知识点一 二氧化硅和硅酸

1.硅在自然界中的存在

(1)含量

硅在地壳中的含量占第二位，仅次于氧。

(2)原子结构特点

硅的原子结构示意图为,最外层有4个电子，和碳一样，其原子既不易失去

电子也不易得到电子，主要形成四价的化合物。硅是无机界的主角，碳是有机界的主角。

(3)硅元素的存在

硅主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在，它们占地壳质量的90%以上。在自然界中，没有游离态的硅，只有化合态的硅。

2.二氧化硅

(1)二氧化硅的存在

SiO₂是硅最重要的化合物，其存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英晶体是结晶的二氧化硅，其中无色透明的晶体叫水晶，具有彩色环带状或层状的称为玛瑙。沙子中含有小粒的石英晶体。

(2)二氧化硅的结构

SiO₂晶体有多种晶型，其基本结构单元如图所示：

该结构为四面体结构，每个Si周围有4个O，而每个O跟2个Si相结合，所以SiO₂是由Si和O按原子个数比为1∶2所组成的具有立体网状结构的晶体，如图所示。

⑶物理性质

SiO₂的网状结构决定SiO₂是不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大。

⑷化学性质

①SiO₂是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，在一定条件下能与碱性氧化物和碱反应生成盐。SiO₂是硅酸的酸酐，但不与水反应。

a.可以与强碱如NaOH等反应，方程式为：SiO₂ + 2NaOH=Na₂SiO₃ + H₂O

特别提醒

盛放NaOH(或其他碱性)溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，要用橡胶塞，因玻璃的主要成分之一是SiO₂,会与NaOH在常温下反应生成Na₂SiO₃，特别是瓶颈的磨砂部分更易与NaOH反应。

②特性

与氢氟酸(HF)反应——HF是唯一可以与SiO₂发生反应的酸。

SiO₂化学性质很不活泼，除氢氟酸外不与其他酸反应，SiO₂与HF反应的化学方程式为:

SiO₂ + 4HF = SiF₄↑ + 2H₂O，故氢氟酸可用于刻蚀玻璃。

特别提醒

因为SiO₂是玻璃的主要成分之一，所以氢氟酸能腐蚀玻璃，因此，氢氟酸在保存时不能盛放于玻璃瓶里，可以存在于塑料瓶里。

③弱氧化性

SiO₂中硅元素的化合价为+4价，是硅元素的最高价，因此SiO₂具有一定的氧化性，高温时可被C还原。

⑸二氧化硅的用途

①以SiO₂为主要成分的沙子仍是基本的建筑材料;

②制备实验室使用的石英坩埚;

③是信息调整公路的骨架—光导纤维的主要成分;

④用石英、玛瑙制作工艺饰品;

⑤电子工业的重要部件、光学仪器。

3.硅酸

⑴硅酸的性质

硅酸是一种很弱的酸，其酸性比碳酸还弱，溶解度很小。

①不稳定性。

⑵硅酸的制备

二氧化硅是硅酸的酸酐，因SiO2不溶于水，所以硅酸只能通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得。

特别提醒：硅酸制备过程中利用了复分解反应的一般规律：酸性较强的酸可制取酸性较弱的酸。将纯净的二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中，可看到有硅酸胶体生成，证明碳酸的酸性比硅酸强。可利用如下实验装置进行实验，同时能证明酸性：盐酸>碳酸>硅酸。

⑶用途

硅酸容易聚合形成硅酸溶胶,硅酸浓度较大时,则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干凝胶,称为“硅胶”。硅胶常用作食品等干燥剂,也可用作催化剂的载体。

知识点二：硅酸盐

1.硅酸盐

⑴概念

硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。

⑵性质

硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，熔点较高，大多不溶于水，化学性质很稳定。

⑶存在

硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，自然界中存在各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的95%。

⑷硅酸盐组成的表示

①规律：硅酸盐结构复杂，常以氧化物形式表示(但不能认为它们的成分就是氧化物)。硅酸盐中的Si元素，以SiO₂的形式表示，金属元素如Na、K、Mg、Al、Ca等，以它们常见的氧化物形式表示，H元素以H₂O的形式表示。氧化物的书写顺序一般是：较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→二氧化硅→水。例如：

硅酸钠：Na₂O·SiO₂

石棉：CaO·3MgO·4SiO₂

钾长石：K₂O·Al₂O₃·6SiO₂

普通玻璃：Na₂O·CaO·6SiO₂

②注意事项：氧化物化学式之间以“·”隔开;系数配置出现分数时应化为整数。例如：长石KAlSi₃O₈不能写成21K₂O·21Al₂O₃·3SiO₂，应写成K₂O·Al₂O₃·6SiO₂ 。

