硅及其化学性质

硅及其化合物
硅（台湾、香港称矽xī）是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。

原子序数14，相对原子质量28.0855，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IV A 族的准金属元素。

硅也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。

硅在宇宙中的储量排在第八位。

在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于第一位的氧（4 9.4%）。

晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2.32-2.34g/cm-3，熔点1410℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体。

不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液。

硬而有金属光泽。

硅有明显的非金属特性，可以溶于碱金属氢氧化物溶液中，产生（偏）硅酸盐和氢气。

硅原子位于元素周期表第IV主族，它的原子序数为Z=14，核外有14个电子。

电子在原子核外，按能级由低硅原子到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。

硅原子的核外电子第一层有2个电子，第二层有8个电子，达到稳定态。

最外层有4个电子即为价电子，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。

正因为硅原子有如此结构，所以有其一些特殊的性质：最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度；化学性质比较稳定，常温下很难与其他物质（除氟化氢和碱液以外）发生反应；硅晶体中没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。

加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。

生成硅化物。

不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。

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分类：纯净物、单质、非金属单质。

（1）与单质反应：
Si + O₂ == SiO₂，条件：加热
Si + 2F₂ == SiF₄
Si + 2Cl₂ == SiCl₄，条件：高温
（2）高温真空条件下可以与某些氧化物反应：
2MgO + Si=高温真空=Mg(g)+SiO₂（硅热还原法炼镁）
（3）与酸反应：
只与氢氟酸反应：Si + 4HF == SiF₄↑ + 2H₂↑
（4）与碱反应：Si + 2OH⁻+ H₂O == SiO₃²⁻+ 2H₂↑（如NaOH，KOH）注意：硅、铝是既能和酸反应，又能和碱反应，放出氢气的单质。

相关方程式：
Si+O₂=加热= SiO₂
Si + 2OH⁻ + H₂O == SiO₃²⁻+ 2H₂↑
Si+2F₂== SiF₄
Si+4HF== SiF₄↑+2H₂↑
SiO₂ + 2OH⁻== SiO₃²⁻+ H₂O
SiO₃²⁻+ 2NH₄⁺+ H₂O == H₄SiO₄↓ + 2NH₃↑
SiO₃²⁻+ CO₂ + 2H₂O == H₄SiO₃↓+ CO₃²⁻
SiO₃²⁻+ 2H⁺== H₂SiO₃↓
SiO₃²⁻+2H⁺+H₂O == H₄SiO₄↓
H₄SiO₄ == H₂SiO₃ + H₂O
3SiO₃²⁻+ 2Fe³⁺== Fe₂（SiO₃）₃↓
3SiO₃²⁻+2Al³⁺==Al₂（SiO₃）₃↓
Na₂CO₃ + SiO₂ =高温= Na₂SiO₃ + CO₂ ↑
1.单质(无定形态，晶体)
①物性:熔沸点高，硬而脆，灰色，金属外貌
②化性 a.常温下溶于碱液:
Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2↑
Si+4OH-=SiO44-+2H2↑
b.与金属和非金属反应:
2Mg+Si=Mg2Si
Si+Cl2=SiCl4（400°C）
Si+O2= SiO2
Si+C=SiC （2000°C）
3Si+2N2=Si3N4（1000°C）
Si+2S =SiS2（高温）
2Mg+Si=Mg2Si
c.硅遇氧化性酸发生钝化，可溶于HF-HNO3的混合酸中:
3Si+4HNO3+18HF=3H2SiF6+4NO+8H2O
硅与氢氟酸:Si+4HF=SiF4+2H2↑
d.高温下与水蒸气反应:Si(s)+3H2O(g)=H2SiO3(s)+2H2(g)(加热)
③制备(粗硅)
SiO2+2C=Si+2CO↑(加热)
SiCl4+2Zn=Si+2ZnCl2(加热)
SiO2+CaC2=Si+Ca+2CO
SiH4=Si+2H2(加热)
2.二氧化硅——二氧化硅不与水反应，即与水接触不生成硅酸，但人为规定二氧化硅为硅酸的
酸酐
①结构：Si与O以四面体形式连接在一起，形成原子晶体
②物性：溶沸点高（SiO₂中Si—O键的键能很高），无色，难溶于酸（氢氟酸及热浓磷酸除外）
③化性：能溶于热碱SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
能溶于氢氟酸SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O(玻璃容器不能盛放浓碱溶液和氢氟酸；
在高温下，二氧化硅能被碳、镁、铝还原：
SiO₂+2C=Si+2CO↑
若c过量，则发生反应：
Si+C= SiC（金刚砂）（高温）
注：SiO₂是表示组成的最简式，仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比
3.硅酸及其盐
⑴硅酸（正硅酸H4SiO4；焦硅酸H6SiO7;偏硅酸H2SiO3;二偏硅酸H2SiO5)
性质:二元弱酸，PH≥14时，主要以SiO32形式存在；PH在11-13之间，主要以Si2O52存在；
PH<11缩合成较大同多酸根离子；
PH再低时，以硅酸凝胶析出；PH=5.8，胶凝速率最快。

⑵硅酸盐
①溶解性：除碱金属硅酸盐可溶外，其它皆难溶。

常用的为可溶盐为Na2SiO3水溶液，又称为水
S O O O O
玻璃、泡花碱。

长期贮放NaOH 、Na 2CO 3的瓶子不用玻璃塞，而用橡胶塞。

②硅酸盐的水解：SiO 32-水解呈碱性，若在其中加入NH 4+ 或通入CO 2则会发生完全水解：
SiO 32－ + 2NH 4+ + 2H 2O → H 2SiO 3↓ + 2NH 3·H 2O
SiO 32－ +2CO 2+2H 2O==H 2SiO 3+2HCO 3ˉ
用途：Na2SiO3常做黏合剂，黏合瓦楞纸，洗涤剂添加物
③常见硅酸盐组成结构结构：
a.单聚硅酸根 单个的硅氧四面体，Si:O=1:4
正硅酸根 SiO 44－
b. 二聚硅酸根 两个硅氧四面体通过共用一个氧原子连结起来，Si:O=1:3.5 焦硅酸根 Si 2O 76－
c.链聚硅酸根 许多硅氧四面体连结成无限长的链，相邻两个硅氧四面体共用1个氧原子。

阴离子硅酸根链之间分布着带正电的金属离子，靠静电引力使链结合在一起，这类硅酸盐具有纤维状结构，如石棉 [Si n O 3n+1](2n+2)－
d.片状聚硅酸根
每一个硅氧四面体通过共用3个氧原子分别与邻近3个硅氧四面体连结，形成片层状结构，片层之间靠金属离子的静电引力结合在一起，如云母
e.网络状聚硅酸根
硅氧四面休间通过共用4个氧原子而组成各种三维网络结构。

如果在某个硅氧四面体中有铝原子
代替了硅原子，形成的铝硅酸根网络骨架中就带了负电荷，因此在骨架的空隙中必须有平衡骨架负电荷的阳离子存在。

如用作催化剂或催化剂载体的沸石分子筛
f.分子筛——人工合成铝硅酸盐
自然界中存在的某些硅酸盐和铝硅酸盐具有笼形三维结构，可以有选择地吸附一定大小的分子，称为沸石分子筛。

优点：分子筛的选择性远远高于活性炭等吸附剂。