硅和二氧化硅(优秀版)

硅（Si）硅guī（台湾、香港称矽xī）是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。

原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。

硅也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。

硅在宇宙中的储量排在第八位。

在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的25.7%，仅次于第一位的氧（49.4%）。

目录◆原子硅◆元素硅◆总体特性◆硅的用途◆缺乏症◆高硅症◆工业制取纯硅原子硅硅原子位于元素周期表第IV主族，它的原子序数为Z=14，核外有14个电子。

电子在原子核外，按能级由低到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。

硅原子的核外电子第一层有2个电子，第二层有8个电子，达到稳定态。

最外层有4个电子即为价电子，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。

正因为硅原子有如此结构，所以有其一些特殊的性质：最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度；化学性质比较稳定，常温下很难与其他物质（除氟化氢和碱液以外）发生反应；硅晶体中没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质[3]。

高纯硅电子转移.MP4元素硅元素描述：◆晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色◆密度2.32-2.34g/cm3◆熔点1410℃，沸点2355℃◆属于原子晶体，硬而有金属光泽，有半导体性质◆具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。

晶体硅的结构.flv◆化学性质：在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液。

[2]加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用生成硅化物。

硅和二氧化硅●教学目标1．使学生了解硅的结构特点、性质、用途、存在及制备方法．2．使学生了解二氧化硅的存在、性质和用途．3．培养学生对知识归纳、总结和探究的能力．●教学重点硅和二氧化硅的化学性质●教学难点培养学生对知识的归纳、总结和探究的能力●课时安排一课时●教学方法引导、探究、对比、练习●教学用具投影仪两条干燥的布条或线绳(其中一条在硅酸钠溶液中预先浸过)、酒精灯、火柴●教学过程［引言］请大家看课本彩图中的硅单质照片．［师］别看它看起来灰溜溜的，它自己及它的化合物的作用却是大得很．大到高科技领域，小到我们的周围，到处都有硅及其化合物的踪影．当今电子工业的飞速发展，更是与人们对硅的性质的认识息息相关．本节课，我们就来学习硅及其化合物的有关知识．［板书］第二节硅和二氧化硅［过渡］首先，我们来认识一下元素含量居于自然界第二的硅单质的性质．［板书］一、硅(Si)［师］请大家阅读课本P145的第一、二自然段，总结出硅的存在形态、结构特点、物理性质等方面的内容．［学生阅读］［问］硅元素以什么形态存在于自然界？硅元素主要存在于什么物质里？［生］硅以化合态存在于自然界，硅元素主要存在于地壳的各种矿物和岩石里．［问］硅有几种同素异形体？分别是什么？［生］硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体．［问］为什么晶体硅的熔沸点高、硬度大？［生］因为它的结构类似于金刚石．［问］硅的导电性怎样？［生］介于金属与非金属之间，是半导体．［师］很好．以上内容我们可总结如下：［板书］以化合态存在于自然界，有两种同素异形体．(1)物理性质：熔、沸点高，硬度大，半导体．［过渡］那么，硅单质的化学性质又有哪些？其与同主族的碳相比，是否一样？下面，我们就来学习这个问题．［板书］(2)化学性质［师］请大家根据初中所学知识回答，碳单质有哪些化学性质？［生］碳单质在常温下性质稳定，高温时可与氧气等活泼非金属反应．在化学反应中常做还原剂．［师］回答得很好．那么，硅的性质是否也如此呢？请大家阅读课本P146第一自然段进行总结．［学生阅读后回答］常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质，如氧气、氯气、硝酸、硫酸等起反应；加热时，能跟一些非金属反应，如它能和氧气反应生成二氧化硅．