北京四中田俊老師為您講解《無機非金屬材料的主角——硅》
哈爾濱市第二十四中學聶靜老師公開課《無機非金屬材料中的主角——硅》
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知識點1二氧化硅與硅酸
（1）內容
硅在地殼中的含量居第二位，僅次于氧。
（2）原子結構特征
硅的原子結構如下所示：
，最外層有4個電子，和碳一樣高中物理燈管，它的原子不容易丟失
它們不容易得到電子，所以主要形成四價化合物。硅是無機世界的主角，碳是有機世界的主角。
（3）硅的存在
硅主要以熔點極高的氧化物和硅酸鹽形式存在，占地殼質量的90%以上，自然界中不存在游離硅，只有化學硅。
2.二氧化硅
（1）二氧化硅的存在
SiO2是硅的最重要化合物，以結晶態和非結晶態兩種存在，統稱二氧化硅，石英晶體為結晶態二氧化硅，其中無色透明的結晶體稱為水晶，以色彩斑斕的環狀或層狀砂粒含有小顆粒的石英晶體。
（2）二氧化硅的結構
SiO2晶體有多種晶型，其基本結構單元如圖所示：
結構為四面體結構，每個Si被4個O原子包圍，每個O又與2個Si原子結合，因此SiO2是由Si和O原子按1:2的比例組成，具有三維網絡結構，晶體結構如圖所示。
3.物理性能
SiO2的網狀結構決定了SiO2是一種不溶于水的固體，熔點、沸點較高，硬度較大。
⑷化學性質
①SiO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的一般性質。在一定條件下能與堿性氧化物及堿金屬反應生成鹽。SiO2是硅酸的酸酐，但不與水反應。
a.能與NaOH等強堿反應，反應式為：SiO2+2NaOH＝+H2O
特別提醒
盛裝NaOH(或其他堿性)溶液的試劑瓶不能用玻璃塞塞，而要用橡膠塞，因為玻璃的主要成分之一是SiO2，在常溫下會和NaOH發生反應，特別是瓶頸的磨砂部位更容易與NaOH發生反應。
② 特點
與氫氟酸 (HF) 反應 - HF 是唯一能與 SiO2 反應的酸。
SiO2化學性質不活潑，除氫氟酸外，不與其它酸發生反應。SiO2與HF反應的化學方程式為：
SiO2+4HF＝SiF4↑+2H2O，因此可以用氫氟酸來蝕刻玻璃。
特別提醒
由于SiO2是玻璃的主要成分之一，而氫氟酸能腐蝕玻璃，因此氫氟酸不能存放在玻璃瓶中，但可以存在于塑料瓶中。
③弱氧化性
SiO2中硅的價數為+4價，是硅的最高價數，因此SiO2具有一定的氧化性，在高溫下能被C還原。
⑸ 二氧化硅的用途
①以SiO2為主要成分的砂石仍是基本建筑材料；
②準備好實驗室用的石英坩堝；
③是信息調整高速公路骨架的主要組成部分——光纖；
④利用石英、瑪瑙制作手工藝飾品；
⑤電子工業中重要零部件、光學儀器。
3. 硅酸
1.硅酸的性質
硅酸是一種很弱的酸，比碳酸還要弱，溶解度很低。
①不穩定性。
(2) 硅酸的制備
二氧化硅是硅酸的無水物，由于SiO2不溶于水，所以只能通過可溶性硅酸鹽與其他酸發生反應來生成硅酸。
現象
將酚酞溶液逐滴加入飽和溶液中，即變紅色；滴加稀鹽酸，即生成透明的凝膠狀物，溶液的紅色逐漸變淺，最后完全褪去。
綜上所述
硅酸鈉的水溶液呈堿性，在其飽和溶液中加入稀鹽酸，即生成硅膠。
化學反應式
+2HCl＝↓ +2NaCl
離子公式
