“硅及其化合物”知識揭秘

湯穎

一、硅單質(zhì)

晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石相似，它是帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高、硬度大、有脆性，不溶于水。常溫下單質(zhì)硅能與F2、氫氟酸和NaOH等強堿溶液反應(yīng);加熱或高溫下單質(zhì)硅能與O2、Cl2等非金屬反應(yīng)。掌握晶體硅的結(jié)構(gòu)特點、物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)是應(yīng)用的關(guān)鍵。

例1 下列對有關(guān)晶體硅的敘述正確的是（? ）。

A.晶體硅的物理性質(zhì)與金剛石相似

B.晶體硅不能與任何酸發(fā)生反應(yīng)

C.加熱或高溫下，晶體硅才能與O2、Cl2、F2和NaOH溶液反應(yīng)

D.晶體硅是具有金屬光澤的灰黑色固體，故它屬于金屬材料

解析 因晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石相似（均是具有正四面體形的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)），則晶體硅的物理性質(zhì)與金剛石相似（熔沸點高，硬度大），A項正確;晶體硅能與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)，B項錯誤;常溫下晶體硅就能與F2和NaOH溶液反應(yīng)，C項錯誤;雖然晶體硅具有金屬光澤，但它屬于非金屬材料，D項錯誤。答案為A項。

二、二氧化硅

二氧化硅晶體是由Si和O按1∶2的比例所組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，熔點高、硬度大、不溶于水。常溫下SiO2能與氫氟酸、NaOH溶液等強堿溶液反應(yīng);高溫下SiO2能與C、碳酸鹽、CaO等堿性氧化物反應(yīng)。掌握二氧化硅晶體的結(jié)構(gòu)特點、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)是應(yīng)用的關(guān)鍵。

例2 下列有關(guān)二氧化硅的敘述不正確的是（? ）。

A.二氧化硅是一種具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，熔沸點高、硬度大

B.二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，熔融NaOH固體可用石英坩堝

C.二氧化硅是酸性氧化物，但不能用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸

D.在反應(yīng)

SiO2+2C高溫Si+2CO

中，SiO2表現(xiàn)氧化性

解析 二氧化硅是一種具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，熔沸點高、硬度大，A項正確;二氧化硅是酸性氧化物，能與NaOH反應(yīng)，則熔融NaOH固體不能用石英坩堝，B項不正確;盡管二氧化硅是酸性氧化物，但二氧化硅能與氫氟酸反應(yīng)而腐蝕玻璃，則不能用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸，C項正確;在反應(yīng)

SiO2+2C高溫Si+2CO

中，SiO2是氧化劑，即SiO2表現(xiàn)氧化性，D項正確。答案為B項。

例3 （高考題組合）下列說法正確的是（? ）。

A.（2012年福建理綜卷）二氧化硅與水作用形成的溶液能與NH4Cl反應(yīng)生成NH3

B.（2012年天津理綜卷）SiO2與酸、堿均不反應(yīng)

C.（2014年江蘇化學(xué)卷）在SiO2、NaOH和HF三種物質(zhì)中，任意兩種物質(zhì)在一定條件下均能發(fā)生反應(yīng)

D.（2014年海南化學(xué)卷）濃硫酸可刻蝕石英制藝術(shù)品

解析 二氧化硅不溶于水，且與水不反應(yīng)，A 項錯誤;SiO2與氫氟酸、NaOH溶液和KOH溶液均能反應(yīng)，B項錯誤;SiO2與NaOH和HF均能反應(yīng)，NaOH與HF也能反應(yīng)，C項正確;濃硫酸與石英（二氧化硅）不反應(yīng)，濃硫酸不能刻蝕石英制藝術(shù)品（氫氟酸可刻蝕石英制藝術(shù)品），D項錯誤。答案為C項。

三、硅酸

硅酸是難溶于水的固體;硅酸屬二元弱酸，其酸性比碳酸還弱。在實驗室，用可溶性硅酸鹽（如Na2SiO3）溶液與其他酸（如鹽酸、碳酸等）反應(yīng)可制得硅酸。學(xué)生應(yīng)掌握硅酸的的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)及實驗室制法。