［师］对．我们可把上述硅单质的化学性质归纳如下：［讲解并板书］常温下性质稳定Si＋2F2====SiF4Si＋4HF====SiF4＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O====Na2SiO3＋2H2↑Si＋O 2SiO2［师］除此以外，硅在高温时还可分别与碳及氮气反应生成熔沸点很高、硬度很大的金刚砂——碳化硅(SiC)及氮化硅(Si3N4)．［过渡］物质的用途由其性质决定，硅的这些性质决定了硅什么样的用途呢？请大家阅读课本P146第二自然段和课本P147选学内容“硅的用途”．［板书］(3)硅的用途［学生阅读后回答］可以用来制集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池，还可以用来制造变压器铁芯及耐酸设备等．［师］回答得很好．不过，大家需要知道的是，电子工业上所用的硅，都是纯度很高的硅，而由我们刚才所学知识知道，自然界没有单质硅存在．那么，我们怎样制取硅呢？请大家看课本后回答．［板书］(4)硅的制法［学生看书后回答］我们使用的硅，都是从硅的化合物中提取的．工业上用碳和二氧化硅在高温下反应制取硅．［板书］SiO2＋2C高温Si＋2CO↑(工业制法)［师］注意！上述反应中的产物是一氧化碳，而不是二氧化碳．另外，通过上述反应所制得的硅只是粗硅，用做半导体材料时，还需将其提纯．［过渡］硅在常温下性质稳定，但在受热条件下可与氧气反应生成二氧化硅．接下来，我们来学习硅的最高价氧化物——二氧化硅的性质．［板书］二、二氧化硅(SiO2)［问］二氧化硅与二氧化碳都是第ⅣA族元素形成的最高价氧化物，它们的性质是否相同呢？请大家回忆我们初中学过的二氧化碳的性质，并从物理性质和化学性质两方面回答．［生］二氧化碳的物理性质是：常温常压下是无色无味的气体，能溶于水，密度比空气大．化学性质是：本身不燃烧，一般情况下也不支持燃烧，能与水反应生成碳酸，能与碱反应，是酸性氧化物．［师］大家回答得很流利．请问，有没有固体的二氧化碳？［生］有！固体的二氧化碳叫干冰．［师］干冰可以用来人工降雨，为什么？［生］因为干冰有易升华的性质．［师］那么，二氧化碳所具有的物理性质二氧化硅是否具有呢？请大家看课本有关内容，比较二氧化碳与二氧化硅的物理性质．［板书］(1)物理性质［学生看书后回答］二氧化硅与二氧化碳的物理性质差别很大，它是一种坚硬难熔的固体，不溶于水．［板书］坚硬难溶的固体，不溶于水．［过渡］二氧化硅的化学性质与二氧化碳相比，是不是也有这么大的差异呢？请大家阅读课本有关内容，并填写下表．［板书］(2)化学性质［投影展示］SiO2与CO2化学性质的比较［找一个同学把答案填写在胶片上，不足部分由教师和学生共同补充］注：［上表答案］H［师］从上表可以看出，二氧化硅能与碱反应生成相应的盐和水，是一种酸性氧化物，它不能溶于水得到相应的酸——硅酸．酸性氧化物一般不与酸发生化学反应，而二氧化硅却能与氢氟酸发生反应，这也是工业上用氢氟酸雕刻玻璃的反应原理．以上两点，属二氧化硅的特性．由此，我们可总结出二氧化硅的主要化学性质为：［讲解并板书］不溶于水的酸性氧化物，能与氢氟酸反应．［问题探究］为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞．［生］因为玻璃中含有SiO2，SiO2是酸性氧化物，能和碱起反应，容易使玻璃瓶塞和瓶颈粘在一起而不能打开．［师］很正确．［过渡］二氧化硅广泛存在于自然界中，与其他矿物共同构成了岩石，天然二氧化硅也叫硅石．砂子的主要成分就是二氧化硅，石英的主要成分也是二氧化硅，水晶是纯度较高的二氧化硅．请大家看课本有关内容，了解它们的用途．并总结出来．［板书］(3)用途［学生看书后回答］二氧化硅可用来做光导纤维；石英可用来做石英钟、石英表，耐高温的石英玻璃；水晶可以用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品、眼镜片等，含有有色杂质的石英，还可用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和装饰品等．［师］大家回答得很全面．［师］确实，二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害，使人患硅肺病，请大家阅读课本P148“二氧化硅粉尘的危害”的内容．［学生阅读后］［师］希望大家努力学习，并能在将来发明和创造一些新的技术、新的设备以控制空气中粉尘的含量，从而为人类的健康和生存环境做出贡献．［过渡］刚才我们提到二氧化硅不能溶于水得到相应的酸——硅酸．