特别提醒：硅酸盐的组成与结构很复杂，氧化物形式只是一种表达方式，并不代表其真实的组成。

2.最简的硅酸盐——硅酸钠(Na₂SiO₃)

(1)物理性质

Na₂SiO₃是白色固体，俗称泡花碱，易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，是无色黏稠状的液体，是一种很好的黏合剂，所以盛放水玻璃的试剂瓶不能用玻璃塞，而要用橡胶塞。

(2)化学性质

①有很强的热稳定性，即能耐高温。

②与比硅酸酸性强的一些酸反应，生成难溶于水的硅酸。

(3)用途：水玻璃是制备硅胶和木材防火剂等的原料。

3. 三种常见的硅酸盐产品

人类创造出的三大传统硅酸盐产品有陶瓷、玻璃、水泥。它们是使用量最大的无机非金属材料。

4.新型含硅物质

5.新型陶瓷的性能及用途

6.硅酸盐的丰富性和多样性

A1与Si在元素周期表中位置相邻，粒子大小相近， Al³⁺置换硅酸盐中部分+4价的Si，并引入其他正离子使化合物保持电中性，从而形成复杂多样的硅酸盐。

硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，决定了其应用的选择性。例如，土壤胶体粒子因其表面积巨大且带负电，能吸附NH₄⁺、K⁺等数多种生物所需的营养离子，所以土壤具有保肥能力。

知识点三：硅单质

1.硅单质的种类及结构

与碳相似，硅单质也有晶体和无定形两种，晶体硅的结构与金刚石类似,都是空间网状结构。

2.晶体硅的物理性质

晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

3.化学性质

(1)在常温下，硅的化学性质不活泼，不易与O₂、Cl₂、H₂SO₄、HNO₃等发生反应，但能与F₂、HF和强碱反应。例如：Si + 2NaOH + H₂O =Na₂SiO₃ + 2H₂↑;Si + 2F₂ =SiF₄;Si + 4HF = SiF₄↑+ 2H₂↑。

(2)在加热时，纯硅能与某些非金属单质发生反应。如加热时研细的硅能在氧气中燃烧：

4.硅的制备

由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到高纯硅。

5.硅的用途

⑴用作半导体材料，如制硅芯片促进信息技术革命。

⑵硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。

⑶制造光电池，将光能直接转换为电能，可用作计算器、人造卫星、火星探测器、

太阳能电动车等的动力，是极有发展前景的新型能源。

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拓展点一：碳、硅单质及其氧化物性质的比较

碳、硅两种元素均为非金属元素，其原子的电子层数不同，但最外层电子数均为4，所以它们的单质和化合物的性质既有相似性又有差异性。

1.单质碳和单质硅的比较

2.二氧化碳和二氧化硅的比较

特别提醒： SiO₂同CO₂一样为酸性氧化物，与碱反应是酸性氧化物的通性，而与氢氟酸反应只是SiO₂特性。

拓展点二：硅及其化合物的特性

1.Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si ：SiO₂ + 2C =Si + 2CO↑。

2.非金属单质跟碱溶液作用一般无H2放出，但Si却放出H2：

Si + 2NaOH + H₂O =Na₂SiO₃ + 2H₂↑。

3.非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si + 4HF=SiF₄↑+ 2H₂↑。

4.非金属单质一般为非导体，但Si为半导体。

5.SiO₂是H₂SiO₃的酸酐，但SiO₂不溶于水，不能直接将SiO₂与水作用制备H₂SiO₃。

6.非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO₂的却很高。

7.酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO₂能跟HF作用：SiO₂ + 4HF=SiF₄↑+ 2H₂O

8.无机酸一般易溶于水，H₂SiO₃却难溶于水。

9.因H₂CO₃的酸性大于H₂SiO₃，所以在Na₂SiO₃溶液中通入少量的CO₂能发生下列反应：Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O =H₂SiO₃↓+ Na₂CO₃，若通入过量的CO₂则发生下列反应：Na₂SiO₃ + 2CO₂ + 2H₂O =H₂SiO₃↓+2NaHCO₃，但在高温下Na₂CO₃ + SiO₂= Na₂SiO₃ + CO₂↑也能发生，原因：在高温下反应，生成的CO₂是气体，其生成后离开反应体系使反应向右进行到底。

10.硅酸盐大多数难溶于水，常见的可溶性硅酸盐为Na₂SiO₃，其水溶液俗称水玻璃，可用做黏胶剂和木材防火剂。