例4 下列有關(guān)硅酸的敘述正確的是（? ）。

A.硅酸可以通過二氧化硅和水的化合反應(yīng)直接制取

B.用反應(yīng)

Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl

制取硅酸是利用了可溶性酸制難溶性酸的性質(zhì)

C.由反應(yīng)

Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3↓+Na2CO3

可知，硅酸的酸性比碳酸弱D.因為硅酸難溶于水，所以硅酸不能與NaOH溶液反應(yīng)

解析 二氧化硅與水不反應(yīng)，則硅酸不能通過二氧化硅和水的化合反應(yīng)直接制取，A項錯誤;用反應(yīng)

Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl

制取硅酸是利用了強酸制弱酸的性質(zhì)，B項錯誤;根據(jù)由較強酸制較弱酸的原理，由反應(yīng)

Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3↓+Na2CO3

可知，硅酸的酸性比碳酸弱，C項正確;雖然硅酸難溶于水，但硅酸能與NaOH溶液反應(yīng)，D項錯誤。答案為C項。

四、硅酸鹽

硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。大多數(shù)硅酸鹽不溶于水，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。硅酸鹽可以用二氧化硅和金屬氧化物的形式表示，其排列順序為“活潑金屬氧化物·較活潑金屬氧化物·二氧化硅·水”。最簡單的硅酸鹽是硅酸鈉（Na2SiO3），可溶于水，其水溶液俗稱水玻璃。學(xué)生要掌握硅酸鹽組成的表示方法和性質(zhì)及硅酸鈉的知識。

例5 下列有關(guān)硅酸鹽的敘述正確的是（? ）。

A.硅酸鹽都難溶于水

B.Na2SiO3性質(zhì)穩(wěn)定，Na2SiO3溶液長期敞口保存在空氣中不會變質(zhì)

C.鉀云母（K2Al6Si6H4O24）用氧化物的形式可表示為K2O·2H2O·Al2O3·6SiO2

D.滑石（Mg3H2Si4O12）用氧化物的形式可表示為3MgO·4SiO2·H2O

解析 大多數(shù)硅酸鹽難溶于水，但硅酸鈉可溶于水，A項錯誤;Na2SiO3溶液長期敞口保存在空氣中能夠吸收空氣中的CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成H2SiO3沉淀而變質(zhì)，B項錯誤;鉀云母用氧化物的形式應(yīng)表示為K2O·Al2O3·6SiO2·2H2O，C項錯誤;滑石用氧化物的形式表示正確，D項正確。答案為D項。

五、無機非金屬材料

陶瓷、玻璃、水泥等是使用量最大的無機非金屬材料，其有關(guān)知識見表1。

掌握陶瓷、玻璃、水泥的有關(guān)知識是應(yīng)用的關(guān)鍵。

例6 下列有關(guān)硅酸鹽材料的敘述不正確的是（? ）。

A.石灰石是生產(chǎn)普通玻璃和普通水泥都需要的原料

B.普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、Ca2SiO3、SiO2

C.生產(chǎn)普通玻璃的兩個主要反應(yīng)為

SiO2+Na2CO3高溫Na2SiO3+CO2↑

SiO2+CaCO3高溫CaSiO3+CO2↑

D.黏土是生產(chǎn)陶瓷、普通玻璃和普通水泥都需要的原料

解析 生產(chǎn)普通玻璃和普通水泥都需要石灰石，A項正確;普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、Ca2SiO3、SiO2，B項正確;生產(chǎn)普通玻璃的兩個主要反應(yīng)為

