碳和硅

一. 本周教学内容：碳和硅

1、碳族元素

2、碳及其化合物

3、硅及其化合物

二. 重点、难点

1、掌握碳的同素异形体的结构、化学性质、物理性质及用途。

2、掌握二氧化碳的性质、制取和用途，掌握碳酸、碳酸盐的一些性质。

3、掌握硅、二氧化硅的空间结构和化学性质。

4、掌握硅酸、硅酸盐的化学性质。

三. 复习过程

（一）碳族元素

1、组成和结构特点

（1）碳族元素包括碳、硅、锗、锡、铅五种元素，位于元素周期表的IVA族。

（2）碳族元素原子最外层有4个电子，在化学反应中不易得到或失去电子，易形成共价键。主要化合价有＋2和＋4价，其中碳和硅有负价。碳族元素在化合物中多以＋4价稳定，而铅在化合物中则以＋2价稳定。碳族元素中碳元素形成的单质（金刚石）硬度最大；碳元素形成的化合物种类最多；在所有非金属形成的气态氢化物中，CH4中氢元素的质量分数最大；12C是元素相对原子质量的标准原子；硅在地壳中的含量仅次于氧，其单质晶体是一种良好的半导体材料。

2、性质的递变规律

随着原子序数的增大，碳族元素的原子半径依次增大，由非金属元素逐渐转变为金属元素，即金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱；最高价氧化物对应水化物的酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强；气态氢化物的稳定性逐渐减弱，还原性逐渐增强。

（二）碳及其化合物

1、碳单质

（1）碳的同素异形体

（2）碳的化学性质

常温下碳的性质稳定，在加热、高温或点燃时常表现出还原性，做还原剂，温度越高，还原性越强，高温时的氧化产物一般为一氧化碳。

C＋2H2SO4（浓）CO2↑＋4NO2↑＋2H2O

2、二氧化碳

（1）物理性质：无色略带酸味气体，无毒，能溶于水（1:1），固体时俗称干冰，大量排放会导致温室效应。

（2）实验室制法：

原理：

装置：

溶解性不同：一般情况下，所有的钾盐、钠盐和铵盐是可溶的，所有的酸式盐是可溶的，正盐的溶解度小于酸式盐的溶解度，但碳酸钠的溶解度大于碳酸氢钠的溶解度。

热稳定性不同：一般情况下，难溶的正盐和酸式盐受热易分解，可溶性碳酸盐稳定不易分解。

与酸反应的剧烈程度不同：两者都能与强酸（H＋）反应产生CO2，但反应的剧烈程度不同，根据反应的剧烈程度可鉴别两者。

可溶性盐的水解程度不同：相同浓度的正盐溶液的pH值大于酸式盐溶液的pH 值。

与碱反应不同：弱酸的酸式盐可与碱反应生成正盐。

与盐反应不同：碳酸钠可与氯化钙或氯化钡反应生成难溶性碳酸盐，但碳酸氢钠不反应。

（2）碳酸根和碳酸氢根的检验

CO32?D的检验方法：向待检溶液中滴加过量的CaCl2溶液。若生成白色沉淀，再加入稀盐酸或稀硝酸。若白色沉淀又溶解，且生成无色、无味的气体，则检得溶液中有CO32?D。

HCO3?D的检验方法：向待检溶液中滴加足量的Ca2＋或Ba2＋的可溶性盐溶液。若无明显现象，再向溶液中加入足量的酸（如盐酸、硝酸、醋酸等）溶液。若溶液中逸出无色、无味的气体，则待检溶液中有HCO3?D。

（三）硅及其化合物

1、硅

（1）存在：硅在地壳中的含量仅次于氧，全部以化合态形式存在。注意：在自然界中硅无游离态，氧有游离态，但不能说硅的非金属性比氧强。

（2）物理性质：晶体硅是灰黑色，有金属光泽、硬而脆的固体，是原子晶体，其结构类似于金刚石。在晶体里，每个硅原子都被相邻的4个硅原子包围，处于4个硅原子的中心，以共价键跟这4个硅原子结合，成为正四面体结构，这些正四面体结构向空间发展，构成空间网状晶体，其中键角为109°28＇，键长为2.35×10－10m（比金刚石的大，是因为碳原子半径比硅原子半径小的缘故）。晶体硅熔点、沸点较高，但比金刚石的熔点、沸点低。

