北京四中田俊老师为您讲解《无机非金属材料的主角——硅》
哈尔滨市第二十四中学聂静老师公开课《无机非金属材料中的主角——硅》
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知识点1二氧化硅与硅酸
（1）内容
硅在地壳中的含量居第二位，仅次于氧。
（2）原子结构特征
硅的原子结构如下所示：
，最外层有4个电子，和碳一样高中物理灯管，它的原子不容易丢失
它们不容易得到电子，所以主要形成四价化合物。硅是无机世界的主角，碳是有机世界的主角。
（3）硅的存在
硅主要以熔点极高的氧化物和硅酸盐形式存在，占地壳质量的90%以上，自然界中不存在游离硅，只有化学硅。
2.二氧化硅
（1）二氧化硅的存在
SiO2是硅的最重要化合物，以结晶态和非结晶态两种存在，统称二氧化硅，石英晶体为结晶态二氧化硅，其中无色透明的结晶体称为水晶，以色彩斑斓的环状或层状砂粒含有小颗粒的石英晶体。
（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：
结构为四面体结构，每个Si被4个O原子包围，每个O又与2个Si原子结合，因此SiO2是由Si和O原子按1:2的比例组成，具有三维网络结构，晶体结构如图所示。
3.物理性能
SiO2的网状结构决定了SiO2是一种不溶于水的固体，熔点、沸点较高，硬度较大。
⑷化学性质
①SiO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的一般性质。在一定条件下能与碱性氧化物及碱金属反应生成盐。SiO2是硅酸的酸酐，但不与水反应。
a.能与NaOH等强碱反应，反应式为：SiO2+2NaOH＝+H2O
特别提醒
盛装NaOH(或其他碱性)溶液的试剂瓶不能用玻璃塞塞，而要用橡胶塞，因为玻璃的主要成分之一是SiO2，在常温下会和NaOH发生反应，特别是瓶颈的磨砂部位更容易与NaOH发生反应。
② 特点
与氢氟酸 (HF) 反应 - HF 是唯一能与 SiO2 反应的酸。
SiO2化学性质不活泼，除氢氟酸外，不与其它酸发生反应。SiO2与HF反应的化学方程式为：
SiO2+4HF＝SiF4↑+2H2O，因此可以用氢氟酸来蚀刻玻璃。
特别提醒
由于SiO2是玻璃的主要成分之一，而氢氟酸能腐蚀玻璃，因此氢氟酸不能存放在玻璃瓶中，但可以存在于塑料瓶中。
③弱氧化性
SiO2中硅的价数为+4价，是硅的最高价数，因此SiO2具有一定的氧化性，在高温下能被C还原。
⑸ 二氧化硅的用途
①以SiO2为主要成分的砂石仍是基本建筑材料；
②准备好实验室用的石英坩埚；
③是信息调整高速公路骨架的主要组成部分——光纤；
④利用石英、玛瑙制作手工艺饰品；
⑤电子工业中重要零部件、光学仪器。
3. 硅酸
1.硅酸的性质
硅酸是一种很弱的酸，比碳酸还要弱，溶解度很低。
①不稳定性。
(2) 硅酸的制备
二氧化硅是硅酸的无水物，由于SiO2不溶于水，所以只能通过可溶性硅酸盐与其他酸发生反应来生成硅酸。
现象
将酚酞溶液逐滴加入饱和溶液中，即变红色；滴加稀盐酸，即生成透明的凝胶状物，溶液的红色逐渐变浅，最后完全褪去。
综上所述
硅酸钠的水溶液呈碱性，在其饱和溶液中加入稀盐酸，即生成硅胶。
化学反应式
+2HCl＝↓ +2NaCl
离子公式
SiO32-+2H+＝↓
特别提醒：硅酸的制备利用复分解反应的一般规律：酸越强，生成酸越弱。在硅酸钠溶液中通入纯净的二氧化碳气体高中物理灯管，即可看到硅酸盐胶体。可用下面的实验装置进行实验，同样可以证明酸性：盐酸>碳酸>硅酸。
3. 应用
硅酸易聚合形成硅溶胶，当二氧化硅浓度较高时，形成柔软透明的果冻状硅胶，硅胶经干燥脱水后，形成二氧化硅干凝胶，称为“硅胶”。硅胶常用作食品干燥剂，也可用作催化剂的载体。
知识点二：硅酸盐
1. 硅酸盐
1.理念
硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的统称。
（二）性质
硅酸盐是一大类结构复杂的固体物质，熔点较高，大多不溶于水，化学性质十分稳定。
存在
硅酸盐是地壳中岩石的主要成分，自然界中存在着各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的95%。
