01 单质硅与硅的化合物

单晶硅（单质硅的晶体形态）

1. 单晶硅的结构与金刚石的相似，为正四面体的立体网状结构。

晶体中每个 Si 原子与其他 4 个 Si 原子相连接。

提问：1mol Si 中含有多个 $Si-Si$ 键？

思考方法一：

这样想，2 个 Si 原子能形成 4 个 $Si-Si$ 键，

那么 2mol Si 原子能形成 4mol 个 $Si-Si$ 键，

那么 1mol Si 原子能形成 2mol 个 $Si-Si$ 键。

思考方法二：

$Si-Si$ 键两个硅原子才能形成一个，一个硅原子只能有 0.5 个硅硅键；

根据示意图，1 个硅原子会连接另外 4 个硅原子，所以 1 个硅原子能形成 $4\times 0.5=2$ 个共价键。

2. 单晶硅是带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、 有脆性，在常温下化学性质不活泼

3. 单晶硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

硅单质的化学性质

TIP

作为单质的铝也可以和 $NaOH$ 反应

$2\mathrm{Al}+2\mathrm{NaOH}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{=}2\mathrm{NaAlO}{\phantom{A}}_2+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\uparrow$

二氧化硅

1. 物理性质：硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电。

1mol SiO_2 有多少 mol $Si-O$ 键？注意和 Si 的 $Si-Si$ 键区分

思考方式一：

所以 1mol $Si{O}_2$ 有 4mol Si-O 键；

思考方式二：

根据示意图来思考：

2. 化学性质：

(1) 与氢氟酸反应：

$\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{HF}\stackrel{}{=}\mathrm{SiF}{\phantom{A}}_4\uparrow +2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

TIP

$Si{O}_2$ 其实是耐酸的，惟独不耐 $HF$。

所以能用玻璃瓶装硫酸，硝酸，盐酸，惟独不能装氢氟酸。

(2) 与强碱（NaOH）反应：

$\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{NaOH}\stackrel{}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

TIP

$SiO2$ 属于酸性氧化物，但不是两性氧化物。

因为和 $HF$ 反应只是特例，$S{O}_2$ 不能和其他酸反应。

(3) 与盐（如 Na2CO3、CaCO3）反应：

$\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{CO}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$

$\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{CaCO}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{CaSiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$

(4) 与 C 反应：

$\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{C}\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{Si}+\mathrm{CO}\uparrow$ （制备高纯硅的第一步）

二氧化硅补充知识

1. 石英坩埚和瓷坩埚的主要成分是 SiO2，不能用来加热 NaOH 等强碱性物质。

铝坩埚也不行。应该改用铁坩埚。$Fe$ 没法直接与 $NaOH$ 等强碱直接反应。

2. 因为氢氧化钠与二氧化硅反应非常缓慢，且玻璃瓶内壁光滑，更不容易发生反应，因此可以用玻璃瓶盛放氢氧化钠溶液。但需注意不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放，因为磨口增大了二氧化硅与氢氧化钠溶液的接触面积，促进反应的进行，会使瓶塞与瓶口黏结在一起。

3. 氢氟酸可较快腐蚀玻璃，可用氢氟酸刻蚀玻璃，不能用玻璃瓶保存氢氟酸而应用塑料瓶。

硅酸

1. 硅酸是一种很弱的酸（酸性比碳酸还弱），难溶于水
2. 不稳定性：硅酸的热稳定性很差，受热可分解为 SiO2 和 H2O
3. 硅酸浓度大时在水中易聚合形成透明、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，成为“硅胶”。硅胶是多孔状，吸附水分子能力强，常用作干燥剂。

4. 向硅酸盐溶液中加入盐酸或通入 CO2，可制得硅酸胶体 (凝胶) 或沉淀

$\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{HCl}\stackrel{}{=}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3(\mathrm{胶}\mathrm{体})2\mathrm{NaCl}$

$\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{=}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_3\downarrow +\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{CO}{\phantom{A}}_3$

制备硅酸的原理是〝强酸制弱酸〞，这一原理可用来设计酸性强弱比较的实验，如：证明盐酸 > 碳酸 > 硅酸。

除去 CO_2 中的 HCl 装置（饱和碳酸氢钠溶液）不可省略。

TIP

这个实验只能验证酸性强弱：$Cl>C>Si$，

但是不能验证非金属性： $Cl>C>Si$。能说明非金属性 $C>Si$，但不能说明 $Cl>C$。

硅酸钠（最简单的硅酸盐）

1. 白色、可溶于水（硅酸难溶于水，硅酸钠可溶于水）的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，有很强的粘合性。
2. 可以与酸（盐酸、碳酸等）反应，生成硅酸凝胶。
3. 用途：制备硅胶，作木材、纺织品的防腐剂、防火剂（防止家具助燃）