SiO32-+2H+＝↓
特別提醒：硅酸的制備利用復分解反應的一般規律：酸越強，生成酸越弱。在硅酸鈉溶液中通入純凈的二氧化碳氣體高中物理燈管，即可看到硅酸鹽膠體。可用下面的實驗裝置進行實驗，同樣可以證明酸性：鹽酸>碳酸>硅酸。
3. 應用
硅酸易聚合形成硅溶膠，當二氧化硅濃度較高時，形成柔軟透明的果凍狀硅膠，硅膠經干燥脫水后，形成二氧化硅干凝膠，稱為“硅膠”。硅膠常用作食品干燥劑，也可用作催化劑的載體。
知識點二：硅酸鹽
1. 硅酸鹽
1.理念
硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的統稱。
（二）性質
硅酸鹽是一大類結構復雜的固體物質，熔點較高，大多不溶于水，化學性質十分穩定。
存在
硅酸鹽是地殼中巖石的主要成分，自然界中存在著各種天然硅酸鹽礦物，約占地殼質量的95%。
⑷ 硅酸鹽成分的表達
①規則：硅酸鹽結構復雜，常以氧化物形式表示（但不能假定其成分為氧化物）。硅酸鹽中的Si元素以SiO2形式表示，Na、K、Mg、Al、Ca等金屬元素以其常見氧化物形式表示，H以H2O形式表示。氧化物的書寫順序一般為：活性較大的金屬氧化物→活性較小的金屬氧化物→二氧化硅→水。例如：
硅酸鈉：Na2O·SiO2
石棉：CaO·3MgO·4SiO2
鉀長石：K2O·Al2O3·6SiO2
普通玻璃：Na2O·CaO·6SiO2
②注意：氧化物化學式之間以“·”隔開；系數組態出現分數時應轉為整數。例如長石不能寫成2（1）K2O·2（1）Al2O3·3SiO2，而應寫成K2O·Al2O3·6SiO2。
特別提醒：硅酸鹽的成分和結構非常復雜留學之路，氧化物形態只是一種表現方式，并不代表其真實成分。
2.最簡單的硅酸鹽——硅酸鈉（）
（1）物理性質
它是白色固體，俗稱碳酸鈉，易溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，為無色粘稠液體，有良好的黏合劑，因此盛裝水玻璃的試劑瓶不能用玻璃塞塞住，而要用橡皮塞。
（2）化學性質
①熱穩定性強，即能耐高溫。
②與某些比硅酸強的酸發生反應，生成不溶于水的硅酸。
反應物或實驗程序
化學反應式
離子公式
少量二氧化碳被通入溶液
+CO2+H2O＝+↓（膠體）
SiO32-+CO2+H2O＝CO32-+↓(膠體)
過量的二氧化碳被輸送到溶液中
+2CO2+2H2O＝+↓
（膠體）
SiO32-+2CO2+2H2O＝2HCO3-+ ↓
（膠體）
鹽酸和硅酸鈉
溶液反應
+ 2HCl = 2NaCl + ↓
（膠體）
SiO32-+ 2H+＝↓（膠體）
(3)用途：水玻璃是制備硅膠、木材阻燃劑等的原料。
3. 三種常見的硅酸鹽產品
人類創造的三大傳統硅酸鹽制品是陶瓷、玻璃和水泥，是應用最廣泛的無機非金屬材料。
4. 新型含硅材料
物質名稱
表現
主要應用
碳化硅（SiC，俗稱剛玉）
它具有金剛石結構，非常堅硬。
可用作砂紙和砂輪的磨料
硅鋼
含硅4%的鋼具有高磁導率
主要用作變壓器鐵芯
硅橡膠
它是目前耐高溫、耐低溫性能最好的橡膠。
250℃仍能保持良好彈性
用于制造火箭、導彈、飛機部件及絕緣材料等。
分子篩
人工分子篩是一種具有均勻微孔結構的鋁硅酸鹽。
主要用作吸附劑、催化劑等。
5.新型陶瓷的性能及應用