⑷ 硅酸盐成分的表达
①规则：硅酸盐结构复杂，常以氧化物形式表示（但不能假定其成分为氧化物）。硅酸盐中的Si元素以SiO2形式表示，Na、K、Mg、Al、Ca等金属元素以其常见氧化物形式表示，H以H2O形式表示。氧化物的书写顺序一般为：活性较大的金属氧化物→活性较小的金属氧化物→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：氧化物化学式之间以“·”隔开；系数组态出现分数时应转为整数。例如长石不能写成2（1）K2O·2（1）Al2O3·3SiO2，而应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
特别提醒：硅酸盐的成分和结构非常复杂留学之路，氧化物形态只是一种表现方式，并不代表其真实成分。
2.最简单的硅酸盐——硅酸钠（）
（1）物理性质
它是白色固体，俗称碳酸钠，易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，为无色粘稠液体，有良好的黏合剂，因此盛装水玻璃的试剂瓶不能用玻璃塞塞住，而要用橡皮塞。
（2）化学性质
①热稳定性强，即能耐高温。
②与某些比硅酸强的酸发生反应，生成不溶于水的硅酸。
反应物或实验程序
化学反应式
离子公式
少量二氧化碳被通入溶液
+CO2+H2O＝+↓（胶体）
SiO32-+CO2+H2O＝CO32-+↓(胶体)
过量的二氧化碳被输送到溶液中
+2CO2+2H2O＝+↓
（胶体）
SiO32-+2CO2+2H2O＝2HCO3-+ ↓
（胶体）
盐酸和硅酸钠
溶液反应
+ 2HCl = 2NaCl + ↓
（胶体）
SiO32-+ 2H+＝↓（胶体）
(3)用途：水玻璃是制备硅胶、木材阻燃剂等的原料。
3. 三种常见的硅酸盐产品
人类创造的三大传统硅酸盐制品是陶瓷、玻璃和水泥，是应用最广泛的无机非金属材料。
4. 新型含硅材料
物质名称
表现
主要应用
碳化硅（SiC，俗称刚玉）
它具有金刚石结构，非常坚硬。
可用作砂纸和砂轮的磨料
硅钢
含硅4%的钢具有高磁导率
主要用作变压器铁芯
硅橡胶
它是目前耐高温、耐低温性能最好的橡胶。
250℃仍能保持良好弹性
用于制造火箭、导弹、飞机部件及绝缘材料等。
分子筛
人工分子筛是一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐。
主要用作吸附剂、催化剂等。
5.新型陶瓷的性能及应用
种类
主要性能
主要应用
高温结构陶瓷
①耐高温；②抗氧化；
③耐磨性
耐高温材料可用于洲际导弹的末端、火箭发动机的尾管、燃烧室等，也是汽车发动机、喷气发动机的理想材料。
压电陶瓷
可实现机械能与电能的相互转换
可用于无线电波滤波器、对讲机、声纳探伤仪、点火器等。
透明陶瓷
①优异的光学性能；
②耐高温；③绝缘性好
可用于制造高压钠灯管和防弹“玻璃”
超导陶瓷
超导
超导材料
6. 硅酸盐的丰富性和多样性
Al与Si在元素周期表中相邻，且颗粒大小相近，Al3+取代了硅酸盐中部分+4价Si，并引入其他正离子，使化合物保持电中性，从而形成了复杂多样的硅酸盐。
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，例如土壤胶体颗粒由于其巨大的表面积和负电荷，可以吸附NH4+、K+等多种生物所需的营养离子，从而使土壤具有保肥能力。
知识点三：硅元素
1. 硅的种类和结构
硅与碳类似，也有晶体和非晶态两种形态，晶体硅的结构与金刚石类似，均为空间网状结构。
2. 晶体硅的物理特性
晶体硅是一种灰黑色固体，具有金属光泽，熔点较高，硬度较高，性脆，导电性介于导体与绝缘体之间，是一种良好的半导体材料。
3.化学性质
（1）常温下硅化学性质不活泼，不易与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等发生反应，但能与F2、HF及强碱发生反应。如：Si + 2NaOH + H2O = + 2H2↑；Si + 2F2＝SiF4；Si + 4HF＝SiF4↑+ 2H2↑。
（2）纯硅在加热时能与某些非金属元素发生反应。例如，磨碎的硅在加热时能在氧气中燃烧：