那么，硅酸是怎样的一种酸？它怎样制得呢？下面我们就来学习这个问题．［板书］三、硅酸(H2SiO3)［师］从上一节我们比较同主族元素的性质知道，硅酸是一种比碳酸还要弱的酸，它不溶于水，不能使指示剂变色，是一种白色粉末状的固体．［板书］不溶于水，酸性比碳酸弱．［师］硅酸可通过可溶性硅酸盐与酸反应得到，如：［讲解并板书］Na2SiO3＋2HCl＋H2O====H4SiO4↓＋2NaClNa2SiO3＋CO2＋2H2O====H4SiO4↓＋Na2CO3［讲解］生成的H4SiO4叫原硅酸，是一种白色胶状物质，不溶于水，在干燥的空气中易失水变成硅酸．硅酸在加热条件下会进一步失水得到二氧化硅．［板书］H4SiO4====H2SiO3＋H2O H2SiO3SiO2＋H2O ［过渡］刚才我们提到的硅酸钠，是一种可溶性的硅酸盐，而其他硅酸盐多数是不溶于水的．硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的5%．［板书］四、硅酸盐［师］请大家看以下实验．［演示实验］取两根一样的干燥布条(其中一根在硅酸钠溶液中浸过)在火焰上燃烧．［问］两根布条燃烧的情况一样吗？现象有何不同？［生］不一样．一根很容易燃烧，一根不燃．［师］是什么原因造成了这样的差别呢？答案在这里！［板书］硅酸钠(Na2SiO3)［讲解］不燃的布条是由于我预先在硅酸钠溶液中浸泡并晒干的．这也是硅酸钠的用途之一．硅酸钠的水溶液俗名“水玻璃”，其用途很广，建筑工业及造纸工业用它做粘合剂．木材或织物用水玻璃浸泡过后既防腐又不易着火．浸过水玻璃的鲜蛋可以长期保存．水玻璃还用作软水剂、洗涤剂和制肥皂的填料．它也是制硅胶和分子筛的原料．硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成．书写时，应把金属元素的氧化物写在前面，若有多种金属元素，按活泼性依次减弱的顺序写出其氧化物，然后写SiO2，最后写H2O，且各氧化物之间要用“·”隔开．如：［板书并讲解］Na2SiO3Na2O·SiO2Al2(Si2O5)(OH)4Al2O3·2SiO2·2H2O［师］粘土的主要成分也是硅酸盐，是制造陶瓷器的主要原料．［投影练习］阅读下文，完成1~3题．硅晶体结构类似于金刚石，低温下单质硅不活泼，与空气、H2O、酸均无作用，但可与强碱和强氧化剂在适当温度下作用，如硅能与卤素在加热或高温下生成四卤化硅；高价态硅的化合物可在高温下被碳、镁、氢等还原剂还原成单质硅；工业上也可用硅与焦炭在高温下制金刚砂(SiC)．某高纯硅炼制厂利用食盐、石英、水、焦炭为原料制取用作半导体材料的高纯硅．1．假设根据每步反应建立一个生产车间，该高纯硅厂家需要几个车间()A．3个B．4个C．5个D．6个2．生产原理中没有涉及到的反应是()A．置换反应B．复分解反应C．化合反应D．电解反应3．该厂家不采用石英与焦炭直接制高纯硅的主要原因是()A．产量太低B．产品中含SiCC．产品中含有过量的硅石和焦炭D．耗能太大答案：1．C2．B3．B4．Al2O3·2SiO2·2H2O是()A．混合物B．硅酸盐C．两种氧化物的水化物D．铝酸盐解析：硅酸盐的种类繁多，结构复杂，人们通常用金属氧化物和二氧化硅的形式来表示组成，如Na2SiO3改写成Na2O·SiO2．解此类题时，先把题目所给氧化物反写过来则为Al2(Si2O5)·(OH)4，为高岭石，即为硅酸盐，不是混合物，也不是两种氧化物的水化物，更不是铝酸盐．答案：B●板书设计第三节硅和二氧化硅一、硅(Si)以化合态存在于自然界；有两种同素异形体．(1)物理性质：熔、沸点高，硬度大，半导体．(2)化学性质常温下性质稳定Si＋O2SiO2(3)硅的用途(4)硅的制法SiO2＋2C高温Si＋2CO↑(工业制法) 二、二氧化硅(SiO2)(1)物理性质：坚硬难溶的固体，不溶于水．(2)化学性质：不溶于水的酸性氧化物，能与氢氟酸反应．(3)用途三、硅酸(H2SiO3)不溶于水，酸性比碳酸弱Na2SiO3＋2HCl＋H2O====H4SiO4↓＋2NaCl Na2SiO3＋CO2＋2H2O====H4SiO4↓＋Na2CO3H4SiO4====H2SiO3＋H2O H2SiO 3SiO2＋H2O四、硅酸盐硅酸钠(Na2SiO3)Na2O·SiO2Al2(Si2O5)(OH)4Al2O3·2SiO2·2H2O●教学说明本节课采用了学生自学、教师引导归纳，并同已学知识相比较的教学方法，目的是为了让学生更多地参与教学，并在学习的过程中培养学生对知识的归纳、总结和探究的能力．由于在初中已学过有关碳及其化合物的知识，采用对比的学习方法，可以使学生温故而知新．学生在了解SiO2的用途时，教师同时引导他们了解SiO2粉尘的危害．