種類
主要性能
主要應用
高溫結構陶瓷
①耐高溫；②抗氧化；
③耐磨性
耐高溫材料可用于洲際導彈的末端、火箭發動機的尾管、燃燒室等，也是汽車發動機、噴氣發動機的理想材料。
壓電陶瓷
可實現機械能與電能的相互轉換
可用于無線電波濾波器、對講機、聲納探傷儀、點火器等。
透明陶瓷
①優異的光學性能；
②耐高溫；③絕緣性好
可用于制造高壓鈉燈管和防彈“玻璃”
超導陶瓷
超導
超導材料
6. 硅酸鹽的豐富性和多樣性
Al與Si在元素周期表中相鄰，且顆粒大小相近，Al3+取代了硅酸鹽中部分+4價Si，并引入其他正離子，使化合物保持電中性，從而形成了復雜多樣的硅酸鹽。
硅酸鹽品種的多樣性和結構的復雜性決定了其應用的選擇性，例如土壤膠體顆粒由于其巨大的表面積和負電荷，可以吸附NH4+、K+等多種生物所需的營養離子，從而使土壤具有保肥能力。
知識點三：硅元素
1. 硅的種類和結構
硅與碳類似，也有晶體和非晶態兩種形態，晶體硅的結構與金剛石類似，均為空間網狀結構。
2. 晶體硅的物理特性
晶體硅是一種灰黑色固體，具有金屬光澤，熔點較高，硬度較高，性脆，導電性介于導體與絕緣體之間，是一種良好的半導體材料。
3.化學性質
（1）常溫下硅化學性質不活潑，不易與O2、Cl2、H2SO4、HNO3等發生反應，但能與F2、HF及強堿發生反應。如：Si + 2NaOH + H2O = + 2H2↑；Si + 2F2＝SiF4；Si + 4HF＝SiF4↑+ 2H2↑。
（2）純硅在加熱時能與某些非金屬元素發生反應。例如，磨碎的硅在加熱時能在氧氣中燃燒：
4. 硅的制備
由于自然界中不存在單質硅，我們使用的硅都是從其化合物中提取出來的。工業上用碳在高溫下還原二氧化硅的方法，可以得到含有少量雜質的粗硅。粗硅經過提純后，可以得到高純度的硅。
5. 硅的用途
（1）用作半導體材料，如制作硅芯片，推動了信息技術革命。
（2）硅合金可用于制造變壓器鐵心、耐酸設備等。
3.制造光電池，把光能直接轉換成電能，可用于計算器、人造衛星、火星探測器、
太陽能作為電動汽車動力是一種極具發展前景的新能源。
延伸點1：碳、硅及其氧化物的性質比較
碳和硅都是非金屬元素，它們的原子的電子層數不同，但最外層電子數均為4，因此，它們的元素和化合物的性質既有相同之處，又有不同之處。
1. 碳元素與硅元素的比較
2.二氧化碳與二氧化硅的比較
特別提醒：SiO2和CO2一樣，是一種酸性氧化物，與堿反應是酸性氧化物的共性，與氫氟酸反應只是SiO2的特性。
延伸點2：硅及其化合物的特性
1、Si的還原性比C大，但C在高溫下能還原Si：SiO2+2C Si+2CO↑。
2、一般非金屬元素與堿性溶液反應不放出H2，而Si卻會放出H2：
Si+2NaOH+H2O=+2H2↑。
3.非金屬元素一般不與非氧化性酸反應，但Si能與HF反應：Si+4HF=SiF4↑+2H2↑。
4、非金屬元素一般都是非導體，但是Si是半導體。
5.SiO2是酸酐，但SiO2不溶于水，不能直接通過SiO2與水反應來制備。
6、非金屬氧化物的熔點、沸點一般都較低，但SiO2的熔點、沸點卻很高。
7.酸性氧化物一般不與酸反應，但SiO2能與HF反應：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