4. 硅的制备
由于自然界中不存在单质硅，我们使用的硅都是从其化合物中提取出来的。工业上用碳在高温下还原二氧化硅的方法，可以得到含有少量杂质的粗硅。粗硅经过提纯后，可以得到高纯度的硅。
5. 硅的用途
（1）用作半导体材料，如制作硅芯片，推动了信息技术革命。
（2）硅合金可用于制造变压器铁心、耐酸设备等。
3.制造光电池，把光能直接转换成电能，可用于计算器、人造卫星、火星探测器、
太阳能作为电动汽车动力是一种极具发展前景的新能源。
延伸点1：碳、硅及其氧化物的性质比较
碳和硅都是非金属元素，它们的原子的电子层数不同，但最外层电子数均为4，因此，它们的元素和化合物的性质既有相同之处，又有不同之处。
1. 碳元素与硅元素的比较
2.二氧化碳与二氧化硅的比较
特别提醒：SiO2和CO2一样，是一种酸性氧化物，与碱反应是酸性氧化物的共性，与氢氟酸反应只是SiO2的特性。
延伸点2：硅及其化合物的特性
1、Si的还原性比C大，但C在高温下能还原Si：SiO2+2C Si+2CO↑。
2、一般非金属元素与碱性溶液反应不放出H2，而Si却会放出H2：
Si+2NaOH+H2O=+2H2↑。
3.非金属元素一般不与非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si+4HF=SiF4↑+2H2↑。
4、非金属元素一般都是非导体，但是Si是半导体。
5.SiO2是酸酐，但SiO2不溶于水，不能直接通过SiO2与水反应来制备。
6、非金属氧化物的熔点、沸点一般都较低，但SiO2的熔点、沸点却很高。
7.酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能与HF反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
8.无机酸一般易溶于水，但难溶于水。
9、由于H2CO3的酸性大于，所以当溶液中通入少量CO2时，可发生下列反应： +CO2+H2O=↓+ 。若通入过量的CO2，则会发生下列反应： +2CO2+2H2O=↓+ 。但在高温下，也可发生 ++CO2↑ 的反应。其原因是：高温下生成的CO2为气体，生成后即离开反应体系，使反应向右进行直至结束。
10、大多数硅酸盐不溶于水，最常见的可溶性硅酸盐是，其水溶液俗称水玻璃，可用作胶粘剂、木材阻燃剂。
考试•示例和方法
测试点1：硅的存在
例1：下列哪项表述是正确的？（）
答：自然界中存在大量的硅元素。
B.石英、水晶、硅石的主要成分都是二氧化硅
C.二氧化硅化学性质活泼，能与酸性或碱性溶液发生化学反应。
D.自然界中二氧化硅存在于石英中
分析：自然界中硅的含量很高，但是以化合物的形式存在，选项A错误。硅是亲氧元素，在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，如石英、水晶、二氧化硅等。其主要成分是二氧化硅，所以选项C正确，选项D错误；二氧化硅的性质很稳定，所以选项C错误。
答案：B
点评：二氧化硅虽然能与碱性氧化物、碱性溶液发生反应，但并不代表二氧化硅的化学性质活泼。
变异训练1：下列物质中，主要成分不是SiO2的（ ）
A. 刚玉 B. 玛瑙 C. 水晶 D. 石英
测试点2：SiO2的性质
例2：下列哪项表述是正确的？（）
A.由于反应+SiO2=高温=+CO2↑，硅酸盐的酸性比碳酸强。
B.碳和硅同属于IVA族元素，因此二氧化碳与二氧化硅的物理性质相似。
C.二氧化硅既能溶于氢氧化钠溶液，又能溶于氢氟酸，所以二氧化硅是两性氧化物。
D.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反应生成硅酸。
分析：以酸盐间复分解反应方向判断酸性强弱，一般在常温、潮湿状态下适用，而不适用于高温、干燥状态下。事实上碳酸比硅酸强，故选项A错误；CO2与SiO2是不同类型的晶体，物理性质差别很大，故选项B错误；SiO2会与氢氟酸发生反应，这不是酸性氧化物的共同性质，故选项C错误；SiO2虽然是酸性氧化物，但是不能直接与H2O反应生成水，选项D正确。
答案：D
