硅及其化合物 思维导图
中心主题：硅及其化合物
硅
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位置与结构
- 元素周期表：第14族 (IVA族)，第三周期。
- 原子结构：原子序数14，核外电子排布
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²。 - 晶体结构：与金刚石类似的原子晶体，每个Si原子与4个Si原子形成共价单键，形成立体网状结构，硬度大、熔点高。
- 存在形态：在自然界中无游离态，主要以硅酸盐（如石棉、滑石、云母）和二氧化硅（石英、水晶、硅藻土）的形式存在。
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物理性质
- 状态：灰黑色、有金属光泽的固体。
- 导电性：半导体，导电性介于导体和绝缘体之间。
- 硬度与熔点：高硬度，高熔点（1410°C）。
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化学性质
- 常温下：化学性质不活泼，只与F₂、HF、强碱溶液反应。
Si + 2F₂ = SiF₄(气体)Si + 4HF = SiF₄↑ + 2H₂↑Si + 2NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂↑(重要反应，体现Si的还原性)
- 加热时：表现出还原性。
- 与O₂反应：
Si + O₂ =高温= SiO₂ - 与Cl₂反应：
Si + 2Cl₂ =高温= SiCl₄(液态，用于制备高纯硅)
- 与O₂反应：
- 常温下：化学性质不活泼，只与F₂、HF、强碱溶液反应。
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工业制备
- 原料：石英砂 (SiO₂)、焦炭。
- 步骤：
- 制粗硅：
SiO₂ + 2C =高温= Si(粗) + 2CO↑(电弧炉) - 提纯：采用粗硅氯化法。
Si(粗) + 2Cl₂ =高温= SiCl₄(得到液态SiCl₄，利用沸点不同提纯)
- 还原：
SiCl₄ + 2H₂ =高温= Si(纯) + 4HCl(得到高纯硅，用于半导体)
- 制粗硅：
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主要用途
- 半导体材料：制造芯片、晶体管、集成电路等。
- 合金：含硅钢具有导磁性好、耐酸等特性。
- 耐火材料：硅铁合金用作炼钢的脱氧剂。
二氧化硅 (SiO₂)
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存在与结构
- 存在形式：石英、水晶、玛瑙、硅藻土等。
- 晶体结构：原子晶体，每个Si原子与4个O原子形成共价键，每个O原子与2个Si原子形成共价键，形成立体网状结构，这是其高硬度、高熔点、化学性质稳定的原因。
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物理性质
- 状态：固体，不溶于水。
- 硬度与熔点：硬度大，熔点高（约1700°C）。
- 溶解性：不溶于水和一般的酸（HF除外）。
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化学性质
- 酸性氧化物：但不与水反应生成硅酸。
- 与碱反应：
SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O(盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞) - 与碱性氧化物反应：
SiO₂ + CaO =高温= CaSiO₃(炼铁高炉中的造渣反应) - 与氢氟酸反应：
SiO₂ + 4HF = SiF₄↑ + 2H₂O(唯一能与SiO₂反应的酸，用于雕刻玻璃) - 与碳酸盐反应：
SiO₂ + Na₂CO₃ =高温= Na₂SiO₃ + CO₂↑(工业制备玻璃的反应之一)
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主要用途
- 建筑材料：玻璃、陶瓷、水泥。
- 光学仪器：石英玻璃（耐高温、透光性好）。
- 工艺品：水晶、玛瑙。
- 填料：硅藻土作吸附剂、催化剂载体。
硅酸 (H₂SiO₃)
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概述
- 通式：xSiO₂·yH₂O，最简单的是原硅酸
H₄SiO₄，不稳定，易失水形成硅酸H₂SiO₃。 - 酸性强弱：很弱的酸，比碳酸还弱。
- 通式：xSiO₂·yH₂O，最简单的是原硅酸
