第四章第一节 无机非金属材料的主角——硅
一、二氧化硅 1．硅元素的存在
2．二氧化硅
(1)存在:存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石，石英、水晶、玛瑙、沙子的主要成分是二氧化硅。
(2)结构：SiO 2晶体是立体空间网状结构，每个Si 周围结合4个O ，每个O 周围结合2个Si ，Si ∶O ＝1∶2。
(3)物理性质:熔点高、硬度大、不溶于水。 (4)化学性质
SiO 与CO 的比较
CO 2 SiO 2
构成 CO 2分子
硅原子和氧原子按1∶2的比例组成的立体
网状结构的晶体，无SiO 2分子 物理性质 气体，熔、沸点低，溶于水
固体，熔、沸点高，硬度大，不溶于水
(5)用途
①沙子是基本的建筑材料
②纯净的SiO 2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。 ③石英和玛瑙制作饰物和工艺品。 ④实验中使用石英坩埚。 点拨：
①虽然SiO 2既能与NaOH 溶液反应，也能与氢氟酸反应，但SiO 2却不属于两性氧化物而属于酸性氧化物。
②实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，原因是玻璃中含有SiO 2，能与碱
化 学 性 质
与碱
2NaOH ＋CO 2(少量)===Na 2CO 3＋H 2O NaOH ＋CO 2(足量)===NaHCO 3 SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O
与水 CO 2＋H 2O===H 2CO 3 不反应
与碳 C ＋CO 2=====高温
2CO 2C ＋SiO 2=====高温
Si ＋2CO ↑ 与氢氟酸 不反应
SiO 2＋4HF=== SiF 4↑＋2H 2O 与氧化钙 CO 2＋CaO=== CaCO 3
SiO 2＋CaO=====高温
CaSiO 3
与盐 Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓
CaCO 3＋CO 2＋H 2O===Ca(HCO 3)2
SiO 2＋CaCO 3=====高温
CaSiO 3＋CO 2↑ SiO 2＋Na 2CO 3=====高温
Na 2SiO 3＋CO 2↑
起反应，容易使瓶塞和瓶颈粘在一起而不能打开。
③氢氟酸能腐蚀玻璃，故不能用玻璃瓶盛放氢氟酸，而要用塑料瓶。 二、硅酸、硅酸盐 1．硅酸 (1)物理性质
颜色：白色；状态：胶状；溶解性：难溶于水。 (2)化学性质 ①弱酸性
向Na 2SiO 3溶液中通入CO 2气体，反应的化学方程式为Na 2SiO 3＋H 2O ＋CO 2===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓；结论为：酸性H 2CO 3>H 2SiO 3。
②不稳定性。
H 2SiO 3不稳定，受热易分解，化学方程式为：H 2SiO 3=====△
H 2O ＋SiO 2。 实验操作
实验现象
滴加酚酞后溶液呈红色，滴加稀盐酸后溶液变为无色，有白色胶状沉
淀生成
结论
Na 2SiO 3溶液呈碱性；滴加稀盐酸后反应的化学方程式为：
Na 2SiO 3＋2HCl===2NaCl ＋H 2SiO 3↓
浓度小形成硅酸溶胶，浓度大形成硅酸凝胶，其中，硅酸凝胶干燥脱水得到硅酸干凝胶，称为“硅胶”，具有强的吸水性，常用作干燥剂或催化剂的载体。
提示： 硅酸是常见酸中唯一不溶于水的酸，且不能由其对应酸酐——SiO 2和水反应制得。 2．硅酸盐
(1)概念：硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。 (2)组成的表示
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。例如：硅酸钠：Na 2O·SiO 2，长石：K 2O·Al 2O 3·6SiO 2。
(3)最简单的硅酸盐——Na 2SiO 3
①Na 2SiO 3可溶于水，其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。 ②与酸反应
向硅酸钠的水溶液中滴加盐酸，反应的离子方程式为：
SiO 2－3＋2H ＋
===H 2SiO 3↓。 点拨:
