硅和二氧化硅

学科：化学

教学内容：硅和二氧化硅

【课前复习】

温故

1．自然界中，C的同素异形体天然存在的有_________、_________，人工制取的有_________、_________等；Si的同素异形体都是人工制取的，有_________、_________两种。

2．金刚石和硅晶体比较。

（1）硬度：金刚石_____硅晶体；（填“大于”或“小于”；下同）

（2）熔点：金刚石_____硅晶体；

（3）导电性：金刚石_____硅晶体。

知新

3．C、Si同主族，化学性质相似，但也有差别，其中能与NaOH（aq）反应的是_____（写元素符号），化学方程式为______________；能与HF（aq）反应的是_____（写元素符号），反应方程式是____________________。

4．硅的用途十分广泛，作为良好的半导体，硅可用来制造_____、_____、_____等半导体器件，还可制成_____电池。

硅的合金用途也很广，含硅4%（质量分数）的钢可用来制造_____；含硅15%（质量分数）的钢可用来制造_____。

5．CO2、SiO2性质相似，都是酸性氧化物，分别写出它们与足量NaOH（aq）反应的化学方程式：__________________、__________________；二者差别也很明显，其中能与H2O 反应的是___________________（写出化学式），反应方程式为____________________。

6．SiO2与水反应吗？为什么说SiO2是酸性氧化物？

7．SiO2与硅石、砂石、石英、水晶、玛瑙间有何关系？

【学习目标】

1．初步了解硅在自然界中的存在形态。了解硅元素的常见同素异形体。

2．了解硅的物理性质和主要用途。

3．掌握硅的化学性质和制取方法。这是本节学习的重点内容，也是本章重点之一。

4．了解二氧化硅的存在，知道石英、水晶、硅石与SiO2的关系。

5．掌握二氧化硅的化学性质，这是本节、也是本章的学习重点。

6．了解硅酸、原硅酸的性质和制取方法。

7．了解常见硅酸盐的主要用途。

8．理解硅酸盐的氧化物表示方法，知道其化学式中氧化物前计量数的含义。

【基础知识精讲】

一、硅的存在

（1）分布广：地壳中到处都是。

（2）含量多：地壳中含量居第二位，仅次于氧。

（3）化合态：自然界中没有游离态的硅，所有的硅都是化合态的。

二、硅的同素异形体

自然界中有游离态的碳（如金刚石和石墨），没有游离态的硅，所有的单质硅都是人工制得的。

单质硅有晶体硅和无定形硅2种。

三、硅的物理性质

硅的主要物理性质可编拟口诀帮助记忆。

金属光泽灰黑硅，熔沸点高硬而脆，

游离化合两形态，电子管件半导体。

四、金刚石、石墨、硅晶体的导电性

金刚石和晶体硅属于原子晶体，由于金刚石中碳原子的四个价电子全部用来形成共价键，晶体内部结构中不存在自由电子，此外，又因形成晶体的C—C 键长较短（1.55×10－10m ），键能较大（346 kJ·mol －1），成键的两个原子核对共用电子对的吸引力大。即使有外界条件（光或热等）的作用，共用电子对也不会被激发成为自由电子，因此金刚石不导电；晶体硅虽结构与金刚石相似，晶体内部也无自由电子，但Si—Si 的键长（2.35×10－10m ）比C—C 的键长长，键能（177 kJ·mol －1）小于C—C 的键能，成键的两个原子核对共用电子对吸引力较小，在外界条件（光或热）作用下，可摆脱两核的吸引力而成为自由电子，此时共用电子对离开共价键结构，原来的位置即成为带正电荷的空穴，显然自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子—空穴对，由于自由电子的运动，使电子—空穴对不断变换，从而使晶体导电，但晶体硅通过这种方式导电有一定方向性，即单向导电，所以晶体硅被称为半导体。石墨是导体，是因为石墨是层状结构。在同一层中，每个碳原子只能与周围三个碳原子成键，这样每个碳原子都还有一个未成对电子即自由电子，通过自由电子而导电，故石墨是导体。

五、硅的化学性质

（1）常温下，Si 化学性质稳定，但可与下列物质反应，而C 不能。

①

Si ＋4HF SiF 4↑＋SiH 4↑②Si ＋2NaOH ＋H 2O Na 2SiO 3＋2H 2↑

（2）加热和高温下，Si 能与一些非金属反应，与C 相似。

①

Si ＋O 2SiO 2∆====②Si ＋2H 2SiH 4

高温======Si ＋F 2SiF 4　常温即可

六、SiO 2的存在

SiO 2广泛存在于自然界中，与其他矿物质共同构成了岩石。

（1）砂：含较多杂质的SiO 2；

（2）石英：含较少杂质的SiO 2；

（3）水晶：透明的石英晶体，含极少杂质的SiO 2；

（4）玛瑙：含有色杂质的石英晶体。

（5）硅石：天然二氧化硅。

七、SiO 2的物理性质

坚硬难熔（或溶）

八、SiO 2的化学性质

SiO 2是酸性氧化物，但与水不反应，可与CaO 、NaOH （aq ）、HF （aq ）反应：

（1）高温下与碱性氧化物的反应

CaO ＋SiO 2CaSiO 3

高温

======（2）高温下与盐的反应

CaCO 3＋SiO 2CaSiO 3＋CO 2↑

高温

======（3）常温下与NaOH （aq ）的反应

2NaOH ＋SiO 2

Na 2SiO 3＋H 2O

注意，不生成NaHSiO 3，即没有下列反应发生

NaOH ＋SiO 2

NaHSiO 3（4）常温下与HF （aq ）的反应

SiO 2＋4HF SiF 4↑＋2H 2O 注意，SiF 4在常温常压下也是气体。

九、联系实际，记忆SiO 2的性质

（1）SiO 2不溶于水。

砂石的主要成分是SiO 2，砂石于河流、海滩中经上亿万年的冲蚀而存在，是SiO 2不溶于水的最好注释。

（2）NaOH （aq ）可用玻璃瓶盛放，但不可使用磨砂玻璃塞。

普通玻璃中含有SiO 2，石英玻璃的主要成分是SiO 2。光滑的玻璃与NaOH （aq ）不反应，所以可用玻璃试剂瓶盛NaOH （aq ）。粗糙的玻璃易与NaOH （aq ）反应。

2NaOH ＋SiO 2Na 2SiO 3＋H 2O

生成的Na 2SiO 3能将磨砂的玻璃瓶和玻璃塞粘合在一起，久之不能打开，所以不能用带磨砂玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH 等碱性溶液。

（3）HF 雕刻玻璃。

量筒等仪器上的刻度，某些玻璃的花纹图案，是用HF （aq ）雕刻的：把不需要雕刻的部位用蜡覆盖，需要雕刻的部位裸露，然后将玻璃放在HF （aq ）中，片刻即可。这是由于SiO 2被腐蚀的结果：

SiO 2＋4HF

SiF 4↑＋2H 2O

操作时，要谨防HF 中毒。

十、Si 的工业制法

（1）制取粗硅——含少量杂质的硅SiO 2＋C Si ＋2CO ↑

高温

======注意，高温下C 的氧化产物是CO ，而非CO 2，因为即使生成CO 2，也会发生以下反应：

C ＋CO 22CO

高温

======