Appearance
硅单质与二氧化硅
概览
硅是地壳中含量第二的元素，自然界中只以化合态存在。本章重点：晶体硅（原子晶体、半导体材料、工业制硅与提纯）、二氧化硅（$\ce{SiO2}$的原子晶体结构与性质——酸性氧化物通性、与$\ce{HF}$ 的特殊反应、弱氧化性）及其用途（光导纤维、石英玻璃）。
核心概念
1. 硅的存在与位置
- 位于第 3 周期第 IVA 族，原子序数 14，最外层 4 个电子，既能失电子又能得电子，但主要以 +4 价存在。
- 地壳中含量居第二（约 26.3%），自然界没有游离态硅，均以硅酸盐和 $\ce{SiO2}$（石英、水晶、沙子）等化合态存在。
2. 晶体硅的结构与性质
- 结构：原子晶体，每个 $\ce{Si}$原子与 4 个$\ce{Si}$ 原子以共价键相连，形成正四面体网状结构（与金刚石类似，键长更长、键能更小）。
- 物理性质：灰黑色、有金属光泽的固体，硬度大，熔点高，是良好的半导体材料。
- 化学性质：常温下化学性质稳定，不与 $\ce{O2}$、$\ce{H2O}$、盐酸、稀硫酸反应；但在加热或特定条件下反应。
工业制硅（三步法）
- 粗硅的制取（用焦炭在高温下还原 $\ce{SiO2}$）： $$\ce{SiO2 + 2C ->[高温] Si + 2CO ^}$$
- 提纯（生成气态氯化物）： $$\ce{Si + 2Cl2 ->[高温] SiCl4}$$
- 用 $\ce{H2}$还原$\ce{SiCl4}$（或高温分解 $\ce{SiHCl3}$）： $$\ce{SiCl4 + 2H2 ->[高温] Si + 4HCl}$$
通过"粗硅 → 气态 $\ce{SiCl4}$→ 高纯硅"的多步转化，利用$\ce{SiCl4}$ 易挥发、易提纯的特点，得到高纯度硅（用于芯片制造）。
晶体硅的化学性质
- 与氟气（常温）：$\ce{Si + 2F2 -> SiF4}$
- 与氢氟酸：$\ce{Si + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2 ^}$
- 与强碱溶液：$\ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^}$
- 高温与 $\ce{O2}$：$\ce{Si + O2 ->[高温] SiO2}$
硅的"两性"误区
硅能与 $\ce{NaOH}$反应放出$\ce{H2}$，但不是典型的两性元素（不与盐酸等非氧化性酸反应），只是"能与强碱反应的非金属单质"。
二氧化硅（$\ce{SiO2}$）
结构
- 原子晶体：每个 $\ce{Si}$与 4 个$\ce{O}$形成共价键，每个$\ce{O}$与 2 个$\ce{Si}$ 相连，形成立体网状结构。
- 由此导致 $\ce{SiO2}$ 熔点高、硬度大、不导电、化学性质稳定。
物理性质
- 硬度大、熔点高（$>1600\ \mathrm{℃}$），难溶于水。
- 天然存在：石英（结晶）、水晶（较纯石英）、玛瑙、沙子的主要成分。
化学性质
1. 酸性氧化物的通性（但不溶于水）
- 与碱反应（生成可溶性硅酸盐）： $$\ce{SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O}$$ （因此碱液不能盛放在磨口玻璃塞的试剂瓶中，应使用橡胶塞。）
- 与碱性氧化物反应（高温）： $$\ce{SiO2 + CaO ->[高温] CaSiO3}$$
- 与 $\ce{Na2CO3}$ 反应（高温，玻璃工业原理）： $$\ce{SiO2 + Na2CO3 ->[高温] Na2SiO3 + CO2 ^}$$
- 不能与水反应（$\ce{SiO2}$ 不与水反应生成硅酸）。
2. 特性：与氢氟酸反应
$$\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}$$
- 这是 $\ce{SiO2}$ 的特征反应，用于刻蚀玻璃（如在玻璃上雕刻花纹、标刻度）。
- 因此 $\ce{HF}$ 不能盛放在玻璃容器中（应盛于塑料或铅制容器中）。
3. 弱氧化性