①因为SiO 2不溶于水，因此不能用SiO 2与水反应制备硅酸。
②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，例如证明酸性：盐酸>碳酸>硅酸。
三、硅单质 1．种类及结构
单质硅分为晶体硅和无定形硅两类，晶体硅的结构与金刚石类似。
2．性质 (1)
(2)化学性质：在常温下化学性质不活泼，但能与氢氟酸、强碱发生反应。 常温下能与氟气、氢氟酸、强碱等反应。 2F 2＋Si===SiF 4 Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑ Si ＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑ 粗硅的制取。
2C ＋SiO 2=====高温
2CO ↑＋Si(粗硅)(注意：生成的是CO 而不是CO 2) 纯硅的制取。
Si(粗硅)＋2Cl 2=====△ SiCl 4 SiCl 4＋2H 2=====高温 Si(纯硅)＋4HCl 3．用途
(1)半导体材料，如硅芯片等。 (2)新型能源，如光电池等。 点拨:
①硅与碳相似，常温下化学性质都不活泼。
②虽然碳比硅活泼，但由于硅是亲氧元素，所以碳在自然界中有单质，而硅只能以化合态存在。
第四章第一节 无机非金属材料的主角—硅
练习题
1.下列关于硅的化学性质的化学方程式书写错误的是( ) A ．硅与氢氟酸反应：Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑
B ．硅与烧碱溶液反应：Si ＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑
C ．硅与盐酸反应：Si ＋4HCl===SiCl 4＋2H 2↑
D ．硅在高温下被O 2氧化：Si ＋O 2=====高温
SiO 2 答案 C
解析 常温下，硅能与氢氟酸、烧碱溶液反应，但不与盐酸反应。加热或高温条件下能与C 、Cl 2、O 2等发生反应，化学方程式分别为Si ＋C=====高温SiC 、Si ＋2Cl 2=====△SiCl 4、Si ＋O 2=====△ SiO 2。
2．华裔科学家高锟因“在光学通信领域光在光导纤维中传输的研究方面所取得的开创性成就”获得了诺贝尔物理学奖。光导纤维的主要成分是( ) A ．Si B ．SiO 2 C ．Na 2SiO 3 D ．SiCl 4 答案 B
解析 光导纤维的主要成分为SiO 2。 3．下列说法正确的是( )
A ．二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟碱反应，但不能与任何酸反应
B ．二氧化硅分子由1个硅原子和2个氧原子构成
C ．硅酸的酸性比碳酸的酸性弱，且硅酸不溶于水
D ．CO 2与SiO 2均可溶于水生成对应的酸 答案 C
解析 SiO 2可以跟氢氟酸反应，反应的化学方程式为：SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O ，所以A 不正确；B 项二氧化硅中不存在SiO 2分子，错误；D 项不正确，SiO 2难溶于水，不与水反应。答案为C 。
4．能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是( ) A ．CO 2是气体，SiO 2是固体 B ．二氧化硅的熔点比二氧化碳高
C ．根据反应SiO 2＋CaCO 3=====高温
CaSiO 3＋CO 2↑，可推知硅酸的酸性比碳酸的酸性强 D ．CO 2通入Na 2SiO 3稀溶液中析出硅酸沉淀，所生成的H 2SiO 3逐渐聚合而形成硅酸溶胶 答案 D
解析 酸性强弱与这种酸的氧化物的状态和物理性质无关，A 、B 均不正确；C 项反应只有在高温条件下才能进行，由于CO 2是气体，生成后脱离反应体系使反应得以继续进行，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强；D 项属于较强的酸制取较弱的酸，能够证明硅酸的酸性弱于碳酸的酸性。
5．下列溶液中①碳酸钠溶液 ②氢氟酸 ③氢氧化钠溶液④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是( ) A ．①③ B ．②④ C ．②③ D ．①④
