·3SiO2·nH2O，与盐酸反应的方程式（只有MgO能反应）为：
2MgO·3SiO2·nH2O+4HCl＝2MgC12+3SiO2+（n+2）H2O
【例5】《青花瓷》中所描绘的“屏层鸟绘的牡丹一如你梳妆” 、“色白花青的景已跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜，近年来科学家才得大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡（BaCuSi2Ox,铜为+2价），下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是
A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2 B．性质稳定，不易脱色
C．易溶解于强酸和强碱 D．x等于6
答案：C
解析：该化合物中 Ba+2价，Cu+2价，Si+4价，依化合物呈电中性得x=6，D正确。用氧化物表示，顺序为：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·SiO2·H2O，A正确。由题目叙述知该物质性质稳定，B正确。
4．硅的制取 ： 在半导体及集成电路的发展史上，硅是极其重要的角色，因此研究计算机的地方称为硅谷，集成电路需要超纯度的硅，它是怎样产生的呢
SiO2 + 2CSi + 2CO↑
主要副反应为：SiO2+3CSiC+2CO↑
因此生产的粗硅所含的杂质有C、SiO2、SiC等，它们都是高熔沸点物质。为了提纯硅采用下列方法：
Si + 2Cl2 SiCl4
SiCl4的沸点很低，可以采用蒸馏的方法反复提纯，直至所需的纯度，再用H2还原，得到高纯硅：
2H2 + SiCl4Si + 4HCl
【例6】制造太阳能电池需要高纯度的硅，工业上制高纯硅常用以下反应实现：
①Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2(g)；ΔH=-381 kJ·mol-1?
②SiHCl3+H2Si+3HCl
对上述两个反应的叙述中，错误的是
A．两个反应都是置换反应 B．反应②是吸热反应
C．两个反应互为可逆反应 D．两个反应都是氧化还原反应
答案：C
解析：由两反应知，均为置换反应必然为氧化还原反应，A、D正确。反应②可以看作反应①的逆过程，因反应①放热，故反应②吸热。
H2SiO3
NaOH
Mg
C
CaCO3
CaC2
Ca(OH)2
CaO
Ca(HCO3)2
C
CaO
CO
CO2
Na2CO3
CH4
高温
Si
SiO2
Na2SiO3
SiCl4
H4SiO4
SiC
CaCO3
SiO2
SiO2
H2O
SiF4
HF
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