8.無機酸一般易溶于水，但難溶于水。
9、由于H2CO3的酸性大于，所以當溶液中通入少量CO2時，可發生下列反應： +CO2+H2O=↓+ 。若通入過量的CO2，則會發生下列反應： +2CO2+2H2O=↓+ 。但在高溫下，也可發生 ++CO2↑ 的反應。其原因是：高溫下生成的CO2為氣體，生成后即離開反應體系，使反應向右進行直至結束。
10、大多數硅酸鹽不溶于水，最常見的可溶性硅酸鹽是，其水溶液俗稱水玻璃，可用作膠粘劑、木材阻燃劑。
考試?示例和方法
測試點1：硅的存在
例1：下列哪項表述是正確的？（）
答：自然界中存在大量的硅元素。
B.石英、水晶、硅石的主要成分都是二氧化硅
C.二氧化硅化學性質活潑，能與酸性或堿性溶液發生化學反應。
D.自然界中二氧化硅存在于石英中
分析：自然界中硅的含量很高，但是以化合物的形式存在，選項A錯誤。硅是親氧元素，在自然界中主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在，如石英、水晶、二氧化硅等。其主要成分是二氧化硅，所以選項C正確，選項D錯誤；二氧化硅的性質很穩定，所以選項C錯誤。
答案：B
點評：二氧化硅雖然能與堿性氧化物、堿性溶液發生反應，但并不代表二氧化硅的化學性質活潑。
變異訓練1：下列物質中，主要成分不是SiO2的（ ）
A. 剛玉 B. 瑪瑙 C. 水晶 D. 石英
測試點2：SiO2的性質
例2：下列哪項表述是正確的？（）
A.由于反應+SiO2=高溫=+CO2↑，硅酸鹽的酸性比碳酸強。
B.碳和硅同屬于IVA族元素，因此二氧化碳與二氧化硅的物理性質相似。
C.二氧化硅既能溶于氫氧化鈉溶液，又能溶于氫氟酸，所以二氧化硅是兩性氧化物。
D.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反應生成硅酸。
分析：以酸鹽間復分解反應方向判斷酸性強弱，一般在常溫、潮濕狀態下適用，而不適用于高溫、干燥狀態下。事實上碳酸比硅酸強，故選項A錯誤；CO2與SiO2是不同類型的晶體，物理性質差別很大，故選項B錯誤；SiO2會與氫氟酸發生反應，這不是酸性氧化物的共同性質，故選項C錯誤；SiO2雖然是酸性氧化物，但是不能直接與H2O反應生成水，選項D正確。
答案：D
點評：SiO2在高溫下能與碳酸鹽發生反應，并不是說硅酸鹽的酸性比碳酸強，而是遵循高沸點物質生成低沸點物質的原理，而CO2由于是氣體，生成后會離開反應體系，使反應不能徹底進行。
變異訓練2-1：下列哪項表述是正確的？（）
A.CO2和水反應生成碳酸，碳酸是酸性氧化物；SiO2不能和水反應生成相應的硅酸，硅酸不呈酸性。
氧化物
B. NaOH 溶液不能存放在帶有磨口玻璃塞的玻璃瓶中。
C、應用水除去二氧化硅中的少量碳酸鈣雜質。
D.制備粗硅時，發生的反應為：SiO2+C＝Si+CO2↑
例 2-2： 盛裝熔融燒堿應使用的容器是（ ）
A.石英坩堝 B.普通玻璃坩堝
C.鑄鐵坩堝 D.剛玉坩堝
分析：石英坩堝和普通玻璃坩堝中都含有SiO2，燒堿能與SiO2發生如下反應：SiO2+2NaOH=+H2O；剛玉坩堝的主要成分是Al2O3，它也能與NaOH發生如下反應：Al2O3+2NaOH=+H2O。