（3）化学性质（不活泼）

常温下：Si＋2F2＝SiF4（气） Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑ Si＋2NaOH＋H2O＝

Na2SiO3＋2H2↑（氧化剂：H2O，还原剂：Si）

高温下：Si＋O2SiO2 Si＋2Cl2SiCl4 Si＋2H2

SiH4

（4）制备：

粗硅是电炉里用碳还原SiO2而制得的：SiO2＋2C Si（粗）＋2CO↑

（当碳过量时：SiO2＋3C SiC＋2CO↑，其中氧化剂、还原剂均为碳。）粗硅提纯：将粗硅在高温下跟氯气反应生成四氯化硅（SiCl4），SiCl4经过分

馏提纯，再用氢气还原得到纯硅： Si（粗）＋2Cl2SiCl4（液） SiCl4

＋2H2Si（纯）＋4HCl

（5）应用：硅是良好的半导体材料，可用来制造半导体器件。也可用来制造合金。

2、二氧化硅

（1）晶体结构：是立体网状结构的原子晶体，1个Si原子与4个O原子形成4个共价键，即1个Si原子周围结合4个O原子，同时，每个O原子跟两个 Si 原子相结合。由于二氧化硅晶体里Si－O键的键能很高，并形成了一种立体网状的原子晶体，所以要破坏二氧化硅的晶体，必须消耗较多的能量，因此，SiO2的熔点很高，硬度也很大。

（2）化学性质（很稳定）

弱氧化性：SiO2＋2C Si＋2CO↑

酸性氧化物：CaO＋SiO2CaSiO3

SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑ SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑（上述两反应发生的原因是因为高温下硅酸盐比碳酸盐稳定）

SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O（玻璃中含有SiO2，因而它能够被碱溶液腐蚀。实验室里盛放碱溶液的试剂瓶常用橡皮塞，而不用玻璃塞，就是为了防止玻璃受碱溶液腐蚀生成Na2SiO3，而使瓶口和塞子粘结在一起。）

特性：SiO2＋4HF＝SiF4↑＋2H2O 所以氢氟酸不能保存在玻璃试剂瓶中而应贮存在塑料瓶中，另外制备氢氟酸也不能使用玻璃器皿。

（3）用途：二氧化硅是制造光导纤维的重要原料，制造石英玻璃，用做玻璃原料和建筑材料。

3、硅酸、硅酸盐

（1）硅酸：硅酸钠（Na2SiO3）的水溶液跟盐酸起反应生成白色胶状沉淀，这种白色胶状沉淀叫做原硅酸，常用H4SiO4表示，是一种弱酸，很不稳定，这种白色胶状物在空气里干燥，失去一部分水后，变成白色粉末，即为硅酸（H2SiO3）。Na2SiO3＋2HCl＋H2O＝H4SiO4↓＋2NaCl、H4SiO4＝H2SiO3＋H2O也可以直接写成 Na2SiO3＋2HCl＝H2SiO3↓＋2NaCl

硅酸不溶于水，酸性比碳酸还要弱，从理论上解释：C、Si在元素周期表中位于同一主族，C在Si的上方，根据同主族元素性质的递变规律，C的非金属性比硅强，所以碳酸的酸性比硅酸强。从实验中证明：可向硅酸钠溶液中通入足量二氧化碳，有沉淀产生。反应可表示为：SiO32－＋2CO2＋H2O＝H2SiO3↓＋2HCO3－

（2）硅酸盐：硅酸、原硅酸和由它们缩水结合而成的各种酸所对应的盐，统称硅酸盐。硅酸盐的表示方式有两种：氧化物，化学式。如：

硅酸钠 Na2SiO3 （Na2O?SiO2）