这可以培养学生在以后的实践中能辩证地看问题．本课时增加了一个有关水玻璃的实验．一是引起学生学习的兴趣；再就是学生会印象深刻；更重要的是消除学生对陈述性知识的乏味感，也希望能对后面硅酸盐工业的介绍，做一个很好的引子．另外，如果授课时间允许，最好能专用一个课时来学习和整理碳及其化合物的有关知识，以使碳族元素的知识更加丰富和条理化．［注］碳及其化合物的有关知识可参考备课资料的知识补充部分．●备课资料1．硅及其化合物的特殊性(1)硅的还原性比碳强，而碳在高温下能从SiO2中还原出Si．(2)非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，而硅与氢氧化钠等强碱溶液反应产生氢气．(3)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而硅不但与氢氟酸反应，而且有氢气生成．(4)酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应，而二氧化硅却能与氢氟酸反应，生成四氟化硅和水．(5)无机酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸却难溶于水．(6)在水溶液中，碳酸的酸性比硅酸强，二氧化碳与硅酸钠反应生成碳酸钠和硅酸沉淀．在高温下碳酸钠与二氧化硅反应生成硅酸钠和二氧化碳，其原因是在高温条件下，生成的二氧化碳离开反应体系而使反应进行到底．2．浸过硅酸钠溶液的织物为什么不易燃烧？把织物浸过硅酸钠溶液后，硅酸钠粒子就附着在纤维的外面，形成一种保护层，把易燃的碳、氢、氧组成的纤维素和空气隔开，火焰也不能直接接触它，用火去点时就不再燃烧．当然，这主要是由于硅酸钠的耐热性高的缘故．3．半导体材料的用途物质的电阻率介于导体和绝缘体之间(电阻率在10－3~108欧姆·厘米之间)时，为半导体．半导体材料可以制造出具有各种功能的半导体器件来取代真空管用来整流、检波、放大，并有缩小电子设备体积、减轻重量、延长寿命、耐冲击、效率高和可靠性好等优点．用半导体材料制成的集成电路还可以将成千上万个分立的晶体管、电阻、电容等电子元件融为一体，使上述优点得到进一步发挥，广泛应用于通讯、电讯、电子计算机中．另外，超纯硅对红外光有很高的透过能力，可以用以制作红外聚焦透镜，对红外辐射目标进行夜间跟踪、照像、追击．利用半导体的导电能力随温度的升高或光线的照射而有显著的增大的特性，可以做成自动控制用的热敏元件(如热敏电阻等)和光敏元件．半导体材料是制作太阳能电池的主要材料．半导体材料还可制成激光二极管，用于激光通讯、测距和空间导航等方面．4．正二价硅碳族元素除硅外，主要正价为＋2、＋4价，硅主要正价为＋4价，那么有没有＋2价的硅呢？事实上除了SiO2外，还有SiO．SiO在自然界不存在，但能按下法制备：SiO2＋Si====2SiO．SiO在1800℃真空中为黄褐色物质．SiO蒸气冷却时分解为SiO2和Si．SiO在工业上称为单氧硅，是绝缘材料．5．硅与电子工业革命在美国旧金山，有个最大的高科技工业园区，被称为“硅谷”，它是现代电子工业和计算机发展的基地．这说明硅在电子工业革命中起着非常重要的作用．以硅为基础而制成的晶体管是现代计算机革命的心脏．6．石英和水晶石英的主要成分是SiO2，可用来制造石英玻璃．石英晶体中有时含有其他元素的化合物，它们以溶解状态存在于石英中，呈各种颜色．此外，由于SiO2的结构不同也会使石英产生不同的颜色．纯净的SiO2晶体叫做水晶，它是六方柱状的透明晶体，是较贵重的宝石．江苏省东海县素有“水晶之乡”之称．1958年该县发现最大的“水晶王”，质量达3.5 t．1983年1月又在该县南溜村2 m深的地下挖出一块质量为3 t高为1.4 m的水晶，同时出土的还有一块质量为400 kg 的水晶体．法国科学家皮埃尔·居里(Pierre Gurie)发现水晶在受压时能产生一定的场，这种现象被称为“压电效应”．后来这种“压电效应”被应用在电子工业上．石英薄片在高频率电场作用下，能作间歇性的伸张和收缩，其频率和施加的电场频率相同．石英的这种伸缩又引起了周围介质产生类似声波．由于水晶或石英具有这种性质，因此被广泛应用在钟表工业和超声技术上．●综合能力训练题1．在地壳内，深度每增加1千米，压力大约增加25250~30300 kPa，在这样的压力下，较简单的硅酸盐会转化为复杂的硅酸盐．已知：钙长石、镁橄榄石、石榴子石的化学式分别是：CaAl2Si2O8；Mg2SiO4；CaMg2Al2Si3O12．(1)用氧化物形式表示的化学式分别为：钙长石________，镁橄榄石________，石榴子石________．(2)写出钙长石与镁橄榄石反应转变成石榴子石的化学方程式：___________________．