答案 A
解析 ①、③项中溶液呈碱性，不能与光滑的玻璃反应，但能与磨口玻璃裸露的SiO 2反应，生成的硅酸钠溶液是一种矿物胶，具有良好的黏结性，易使瓶塞与瓶壁粘在一起而难以开启。氢氟酸能腐蚀玻璃, 不能放在玻璃瓶中，所以放在塑料的瓶子中，塞子用橡胶（绝对不能用玻璃）。
6．下图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是( )
A ．SiO 2属于两性氧化物
B ．酸性：H 2SiO 3＞H 2CO 3
C ．硅胶吸水后可重复再生
D ．图中所示转化反应都是氧化还原反应 答案 C
解析 SiO 2是酸性氧化物；酸性：H 2CO 3＞H 2SiO 3；图中有的转化反应不是氧化还原反应，如SiO 2与NaOH 溶液的反应。
7．硅胶和石英的主要成分都是SiO 2，前者是结构疏松的SiO 2，后者是结构致密的SiO 2。二者成分相同，结构不同，化学性质相同，物理性质上表现出差别，具有不同的用途。由石英制取硅胶，经历以下三步，试写出每步反应的化学方程式(是离子反应的，写出离子方程式)。 (1)用NaOH(aq)溶解石英：__________________________________________________。
(2)过滤，向滤液中加入盐酸，至沉淀不再产生：_______________________________。
(3)微热，浓缩硅酸溶液，加热蒸干溶液，并使固体完全分解：__________________________。 写出硅胶的一种用途：________________。
答案 (1)2OH －＋SiO 2===SiO 2－
3＋H 2O
(2)SiO 2－
3＋2H ＋===H 2SiO 3↓
(3)H 2SiO 3=====△
H 2O ↑＋SiO 2 干燥剂(或“催化剂载体”)
解析 (1)石英的主要成分是酸性氧化物SiO 2，与碱反应生成盐和水：2NaOH ＋SiO 2===Na 2SiO 3＋H 2O 。(2)过滤，除去石英中的杂质，得滤液为Na 2SiO 3(aq)，硅酸是弱酸，Na 2SiO 3与盐酸发生复分解反应：Na 2SiO 3＋2HCl===2NaCl ＋H 2SiO 3↓。(3)微热，H 2SiO 3(aq)浓缩，H 2SiO 3
聚合为胶体，加热硅酸溶胶脱水，生成多孔硅胶：H 2SiO 3=====△
H 2O ↑＋SiO 2。硅胶的制备过程：
石英(SiO 2)――→＋NaOH Na 2SiO 3――→＋HCl H 2SiO 3――→△
硅胶(SiO 2)。硅胶的主要用途有两种：作干燥剂或作催化剂的载体。
8．实验室配制好的硅酸钠溶液保存过程中变质的主要原因是_________________________， 变质现象是_________________，相应化学方程式是_______________________________。 答案 空气中的CO 2与Na 2SiO 3水溶液发生了反应 生成白色胶状沉淀物 Na 2SiO 3＋H 2O ＋
CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓
解析由于H2SiO3的酸性比碳酸的酸性弱，故Na2SiO3在空气中将会与空气中的CO2及溶液中的水发生反应而变质：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，故应密封保存。9．下列叙述中，正确的是()
A．自然界中存在大量的单质硅
B．石英、水晶、硅石的主要成分都是二氧化硅
C．二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸或碱溶液发生化学反应
D．自然界中二氧化硅都存在于石英中
答案 B
解析自然界中硅元素含量很高，但都以化合态形式存在，硅元素是亲氧元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，A项错误；
二氧化硅的性质稳定，C项错误。
石英是二氧化硅的一种D项错误；
10．用胶头滴管向用石蜡围成的“Spark”凹槽内注入某溶液，即可在玻璃上刻蚀出“Spark”的字样，则该溶液是()
A．盐酸B．氢氟酸
C．烧碱溶液D．饱和食盐水
答案 B
解析能腐蚀玻璃的是氢氟酸。
11．下列关于SiO2的说法，正确的是() A．SiO2是制造光导纤维的重要材料