点评：SiO2在高温下能与碳酸盐发生反应，并不是说硅酸盐的酸性比碳酸强，而是遵循高沸点物质生成低沸点物质的原理，而CO2由于是气体，生成后会离开反应体系，使反应不能彻底进行。
变异训练2-1：下列哪项表述是正确的？（）
A.CO2和水反应生成碳酸，碳酸是酸性氧化物；SiO2不能和水反应生成相应的硅酸，硅酸不呈酸性。
氧化物
B. NaOH 溶液不能存放在带有磨口玻璃塞的玻璃瓶中。
C、应用水除去二氧化硅中的少量碳酸钙杂质。
D.制备粗硅时，发生的反应为：SiO2+C＝Si+CO2↑
例 2-2： 盛装熔融烧碱应使用的容器是（ ）
A.石英坩埚 B.普通玻璃坩埚
C.铸铁坩埚 D.刚玉坩埚
分析：石英坩埚和普通玻璃坩埚中都含有SiO2，烧碱能与SiO2发生如下反应：SiO2+2NaOH=+H2O；刚玉坩埚的主要成分是Al2O3，它也能与NaOH发生如下反应：Al2O3+2NaOH=+H2O。
答案：C
点评：二氧化硅的化学性质是重要的考点，而二氧化硅与碱的反应是重点，SiO2与NaOH的反应要牢牢掌握。
变异练习2-2： 证明生石灰既含有石英又含有石灰石的正确方法是（）
A、加入过量盐酸，观察是否有气泡出现。
B. 加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解
C、加热至高温，观察是否有气泡产生及硅酸钙的生成。
D、先加入过量的盐酸，搅拌，看是否有不溶物残留，有无气泡出现；如有不溶物，过滤出来，放入氢氧化钠溶液中，看是否溶解。
测试点三：硅酸的性质及制备
例3：能证明碳酸比硅酸酸性强的实验事实是（）
A. CO2 是气体，SiO2 是固体
B.高温下可发生反应：+SiO2==高温==+CO2↑
C.CO2溶于水生成碳酸，而SiO2不溶于水
D. 当 CO2 通入溶液时，会形成胶体沉淀
分析：氧化物的状态不能决定其水合物的酸性大小，因此A错误；反应能发生是因为生成挥发性气体二氧化碳，因此B错误；氧化物的水溶性不能决定其水合物的酸性大小，因此C错误；CO2+H2O+═+↓，根据酸越强生成酸越弱的原理，因此酸性大小：碳酸>硅酸，因此D正确。
答案：D
点评：根据化学反应中强酸产生弱酸的原理，碳酸比硅酸强的反应应该在水溶液中进行。
变形3：为了确认HCl和H2CO3的酸性，有位学生设计了下图所示的装置，一次实验即可实现（无需选择其他酸性物质），请据此回答：
（1）试写出试剂a、b、c、d的名称：
a.、b.、c.、d.
（2）设备B的功能是。
（3）写出A、B、C之间反应的化学方程式：
一个。
B.
C.
(4)实验结论：酸性由强到弱的顺序为。
测试点4：硅酸盐及无机非金属材料
例4-1：蛇纹石由MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3组成，取蛇纹石样品进行实验，先用过量的盐酸溶解，过滤，得沉淀X，滤液Y，下列说法正确的是（）
A. 沉淀物X的成分为SiO2和Fe2O3
B.从蛇纹石的成分来看，其成分均为碱性氧化物
C.溶液Y中的阳离子主要有Mg2+、Al3+、Fe3+、H+
D、向滤液Y中加入过量的氨水，过滤所得沉淀成分为Fe(OH)3和Mg(OH)2
分析：向混合液中加入过量盐酸后，MgO、Al2O3、Fe2O3会与盐酸反应生成MgCl2、AlCl3、FeCl3，但SiO2不溶于盐酸，所以得到的沉淀为二氧化硅，故答案A错误；蛇纹石是由MgO、A12O3、SiO2、Fe2O3组成的，MgO和Fe2O3为碱性氧化物，A12O3为两性氧化物，SiO2为酸性氧化物，故答案B错误。向滤液Y中加入过量氨水，生成氢氧化铝沉淀。两性氢氧化物不溶于弱酸和弱碱，所以过滤得到的沉淀成分为Fe(OH)3、Mg(OH)2和Al(OH)3，故答案D错误。
答案：C
点评：本题考查物质的组成和性质，答题关键是搞清楚组成物质与酸碱的化学反应，不难，关键是要明白氧化铝是两性氧化物，氢氧化铝是两性氢氧化物。
变异4-1：某研究小组利用高岭土（主要成分为Al2O3·2SiO2·2H2O，含少量CaO及Fe2O3）研制出一种新型净水剂（铝化合物），其步骤为：将土壤样品与纯碱混合，加热熔融，冷却后用水浸泡熔融块，过滤弃去残渣，滤液用过量盐酸酸化，过滤后分别得到沉淀物与溶液，溶液即为净水剂。