解析：用氧化物形式表示硅酸盐时，把金属氧化物写在前面，若有多种金属元素，按活泼性依次减弱的顺序写出其氧化物，然后写SiO2，最后写H2O，且各氧化物之间要用“·”隔开．据金属活动性顺序表知，Ca、Mg、Al的活泼性依次减弱．所以应先写钙的氧化物，再写镁的氧化物，最后写铝的氧化物．答案：(1)CaO·Al2O3·2SiO22MgO·SiO2CaO·2MgO·Al2O3·3SiO2(2)CaAl2SiO8＋Mg2SiO4====CaMg2Al2Si3O122．矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的．此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2同时作用的过程．例如钾长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土〔Al2Si2O5(OH)4〕，此反应的离子方程式为2KAlSi3O8＋2H2CO3＋9H2O====2K＋＋2HCO3＋4H4SiO4＋Al2Si2O5(OH)4，这个反应能够发生的原因是______________________________．解析：分析反应前后的酸的酸性强弱，正反映了由较强的酸制取较弱的酸这一普遍规律．亦即解释复杂的化学反应发生的原因应用的是极其简单的化学原理．答案：碳酸的酸性比原硅酸强，由较强的酸可制得较弱的酸．3．下列说法正确的是( )A ．二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟强碱反应，但不能跟任何酸反应B ．根据SiO 2＋CaCO 3高温=====CaSiO 3＋CO 2↑的反应，可推知硅酸酸性比碳酸强C ．二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸D ．二氧化硅对应的水化物有不同的组成解析：二氧化硅可以跟氢氟酸反应(SiO 2＋4HF====SiF 4↑＋2H 2O)，所以A 不正确；B 项反应是在高温条件下进行的，由于二氧化碳是气体，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强．比较硅酸和碳酸的酸性强弱要比较它们在水溶液中电离出H ＋的难易程度．C 项正确．发生的反应为：Na 2SiO 3＋CO 2＋2H 2O====H 4SiO 4↓＋Na 2CO 3 H 4SiO 4====H 2O ＋H 2SiO 3D 项二氧化硅对应的水化物可以是H 2SiO 3或H 4SiO 4，正确．答案：CD 4．已知高温下能发生反应：Si ＋C 高温=====SiC ．现在石英与炭粉的混合物a mol ，在高温电炉中充分反应，反应完全后得残留固体．(1)写出可能的反应方程式________________________，______________________．(2)若石英与混合物的物质的量之比为x (0＜x ＜1)，问x 为何值时，残留固体为何种物质？写出残留固体物质的量与x 值之间的关系，将结果填入下表(不一定填满)解析：据所学知识及题给信息，不难写出可能发生反应的方程式为SiO 2＋2C 高温=====Si ＋2CO ↑① Si＋C 高温=====SiC ②针对第(2)题讨论，不妨把①②式叠加：SiO 2＋3C 高温=====SiC ＋2CO ③讨论如下：C 、SiC SiC 、Si Si 、SiO 2①x ＝31；按①式进行，固体为Si ，3a mol ； ②x ＝41；按③式进行，固体为SiC ，4amol ；③31＜x ＜1；按①式进行，固体为Si 为2)1(x a -mol ，SiO 2为2)13(-x a mol ；④41＜x ＜31；按①②式进行，固体Si 为a (4x -1) mol ，SiC 为a (1-3x ) mol ； ⑤0＜x ＜41；按③式进行，固体SiC 为ax mol ，C 为a (1-4x ) mol ．答案：(1)SiO 2＋2C 高温=====Si ＋2CO ↑SiO 2＋3C 高温=====SiC ＋2CO ↑(2)x ＝31 Si a /3x ＝41 SiC a /41＞x ＞31 SiO 2，Si 2)13(-x a ，2)1(x a - 31＞x ＞41Si ，SiC (4x -1)a ，(1-3x )a 41＞x ＞0 C ，SiC (1-4x )a ，ax●高考真题1．(2000·上海·2)下列物质属于原子晶体的化合物是( )A ．金刚石B ．刚玉C ．二氧化硅D ．干冰解析：A 中金刚石是原子晶体的单质．而C 中二氧化硅则是原子晶体的化合物．答案：C。