硅與碳元素知識(shí)的總結(jié)分析

方瓊

【摘要】? 本文通過(guò)對(duì)硅元素與碳元素在存在形式、結(jié)構(gòu)類型、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)、其形成的化合物及應(yīng)用進(jìn)行分析，對(duì)二者的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，希望能對(duì)其他學(xué)生有所幫助。

【關(guān)鍵詞】? 硅元素 碳元素 知識(shí)總結(jié)

【中圖分類號(hào)】? G633.8? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A ? ? 【文章編號(hào)】? 1992-7711（2019）02-253-01

前言

硅元素與碳元素在形態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)等方面存在著許多不同，但也存在許多相同之處，將二者進(jìn)行比較，并做出總結(jié)分析，有利于加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對(duì)其知識(shí)的鞏固，提升理解水平。

一、在自然界中存在的形式

在元素周期表中，硅元素與碳元素屬于易得電子和易失電子的主族元素的中間位置，硅元素與碳元素的最外層電子數(shù)都為4，易生共價(jià)化合物;單質(zhì)晶體所謂類型都為原子晶體，氧化物的晶體類型稍有不同，硅元素的氧化物還是原子晶體，碳元素的氧化物是分子晶體;但是在原子半徑上差別較大，硅元素的原子半徑要大于碳元素;碳元素的熔點(diǎn)很高，硅元素的熔點(diǎn)比金剛石稍低;但二者都是很弱的非金屬元素，一般的常溫環(huán)境中二者都不會(huì)與其他物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)。

硅元素在地殼中的含量達(dá)到了26.3%，含量?jī)H次于氧。在自然界中，由于硅易與氧結(jié)合，所以不存在游離態(tài)的硅。硅在自然界以化合物的形態(tài)出現(xiàn)，以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在于各種礦物及巖石中，在地殼中，由硅含氧化合物構(gòu)成的硅酸鹽礦或石英礦也可以窺見(jiàn)它的影蹤，這類礦石大部分都十分堅(jiān)硬。而碳元素在自然界中的形態(tài)與硅元素差別非常大。就整個(gè)地球而言，碳元素是形成化合物種類最豐富的元素，如地殼中的碳酸鹽礦，如石油、蛋白質(zhì)、糖、動(dòng)植物體內(nèi)脂肪及纖維素等有機(jī)物，又如游離狀態(tài)的碳，如石墨及金剛石等晶體。碳元素是構(gòu)成動(dòng)植物的重要元素，生物生命的必要元素核苷酸和氨基酸就是以碳元素為基礎(chǔ)逐漸進(jìn)化演變而來(lái)的，碳鏈一節(jié)節(jié)接長(zhǎng)成為蛋白質(zhì)及核酸，演化出單細(xì)胞生物，進(jìn)而再演化成鳥(niǎo)、獸、魚(yú)、蟲(chóng)，演化成猴子、猩猩、再逐漸進(jìn)化成為人類，所以，沒(méi)有碳就沒(méi)有生命的存在，含碳的化合物奠定了一切生命的基礎(chǔ)。

二、結(jié)構(gòu)類型及物理性質(zhì)

硅元素的形態(tài)可以分為晶形和無(wú)定形兩種，晶體一般以正四面體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，類似于金剛石。晶形是灰黑色的、有金屬光澤的、脆而硬的固體形態(tài)，單晶硅和金剛石是典型的原子晶體。無(wú)定形是黑色的粉末，無(wú)論硅元素是以哪種形態(tài)出現(xiàn)，其沸點(diǎn)及熔點(diǎn)都非常高，硬度也很大，可做半導(dǎo)體。碳的形態(tài)可以分為無(wú)定形碳、石墨及金剛石三種，以金剛石為例，金剛石是正四面體結(jié)構(gòu)，排列緊，鍵能大，各原子間彼此聯(lián)結(jié)的空間網(wǎng)狀晶體。碳元素中最具代表性的就是金剛石和石墨，因?yàn)樘荚优帕蟹绞降牟煌?，物理性質(zhì)上存在較大差異，金剛石并不具備導(dǎo)電性，石墨做為一種原子晶體，介于金屬和分子晶體之間，類似于一種過(guò)渡晶體，所以，其能導(dǎo)熱導(dǎo)電，并且有金屬光澤。硅雖然也能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率遠(yuǎn)不及金屬，所以在上文中說(shuō)到硅是半導(dǎo)體，導(dǎo)電率隨著溫度的不斷升高而增高。原因是當(dāng)溫度升高時(shí)，Si-Si鍵易斷裂，晶體中電子流動(dòng)加快。

三、化學(xué)性質(zhì)