B．SiO2溶于水生成硅酸
C．SiO2对应水化物酸性比碳酸强
D．SiO2是酸性氧化物，不跟任何酸反应
答案 A
解析SiO2不溶于水；硅酸酸性比碳酸弱；SiO2是酸性氧化物，但可与氢氟酸反应。12．下列有关硅及其化合物的说法正确的是() A．晶体硅具有金属光泽，可以导电，属于金属材料
B．常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅大部分以游离态存在
C．SiO2是一种酸性氧化物，能够与水反应生成相应的酸
D．除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸，然后再过滤
答案 D
A项，晶体硅虽然具有金属光泽，但它属于非金属单质；其导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
B项，虽然常温下硅的化学性质稳定，但自然界中没有游离态的硅，它主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在；
C项，SiO2不同于其他酸性氧化物，它不溶于水也不与水反应。
D项，SiO2不溶于稀盐酸，可使用稀盐酸除去其中混有的CaCO3，化学方程式为CaCO3＋
2HCl===CaCl 2＋CO 2↑＋H 2O ，然后再过滤。
13．制备硅单质时，主要化学反应如下：
①SiO 2(石英砂)＋2C(焦炭)=====高温
Si(粗硅)＋2CO ↑；
②Si(粗硅)＋2Cl 2=====高温
SiCl 4；
③SiCl 4＋2H 2=====高温
Si(纯硅)＋4HCl ，下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是( ) A ．①③为置换反应
B ．①②③均为氧化还原反应
C ．②为化合反应
D ．三个反应的反应物中硅元素均被还原 答案 D
解析 在反应②中Si 元素化合价升高，被氧化。 14．下列叙述正确的是 ( )
A ．Na 2SiO 3是硅酸盐，所以不溶于水
B ．电影银幕用水玻璃浸泡，主要是了为防腐
C ．建筑工业常用水玻璃作黏合剂
D ．用水玻璃浸泡铁道的木制枕木，主要是为了防火 答案 C
解析 Na 2SiO 3既是硅酸盐，又是钠盐，硅酸盐大多难溶于水，而钠盐均易溶于水；浸泡
银幕主要是为了防火，而浸泡枕木主要是为了防腐；水玻璃有黏合作用，常作黏合剂。 15．下列变化不能一步实现的是 ( ) A ．Na 2SiO 3―→H 2SiO 3 B ．H 2SiO 3―→SiO 2 C ．SiO 2―→H 2SiO 3 D ．SiO 2―→Na 2SiO 3 答案 C
解析 Na 2SiO 3＋2HCl===H 2SiO 3↓＋2NaCl ；H 2SiO 3=====△
SiO 2＋H 2O ；
SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O 。
16．将过量的CO 2分别通入：①CaCl 2溶液 ②浓Na 2SiO 3溶液 ③Ca(OH)2溶液 ④饱和Na 2CO 3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是 ( ) A ．①②③④ B ．②④ C ．①②③ D ．②③ 答案 B
解析 CO 2溶于水：CO 2＋H 2O===H 2CO 3，H 2CO 3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。根据酸与盐反应的规律，CO 2通入CaCl 2溶液无明显现象（弱酸不能制强酸，无法形成碳酸，就没有碳酸钙沉淀）；过量的CO 2通入浓 Na 2SiO 3溶液中有白色沉淀H 2SiO 3生成；CO 2通入Ca(OH)2溶液至过量，Ca(OH)2＋CO 2===CaCO 3↓＋H 2O ，CaCO 3＋H 2O ＋CO 2===Ca(HCO 3)2，最终生成Ca(HCO 3)2而无沉淀；过量CO 2通入饱和Na 2CO 3溶液中：Na 2CO 3＋H 2O ＋CO 2===2NaHCO 3↓，生成的 NaHCO 3溶解度比Na 2CO 3溶解度小而结晶析出，故选B 。
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