答案：C
點評：二氧化硅的化學性質是重要的考點，而二氧化硅與堿的反應是重點，SiO2與NaOH的反應要牢牢掌握。
變異練習2-2： 證明生石灰既含有石英又含有石灰石的正確方法是（）
A、加入過量鹽酸，觀察是否有氣泡出現。
B. 加入過量的燒堿溶液，觀察是否有固體溶解
C、加熱至高溫，觀察是否有氣泡產生及硅酸鈣的生成。
D、先加入過量的鹽酸，攪拌，看是否有不溶物殘留，有無氣泡出現；如有不溶物，過濾出來，放入氫氧化鈉溶液中，看是否溶解。
測試點三：硅酸的性質及制備
例3：能證明碳酸比硅酸酸性強的實驗事實是（）
A. CO2 是氣體，SiO2 是固體
B.高溫下可發生反應：+SiO2==高溫==+CO2↑
C.CO2溶于水生成碳酸，而SiO2不溶于水
D. 當 CO2 通入溶液時，會形成膠體沉淀
分析：氧化物的狀態不能決定其水合物的酸性大小，因此A錯誤；反應能發生是因為生成揮發性氣體二氧化碳，因此B錯誤；氧化物的水溶性不能決定其水合物的酸性大小，因此C錯誤；CO2+H2O+═+↓，根據酸越強生成酸越弱的原理，因此酸性大?。禾妓?gt;硅酸，因此D正確。
答案：D
點評：根據化學反應中強酸產生弱酸的原理，碳酸比硅酸強的反應應該在水溶液中進行。
變形3：為了確認HCl和H2CO3的酸性，有位學生設計了下圖所示的裝置，一次實驗即可實現（無需選擇其他酸性物質），請據此回答：
（1）試寫出試劑a、b、c、d的名稱：
a.、b.、c.、d.
（2）設備B的功能是。
（3）寫出A、B、C之間反應的化學方程式：
一個。
B.
C.
(4)實驗結論：酸性由強到弱的順序為。
測試點4：硅酸鹽及無機非金屬材料
例4-1：蛇紋石由MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3組成，取蛇紋石樣品進行實驗，先用過量的鹽酸溶解，過濾，得沉淀X，濾液Y，下列說法正確的是（）
A. 沉淀物X的成分為SiO2和Fe2O3
B.從蛇紋石的成分來看，其成分均為堿性氧化物
C.溶液Y中的陽離子主要有Mg2+、Al3+、Fe3+、H+
D、向濾液Y中加入過量的氨水，過濾所得沉淀成分為Fe(OH)3和Mg(OH)2
分析：向混合液中加入過量鹽酸后，MgO、Al2O3、Fe2O3會與鹽酸反應生成MgCl2、AlCl3、FeCl3，但SiO2不溶于鹽酸，所以得到的沉淀為二氧化硅，故答案A錯誤；蛇紋石是由MgO、A12O3、SiO2、Fe2O3組成的，MgO和Fe2O3為堿性氧化物，A12O3為兩性氧化物，SiO2為酸性氧化物，故答案B錯誤。向濾液Y中加入過量氨水，生成氫氧化鋁沉淀。兩性氫氧化物不溶于弱酸和弱堿，所以過濾得到的沉淀成分為Fe(OH)3、Mg(OH)2和Al(OH)3，故答案D錯誤。
答案：C
點評：本題考查物質的組成和性質，答題關鍵是搞清楚組成物質與酸堿的化學反應，不難，關鍵是要明白氧化鋁是兩性氧化物，氫氧化鋁是兩性氫氧化物。
變異4-1：某研究小組利用高嶺土（主要成分為Al2O3·2SiO2·2H2O，含少量CaO及Fe2O3）研制出一種新型凈水劑（鋁化合物），其步驟為：將土壤樣品與純堿混合，加熱熔融，冷卻后用水浸泡熔融塊，過濾棄去殘渣，濾液用過量鹽酸酸化，過濾后分別得到沉淀物與溶液，溶液即為凈水劑。
