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硅及其化合物的性质与用途!

2016-12-14 中学化学园

一、硅单质


 

1.硅的含量、存在及结构

(1)含量:地壳中,硅的含量在所有的元素中居第二位(质量分数为26.3%),仅次于氧。

(2)存在形态:自然界中无游离态的硅。硅的化合物几乎全部是二氧化硅硅酸盐,它广泛地存在于地壳的各种矿物和岩石中。硅是构成矿物和岩石的主要元素。

(3)结构:硅位于元素周期表中第三周期A族,碳的下方,最外层有4个电子,原子结构为,所以硅原子既不易得电子,也不易失电子。

(4)硅单质的分类:单质硅有晶体无定形两种。

 

2.晶体硅的物理性质和结构

(1)物理性质:晶体硅是灰黑色、有金属光泽的固体,熔点高(1410 ℃)、硬度,有脆性,是良好的半导体材料。

(2)结构:与金刚石相似。

 


3.硅的化学性质

(1)常温时,硅的化学性质不活泼,不能与硫酸、硝酸等反应,但能跟F2反应:

Si+2F2=SiF4

(2) 非金属单质一般不跟非氧化性酸作用,但Si能跟HF作用:

Si+4HF=SiF4↑+2H2↑。

(3) 非金属单质跟碱作用一般无H2放出,但Si能跟强碱溶液作用放出H2

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。

(4) 还原性

在加热条件下,硅能与Cl2、O2、C等反应,反应的化学方程式为

Si+O2 SiO2

Si+2Cl2SiCl4

Si+CSiC


4.硅的工业制取

工业上用碳在高温下还原SiO2的方法制得含有少量杂质的粗硅,经过提纯后可以得到高纯硅,其主要反应的化学方程式为

(1)制取粗硅

2C+SiO22CO↑+Si。

(Si的还原性大于C,但C却能在高温下还原出Si)

(2) 粗硅提纯

Si+2Cl2SiCl4     

SiCl4+2H2Si+4HCl

5.硅的用途

(1)半导体材料,如硅芯片等。

(2)新型电池,如光电池等。


 


二、二氧化硅


1.存在形态:

  二氧化硅的存在形态有结晶形和无定形两大类。石英晶体是结晶的二氧化硅,具有不同的晶形和色彩,其中无色透明的晶体就是玛瑙


2.结构:二氧化硅晶体中硅原子和氧原子按1∶2的个数比组成立体网状结构。


3.物理性质: 熔点高、硬度大、难溶于水。


4.化学性质:二氧化硅的化学性质很不活泼,常见的反应如下:

(1)与酸反应

SiO2 + 4HF=SiF4+2H2O

用途:刻蚀玻璃

①在玻璃表面涂上一层石蜡

②在石蜡上雕刻出花纹,向挖空部分加少量氢氟酸

③洗掉酸并去掉石蜡


注意:氢氟酸不能用玻璃瓶盛装,而盛在塑料瓶。 


(2)与烧碱反应

SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O

:2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

过:NaOH+CO2=NaHCO3

思考为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞(玻璃中含有SiO2)? 

  

   当玻璃瓶配玻璃塞时,瓶口内壁和瓶塞外壁都进行了磨砂处理。玻璃中含SiO2,磨砂玻璃遇到强碱(NaOH)溶液时,SiO2会与强碱(NaOH)反应生成硅酸盐(Na2SiO3),使试剂瓶受到腐蚀。硅酸盐(Na2SiO3)溶液有良好的黏结性,它易使瓶口与瓶塞黏在一起而难以开启。方程式:SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O


(3)与CaO反应

SiO2+CaOCaSiO3

CaO+CO2=CaCO3 


(4)与碳酸盐反应

SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2

SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2

 

5.CO2和SiO2的性质比较

CO2和SiO2都属于酸性氧化物,化学性质有一定的相似性,但在物理性质和某些化学性质方面却有很大的差异。



6用途

(1)制备光导纤维

(2)制备石英表、石英钟

(3)制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品、眼镜片、精密仪器等。


 