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制备
- 方法：可溶性硅酸盐与酸反应。
Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl- 现象：生成白色胶状沉淀。
- 特性：生成的硅酸会逐渐脱水形成硅胶。
- 方法：可溶性硅酸盐与酸反应。
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硅胶
- 成分：
mSiO₂·nH₂O。 - 性质：多孔，吸附性强。
- 用途：
- 干燥剂：实验室和食品中用作干燥剂。
- 催化剂载体。
- 变色硅胶：含CoCl₂，干燥时为蓝色，吸水后变为粉红色。
- 成分：
硅酸盐
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概述
- 定义：硅酸、原硅酸等的盐。
- 结构特点：基本单元是硅氧四面体 (
SiO₄⁴⁻)，这些四面体通过共用氧原子可以形成链状、层状或网状结构，决定了硅酸盐材料的性质。
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硅酸钠 (Na₂SiO₃)
- 俗称：水玻璃、泡花碱。
- 物理性质：白色固体，易溶于水，水溶液俗称“水玻璃”，有粘性，显碱性。
- 用途：
- 粘合剂：木材、纸张的粘合。
- 防火材料：涂在织物、木材上作防火层。
- 洗涤剂：作洗涤助剂。
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硅酸盐产品 (三大传统无机非金属材料)
- 水泥
- 主要成分：硅酸三钙 (
3CaO·SiO₂)、硅酸二钙 (2CaO·SiO₂)、铝酸三钙 (3CaO·Al₂O₃)。 - 生产原料：石灰石、粘土。
- 硬化原理：水泥与水发生水化反应，生成凝胶状物质，将砂、石等牢固地胶结在一起。
- 主要成分：硅酸三钙 (
- 玻璃
- 主要成分：Na₂SiO₃、CaSiO₃、SiO₂。
- 生产原料：纯碱、石灰石、石英砂。
- 特性：无固定熔点，在一定温度范围内软化。
- 常见类型：
- 普通玻璃：Na₂CO₃ + SiO₂ + CaCO₃ =高温= Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + CO₂↑
- 钢化玻璃：普通玻璃淬火处理，强度高、耐冲击。
- 有色玻璃：加入金属氧化物 (如Co₂O₃呈蓝色，Cu₂O呈红色)。
- 陶瓷
- 主要成分：硅酸盐。
- 生产原料：粘土。
- 特性：抗氧化、耐腐蚀、耐高温、绝缘。
- 用途：日用器皿、建筑、艺术品。
- 水泥
无机非金属材料
- 定义：指除金属材料、高分子材料以外的所有材料，主要成分是硅酸盐、氧化物、氮化物等。
- 分类
- 传统无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷。
- 新型无机非金属材料：
- 半导体材料：高纯硅、砷化镓。
- 光导纤维：主要成分是SiO₂，用于信息高速公路。
- 高温结构陶瓷：氮化硅 (Si₃N₄)、碳化硅，用于制造发动机、轴承等。
- 生物陶瓷：用于人造骨骼、牙齿等。
核心转化关系 (物质间的桥梁)
graph TD
subgraph "硅及其化合物转化关系"
A[Si] -- O₂, 高温 --> B[SiO₂]
B -- 2NaOH, H₂O --> C[Na₂SiO₃]
C -- HCl, CO₂等 --> D[H₂SiO₃] --> E[硅胶]
B -- CaO, 高温 --> F[CaSiO₃]
B -- C, 高温 --> G[Si(粗)]
G -- Cl₂, 高温 --> H[SiCl₄]
H -- H₂, 高温 --> A[Si(纯)]
C -- Na₂CO₃, 高温 --> B[SiO₂]
B -- Na₂CO₃, 高温 --> I[玻璃]
B -- CaCO₃, 高温 --> I
B -- 石灰石, 粘土, 高温 --> J[水泥]
B -- 粘土, 高温 --> K[陶瓷]
end
转化关系详解：
- 硅 → 二氧化硅：Si在O₂中燃烧。
- 二氧化硅 → 硅酸钠：SiO₂与强碱溶液反应。
- 硅酸钠 → 硅酸：硅酸钠溶液与酸（或CO₂）反应，制得硅酸。
- 二氧化硅 → 硅酸钙：SiO₂与碱性氧化物（如CaO）在高温下反应。
- 二氧化硅 → 粗硅：工业上用C还原SiO₂制粗硅。
- 粗硅 → 四氯化硅：粗硅与Cl₂反应。
- 四氯化硅 → 高纯硅：用H₂还原SiCl₄制得高纯硅。
- 二氧化硅 → 玻璃：SiO₂与纯碱、石灰石共熔。
- 二氧化硅 → 水泥：SiO₂与石灰石、粘土共熔。
- 粘土 → 陶瓷：粘土高温烧结。