（1）主成分在熔融過程中與純堿的反應方程式（A12O3與純堿的反應與SiO2與純堿的反應相似）為：
__.
(2) 最終的沉淀物是，該沉淀形成的離子方程式是 _。
（3）凈水器的凈水原理是_。
(4)實驗室常用的坩堝有瓷坩堝、鐵坩堝、剛玉坩堝。本實驗熔化土壤樣品時應使用____坩堝。
例4-2：某課外活動小組測定某種硅酸鹽中所含氧化物的質量分數如下表所示：
氧化物
氧化鈣
氧化鋁
二氧化硅
水
質量得分
0.1420
0.2602
0.4592
0.1378
（1）以氧化物形式表示的硅酸鹽的組成為：
（2）1mol硅酸鹽與足量的稀鹽酸完全反應并被消耗。
（3）工業上制造普通玻璃的化學式為：
。
（4）用該硅酸鹽制成的坩堝能用來熔化固體NaOH嗎？（填“是”或“否”）。
分析：（1）設該硅酸鹽的質量為100g，那么根據各氧化物的質量分數，可得n（CaO）：n（Al2O3）：n（SiO2）：n（H2O）=1：1：3∶3，以氧化物形式可表示為CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O。 （2）CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O中CaO和Al2O3都能和稀鹽酸發生反應，所以1mol的這種硅酸鹽與足夠的稀鹽酸反應完全，共消耗8mol。 （4）Al2O3和SiO2都能和NaOH反應，所以用這種硅酸鹽制成的坩堝不能用來熔化固體的NaOH。
答案：（1）CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O（2）8
（3）二氧化硅
+二氧化碳↑、
二氧化硅+碳酸鈣
+CO2↑(4) 不能
點評：答題時容易犯以下錯誤：一是表內數據含義不明確，不能正確算出硅酸鹽的化學式，造成誤解；二是直接根據硅酸鹽的化學式來計算硅酸鹽的化學式，而不是根據其氧化物的化學式，而根據硅酸鹽的形態來判斷與稀鹽酸的反應，誤認為硅酸鹽不與稀鹽酸反應。
變形練習4-2：硅酸鹽的組成以二氧化硅和金屬氧化物的形式表示。下列哪項是錯誤的？
A.鈣沸石（·3H2O）表示為CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
B. 鎂橄欖石（）表示為2MgO·3SiO2
C.正長石（）的表示方法是K2O·Al2O3·6SiO2
D.鉀云母（）的表示方法是K2O··6SiO2·2H2O
測試點5：硅的性質及制備
例5：硅及其化合物有廣泛的應用。請回答以下問題：
（1）要制備硅半導體材料，首先必須得到高純硅。三氯氫硅（）還原法是目前制備高純硅的主要方法。生產工藝流程圖如下：
①寫出由純硅制備高純硅的化學反應方程式。
②整個制備過程必須嚴格控制無水、無氧。與水劇烈反應，生成HCl和另一種物質。寫出該反應的化學反應方程式：；
如果在H2還原過程中混入O2，可能產生的后果是。
（2）下列關于硅材料的說法中，哪一個是正確的？（填寫字母）。
A、碳化硅化學性質穩定，可用來生產砂紙、砂輪等。
B.氮化硅的硬度和熔點較高，可用來制造高溫結構陶瓷和軸承
C.高純二氧化硅可用于制造高性能通訊材料——光纖
D.普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，熔點很高
E.鹽酸能與硅發生反應，所以用鹽酸作為拋光液來拋光單晶硅
分析：（1） ①H2還原可制備Si，化學反應式為： +H2
硅+3HCl。
②與H2O反應生成HCl和H2，若在H2還原過程中混入O2，高溫下H2和O2會發生反應，發生爆炸。（2）甲項：碳化硅的硬度極高，可用來制造砂紙、砂輪等；乙項D：氮化硅的熔點和硬度都很高，可用來制造高溫結構陶瓷或軸承；丁項：普通玻璃的主要成分是CaCO3，是由石英（SiO2）、石灰石、純堿在高溫下反應生成的，反應方程式為+SiO2====（高溫）+
CO2↑,CaCO3+SiO2====(高溫)+CO2↑；第E項，Si不與HCl反應。
答案：(1) ① + H2Si + 3HCl
② ＋ 3H2O＝↓＋3HCl＋H2↑
H2在高溫下遇到O2會爆炸
（2）美國廣播公司
高中化學QQ群：