三、硅酸


1、硅酸简介:

(1)化学式:H2SiO3
(2)俗称:硅酸干凝胶俗称硅胶
(3)硅酸与强碱反应

H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O

(4)目前被确认的有

正硅酸(原硅酸)H4SiO4(x=1,y=2)、

偏硅酸H2SiO3(x=1,y=1)、

二硅酸H2Si2O5(x=2,y=1)、

焦硅酸H6Si2O7(x=2,y=3)。

硅酸组成复杂,随条件而异。一般用通式xSiO2·yH2O表示,由于“H2SiO3”分子式最简单,习惯采用H2SiO3作为硅酸的代表。硅酸在水中溶解度较小,呈弱酸性。

(5)保存:密封保存

 

2硅酸的物理性质和化学性质

(1)物理性质:不溶于水的白色沉淀,原硅酸(H4SiO4)是白色胶状沉淀 
(2)化学性质:
①不稳定性:H2SiO3SiO2+H2
②硅酸酸性很弱,与强碱反应:

H2SiO3+2NaOH= Na2SiO3+2H2O

(3)硅酸的制取

SiO2对应的水化物是硅酸(H2SiO3),可通过可溶性硅酸盐与其他酸反应而制得。硅酸的酸性很弱,甚至比H2CO3还要弱,所以将CO2通入Na2SiO3溶液中可以得到硅酸,也可用盐酸与Na2SiO3溶液反应生成H2SiO3,反应的方程式如下:

Na2SiO3溶液与CO2反应:Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3

Na2SiO3溶液与盐酸反应:Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3

所生成的H2SiO3能形成胶体溶液,浓度大时形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶,经脱水干燥形成硅胶。硅胶疏松多孔,吸附水分能力强,常用做干燥剂和催化剂的载体。

 

3、硅酸的用途

用作气体的吸附剂,油脂和蜡等的脱色剂,催化剂载体,以及分析化学试剂等。


硅胶:

 

刚制得的硅酸是单个小分子,能溶于水,在存放过程中,它会逐渐失水聚合,形成各种多硅酸,接着就形成不溶于水,但又暂不从水中沉淀出来的“硅溶胶”。如果向硅溶胶中加入电解质,则它会失水转为“硅凝胶”。把硅凝胶烘干可得到“硅胶”。烘干的硅胶是一种多孔性物质,具有良好的吸水性。而且吸水后还能烘干重复使用,所以常用硅胶作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂。

 



四、硅酸盐


1硅酸盐的概念和性质

(1)概念:由硅、氧和金属组成的化合物的总称。

(2)性质:是一类结构复杂的固态物质,大多难溶于水,化学性质很稳定。

 

2硅酸钠

 

(1)溶解性:可溶于水,水溶液俗称水玻璃,呈碱性。

(2)硅酸钠化学性质:

①与酸反应

Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3

Na2SiO3  + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2SiO3

②不能燃烧,不易被腐蚀,热稳定性好。

(3)用途:制备硅胶和木材防火剂

 

3.常见硅酸盐产品

陶瓷玻璃水泥是使用量最大的传统无机非金属材料

1玻璃

原料:纯碱、石灰石和石英

设备:玻璃熔炉

2水泥是一种非常重要的建筑材料。

原料:黏土、石灰石

设备:水泥回转窑

3陶瓷(china):人类应用最早的硅酸盐材料。

原料:黏土

陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点,因此,陶瓷制品一直为人们所喜爱。


4新型无机非金属材料

新型陶瓷

(1)高温结构陶瓷:氮化硅Si3N4

              碳化硅SiC,俗名金刚砂

(2)生物陶瓷:Al2O3、ZrO2

(3)压电陶瓷:钛酸钡BaTiO3、钛酸铅PbTiO3

特征:

(1)耐高温、强度高;

(2)具有电学性质;

(3)具有光学性质;

(4)具有生物功能。


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