$$\ce{SiO2 + 2C ->[高温] Si + 2CO ^}$$
（工业制粗硅的原理，$\ce{Si}$ 被还原为单质。）
4. 与一般酸不反应
- $\ce{SiO2}$不与盐酸、稀硝酸、浓硫酸反应（只有$\ce{HF}$ 例外）。
用途
| 物质 | 用途 |
|---|---|
| 晶体硅 | 半导体材料：芯片、集成电路、太阳能电池板、晶体管 |
| $\ce{SiO2}$ | 光导纤维（通信）、石英玻璃（耐高温仪器）、光学镜片、水晶饰品 |
| 硅胶（$\ce{H2SiO3}$ 脱水产物） | 干燥剂、催化剂载体 |
典型例题
例题 1
题目：下列关于 $\ce{SiO2}$ 的叙述正确的是（ ） A. $\ce{SiO2}$与$\ce{CO2}$ 均为酸性氧化物，均能与水反应生成相应酸 B. $\ce{SiO2}$能与$\ce{HF}$ 反应，说明它是碱性氧化物 C. $\ce{SiO2}$能与$\ce{NaOH}$溶液反应，故可用$\ce{SiO2}$制成的玻璃瓶长期盛放$\ce{NaOH}$ 溶液 D. $\ce{SiO2}$ 是原子晶体，熔点很高
分析：A 错误：$\ce{SiO2}$虽为酸性氧化物，但不与水反应。B 错误：与$\ce{HF}$ 反应是特性，不改变"酸性氧化物"分类。C 错误：$\ce{SiO2}$与$\ce{NaOH}$反应生成$\ce{Na2SiO3}$，会腐蚀玻璃，故碱液不能用玻璃塞瓶长期盛放。D 正确：$\ce{SiO2}$ 为原子晶体，熔点高。
解答：选 D。
点评：考查 $\ce{SiO2}$的两个"反常"：① 酸性氧化物但不溶于水；② 与$\ce{HF}$ 反应。同时考查"碱液腐蚀玻璃"的常见应用问题。
例题 2
题目：工业上以石英砂（主要成分 $\ce{SiO2}$）和焦炭为原料制取粗硅，写出化学方程式；若要得到高纯硅，还需进一步提纯，写出提纯过程中的两步关键反应。
分析：粗硅由 $\ce{SiO2}$被$\ce{C}$还原得到；提纯先将$\ce{Si}$转化为易挥发的$\ce{SiCl4}$，再用 $\ce{H2}$ 还原。
解答： ① $\ce{SiO2 + 2C ->[高温] Si + 2CO ^}$； ② $\ce{Si + 2Cl2 ->[高温] SiCl4}$； ③ $\ce{SiCl4 + 2H2 ->[高温] Si + 4HCl}$。
点评：工业制硅是"氧化还原 + 物质提纯"的经典流程。关键理解：粗硅纯度不够，需转化为气态 $\ce{SiCl4}$ 经蒸馏提纯后再还原为高纯硅。
易错提醒
WARNING
- $\ce{SiO2}$ 是酸性氧化物，但不与水反应（不能直接制硅酸）。
- $\ce{SiO2}$只与$\ce{HF}$ 反应（$\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 + 2H2O}$），不与其他酸反应；$\ce{HF}$ 不能盛放在玻璃容器中。
- 碱液不能长期盛放于玻璃塞试剂瓶：$\ce{SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O}$，$\ce{Na2SiO3}$ 有黏性，会黏住瓶塞。
- 硅是半导体，$\ce{SiO2}$ 是光导纤维的主要原料——"硅与二氧化硅用途"勿混淆（硅：芯片/半导体；$\ce{SiO2}$：光纤/石英）。
- 工业制硅中 $\ce{SiO2 + 2C ->[高温] Si + 2CO}$，产物是 $\ce{CO}$（不是 $\ce{CO2}$），因为碳过量且高温。
- 硅能与 $\ce{NaOH}$反应放出$\ce{H2}$，但不能据此说硅是"两性元素"。
与其他知识关联
- 硅酸盐（$\ce{Na2SiO3}$ 水玻璃、硅酸）→ 硅酸盐与无机非金属材料
- $\ce{CO2}$与$\ce{SiO2}$ 的结构/性质对比 → 01-物质分类与转化
- 硅与碳同族，$\ce{SiH4}$（硅烷）不如 $\ce{CH4}$ 稳定 → 22-有机化学基础
- 玻璃工业原料与反应 → 硅酸盐与无机非金属材料
- 本章总览 → 00-硅及其化合物总览
返回 00-硅及其化合物总览