硅元素的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在一般的常溫環(huán)境中，除了與F2、HF強(qiáng)堿反應(yīng)，不會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在加熱狀態(tài)，可以與O2、H2等產(chǎn)生反應(yīng)。按形態(tài)區(qū)分開(kāi)來(lái)說(shuō)的話，晶態(tài)硅元素的化學(xué)性質(zhì)不活潑，而無(wú)定形硅晶態(tài)硅要活潑得多。石墨的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能被濃INO3，濃H2SO4，NaC1O4，KMnO4等強(qiáng)氧化劑氧化，金剛石與石墨經(jīng)過(guò)燃燒能得到二氧化碳。下面將硅與碳與某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況進(jìn)行歸納：

（一）與單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)

C+O2=點(diǎn)燃=CO2

C+2S=（蒸氣）高溫700℃=CS2

Si+O2=SiO2

Si+2C12=高溫燃燒=SiCI4

（二）與化合物發(fā)生反應(yīng)

C+4HNO3（濃）=加熱=CO2↑+4NO2↑+2H2O

Si+4HF=高溫=SiF4↑+2H2↑

C+2CuO=加熱=2Cu+CO2

Si+3FeO=高溫=FeSiO3+2Fe

四、化合物及其應(yīng)用

（一）二氧化硅

硅的化合物-二氧化硅，其晶體結(jié)構(gòu)為空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要性質(zhì)是無(wú)色、高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、高硬度。二氧化硅作為一種酸性氧化物，其身上有著所有酸性氧化物的普遍性，能夠與堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)，如化學(xué)方程式SiO2+CaO=高溫=CaSiO3，生石灰與二氧化硅反應(yīng)，生成硅酸鈣;其還能與堿發(fā)生反應(yīng)，生成鹽和水，如SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O，二氧化硅與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，生成硅酸鈉與水。在日常生活中，可作為光導(dǎo)纖維及建筑材料等出現(xiàn)。

（二）硅酸與硅酸鹽

硅的化合物-硅酸與硅酸鹽，硅酸是通過(guò)可溶性硅酸鹽與酸進(jìn)行反應(yīng)而形成的，不溶于水，且酸性較碳酸弱的物質(zhì)[2]。硅酸鹽是由硅、氧及金屬組成的整體化合物的名稱，在生活中泡花堿和水玻璃的形態(tài)出現(xiàn)，在制作陶瓷工藝品、制造水泥及玻璃等建筑材料上應(yīng)用廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在超導(dǎo)陶瓷及光導(dǎo)纖維等新材料領(lǐng)域也收到關(guān)注。

（三）二氧化碳

碳的化合物-二氧化碳，在工業(yè)中，一般采取煅燒石灰石的方法制造二氧化碳，即CaCO3=高溫=CaO+CO2↑;在日常生活中，可以采用燃燒木炭或用小蘇打+食醋的方法制造。其物理性質(zhì)為無(wú)味無(wú)色氣體，可溶于水，高壓低溫下可形成干冰，密度較空氣大，不可燃。其化學(xué)性質(zhì)為不可燃燒，不支持燃燒，且不能供給呼吸，能與水產(chǎn)生反應(yīng)，生成碳酸，即CO2+H2O=H2CO3，能使紫色石蕊試液變紅。在人們的日常生活中廣泛用于滅火、人工降雨、制冷、溫室施肥哦及食用飲料。同時(shí)，隨著人類對(duì)能源的消耗，及對(duì)森林環(huán)境的破壞，大氣中二氧化碳含量不斷增加，致使全球變暖，威脅人類生活。

（四）一氧化碳

碳的化合物-一氧化碳，其物理性質(zhì)為無(wú)味無(wú)色氣體，密度小于空氣，難溶于水。其化學(xué)性質(zhì)為可燃性及還原性，該氣體吸入人肺會(huì)與人體血液中的血紅蛋白產(chǎn)生反應(yīng)，使人中毒。在工業(yè)生產(chǎn)中，被作為重要生產(chǎn)原料，可制造一系列工業(yè)產(chǎn)品，如甲醇、乙酸及光氣等，在治金工業(yè)中，還被用作燃料和金屬還原劑。

結(jié)論

綜上所述，掌握硅元素與碳元素在方方面面的相同與差異，能方便我們了解二者的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)，掌握二者的化學(xué)方程式，理解其在生活中的應(yīng)用原理，找到規(guī)律，加強(qiáng)學(xué)習(xí)。

[ 參? 考? 文? 獻(xiàn) ]

[1]宋安泰.高中化學(xué)常見(jiàn)元素及其化合物解題技巧的思考[J].當(dāng)代化工研究，2018（09）：34-35.

[2]焦淑桂.如何引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)元素及化合物[J].甘肅教育，2018（07）：115.