（1）主成分在熔融过程中与纯碱的反应方程式（A12O3与纯碱的反应与SiO2与纯碱的反应相似）为：
__.
(2) 最终的沉淀物是，该沉淀形成的离子方程式是 _。
（3）净水器的净水原理是_。
(4)实验室常用的坩埚有瓷坩埚、铁坩埚、刚玉坩埚。本实验熔化土壤样品时应使用____坩埚。
例4-2：某课外活动小组测定某种硅酸盐中所含氧化物的质量分数如下表所示：
氧化物
氧化钙
氧化铝
二氧化硅
水
质量得分
0.1420
0.2602
0.4592
0.1378
（1）以氧化物形式表示的硅酸盐的组成为：
（2）1mol硅酸盐与足量的稀盐酸完全反应并被消耗。
（3）工业上制造普通玻璃的化学式为：
。
（4）用该硅酸盐制成的坩埚能用来熔化固体NaOH吗？（填“是”或“否”）。
分析：（1）设该硅酸盐的质量为100g，那么根据各氧化物的质量分数，可得n（CaO）：n（Al2O3）：n（SiO2）：n（H2O）=1：1：3∶3，以氧化物形式可表示为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O。 （2）CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O中CaO和Al2O3都能和稀盐酸发生反应，所以1mol的这种硅酸盐与足够的稀盐酸反应完全，共消耗8mol。 （4）Al2O3和SiO2都能和NaOH反应，所以用这种硅酸盐制成的坩埚不能用来熔化固体的NaOH。
答案：（1）CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O（2）8
（3）二氧化硅
+二氧化碳↑、
二氧化硅+碳酸钙
+CO2↑(4) 不能
点评：答题时容易犯以下错误：一是表内数据含义不明确，不能正确算出硅酸盐的化学式，造成误解；二是直接根据硅酸盐的化学式来计算硅酸盐的化学式，而不是根据其氧化物的化学式，而根据硅酸盐的形态来判断与稀盐酸的反应，误认为硅酸盐不与稀盐酸反应。
变形练习4-2：硅酸盐的组成以二氧化硅和金属氧化物的形式表示。下列哪项是错误的？
A.钙沸石（·3H2O）表示为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
B. 镁橄榄石（）表示为2MgO·3SiO2
C.正长石（）的表示方法是K2O·Al2O3·6SiO2
D.钾云母（）的表示方法是K2O··6SiO2·2H2O
测试点5：硅的性质及制备
例5：硅及其化合物有广泛的应用。请回答以下问题：
（1）要制备硅半导体材料，首先必须得到高纯硅。三氯氢硅（）还原法是目前制备高纯硅的主要方法。生产工艺流程图如下：
①写出由纯硅制备高纯硅的化学反应方程式。
②整个制备过程必须严格控制无水、无氧。与水剧烈反应，生成HCl和另一种物质。写出该反应的化学反应方程式：；
如果在H2还原过程中混入O2，可能产生的后果是。
（2）下列关于硅材料的说法中，哪一个是正确的？（填写字母）。
A、碳化硅化学性质稳定，可用来生产砂纸、砂轮等。
B.氮化硅的硬度和熔点较高，可用来制造高温结构陶瓷和轴承
C.高纯二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光纤
D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，熔点很高
E.盐酸能与硅发生反应，所以用盐酸作为抛光液来抛光单晶硅
分析：（1） ①H2还原可制备Si，化学反应式为： +H2
硅+3HCl。
②与H2O反应生成HCl和H2，若在H2还原过程中混入O2，高温下H2和O2会发生反应，发生爆炸。（2）甲项：碳化硅的硬度极高，可用来制造砂纸、砂轮等；乙项D：氮化硅的熔点和硬度都很高，可用来制造高温结构陶瓷或轴承；丁项：普通玻璃的主要成分是CaCO3，是由石英（SiO2）、石灰石、纯碱在高温下反应生成的，反应方程式为+SiO2====（高温）+
CO2↑,CaCO3+SiO2====(高温)+CO2↑；第E项，Si不与HCl反应。
答案：(1) ① + H2Si + 3HCl
② ＋ 3H2O＝↓＋3HCl＋H2↑
H2在高温下遇到O2会爆炸
（2）美国广播公司
高中化学QQ群：
