碳族元素概述¶
硅单质¶
硅的物理性质¶
硅有同素异形体：晶体硅、无定形硅。下文除非特殊说明，默认指晶体硅。
硅为灰黑色固体，熔沸点高，自然界中主要存在形式为硅酸盐和二氧化硅。
硅的化学性质¶
与强碱反应：
\[ \ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^} \]
与 \(\ce{HF}\)（唯一可以溶解硅的酸）：
\[ \ce{Si + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2 ^} \]
硅的工业制取¶
粗硅的制备：
- \(\ce{SiO2 + 2C ->[高温] Si(粗硅) + 2CO}\)。
纯硅的制备：
- \(\ce{Si + 2Cl2 ->[高温] SiCl4}\)。
- \(\ce{SiCl4 + 2H2 ->[高温] Si(粗硅) + 4HCl}\)。
总结如下：
\[ \ce{SiO2 ->[C][高温] Si(粗硅) ->[Cl2] SiCl4 ->[H2] Si(纯硅)} \]
也存在四氯氢硅用氢气还原：
\[ \ce{SiHCl3 + H2 -> Si + 3HCl} \]
二氧化硅经碳还原所得为晶体硅，其性质稳定。
但是，用镁还原二氧化硅，则可以得到活泼的无定形硅，这种硅可以在空气中燃烧。
硅的氧化物及其水化物¶
二氧化硅¶
自然界中的存在形式：石英、沙子。
属于酸性氧化物，对应的酸为硅酸，可以发生反应：
\[ \ce{SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O} \]
\[ \ce{SiO2 + CaO ->[高温] CaSiO3} \]
同样可以和 \(\ce{HF}\) 反应（仅和氢氟酸这一种酸反应）：
\[ \ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O} \]
用途为蚀刻玻璃。
硅酸¶
难溶于水的白色胶状沉淀，酸性比碳酸弱。
\[ Na2SiO3 + H2O + CO2 -> Na2CO3 + H2SiO3 v \]
可以理解为碳的非金属性比硅强。
\[ \ce{H2SiO3 + H2O -> H4SiO4} \]
可以与水结合，因此可以作为干燥剂。
硅的应用¶
| 物质 | 应用 |
|---|---|
| \(\ce{Si}\) | 半导体（芯片、太阳能电池） |
| \(\ce{SiO2}\) | 光导纤维、水晶、石英、玛瑙 |
| \(\ce{H2SiO3}\) | 干燥剂、吸附剂 |
| \(\ce{Na2SiO3}\) | 水玻璃、粘合剂、防火剂 |
| \(\ce{SiC}\)（碳化硅） | 金刚砂，熔点高、硬度大、强度高，新型材料 |
三大硅酸盐产品：
-
陶瓷：黏土。
-
水泥：\(\ce{CaSiO3,CaO}\) 混合。
-
玻璃：\(\ce{Na2CO3 + CaCO3 + SiO2 -> Na2SiO3 + CaSiO3 + CO2}\)。
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