SiO2+Na2CO3高溫Na2SiO3+CO2↑

SiO2+CaCO3高溫CaSiO3+CO2↑

C項正確;生產(chǎn)陶瓷和普通水泥都需要黏土，而生成普通玻璃不需要黏土，D項不正確。答案為D項。

六、硅及其重要化合物的用途

硅及其重要化合物有著重要的用途。學(xué)生要掌握單質(zhì)硅、二氧化硅、硅膠、硅酸鈉等的主要用途，以便能夠靈活應(yīng)用。

例7 下列有關(guān)硅及其重要化合物用途的敘述不正確的是（? ）。

A.單質(zhì)硅可用于制光導(dǎo)纖維，二氧化硅是良好的半導(dǎo)體材料

B.二氧化硅可用于制玻璃、耐火材料、石英電子表、石英鐘等

C.硅膠常用作實驗室和袋裝食品、瓶裝藥品等的干燥劑

D.水玻璃是制備硅膠和木材防火劑等的原料

解析 單質(zhì)硅是良好的半導(dǎo)體材料，二氧化硅可用于制光導(dǎo)纖維，A項不正確;二氧化硅可用于制玻璃、耐火材料、石英電子表、石英鐘等，B項正確;硅膠多孔，吸附水分能力強，常用作實驗室和袋裝食品、瓶裝藥品等的干燥劑，C項正確;水玻璃是制備硅膠和木材防火劑等的原料，D項正確。答案為A項。

例8 （高考題組合）下列有關(guān)說法正確的是（? ）。

A.（2009年四川理綜卷）單晶硅常用于制造光導(dǎo)纖維

B.（2012年全國理綜課標卷）單質(zhì)硅是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿某Ｓ貌牧?/p>

C.（2014年四川理綜卷）硅膠可作袋裝食品的干燥劑

D.（2014年海南化學(xué)卷）Si和SiO2都用于制造光導(dǎo)纖維

解析 單晶硅是良好的半導(dǎo)體材料（二氧化硅常用于制造光導(dǎo)纖維），A項錯誤;單質(zhì)硅是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿某Ｓ貌牧?，B項正確;硅膠無毒、無味、無腐蝕性，具有吸水性，可用作食品干燥劑，C項正確;Si不能用于制造光導(dǎo)纖維，D項錯誤。答案為B、C。

七、硅及其化合物的計算

有關(guān)硅及其化合物的計算主要有兩類：一是根據(jù)硅酸鹽化學(xué)式的計算，可利用化合物中各元素化合價代數(shù)和為零的原則進行求解。二是有關(guān)硅及其化合物反應(yīng)的計算，常根據(jù)反應(yīng)的化學(xué)方程式進行求解。同時，要注重守恒法、差量法等方法的應(yīng)用。

例9 國際上已禁止民用產(chǎn)品使用石棉制品，避免吸入石棉纖維而誘發(fā)肺病。某石棉（硅酸鹽）的化學(xué)式可表示為Ca2MgxSiyO22（OH）2，式中的x、y的值分別為（? ）。

A.8，3? B.5，8 ?C.3，8? ?D.8，5

解析 根據(jù)化合物中各元素化合價代數(shù)和為零的原則可得，2×2+2x+4y-2×22-1×2=0，解得x+2y=21;將各選項的x、y值代入，只有B項符合題意（x+2y=5+2×8=21）。故答案為B項。

例10 工業(yè)上，在高溫條件下用焦炭還原二氧化硅制備單質(zhì)硅;已知在焦炭過量時會生成副產(chǎn)物SiC。某化學(xué)興趣小組模擬單質(zhì)硅的工業(yè)制法，取18 g SiO2和8.4 g焦炭在高溫下充分反應(yīng)，二者完全反應(yīng)后收集到標準狀況下的氣體13.44 L，假設(shè)氣體產(chǎn)物只有CO，固體產(chǎn)物只有Si和SiC，則Si和SiC的物質(zhì)的量之比為（? ）。

A.2∶1? B.1∶2 ?C.3∶2? ?D.2∶3

解析 由題意可知，n（SiO2）=18 g÷60 g·mol-1=0.3 mol，n（C）=8.4 g÷12 g·mol-1=0.7 mol，n（CO）=13.44 L÷22.4 L·mol-1=0.6 mol。由反應(yīng)

SiO2+2C高溫Si+2CO

可知，生成0.6 mol CO的同時生成0.3 mol Si，與SiO2反應(yīng)的C的物質(zhì)的量為0.6 mol;從而可知，此時剩余C的物質(zhì)的量為0.7 mol-0.6 mol=0.1 mol;再由反應(yīng)

Si+C高溫SiC

可知，0.1 mol C與0.1 mol Si反應(yīng)生成0.1 mol SiC;則Si和SiC的物質(zhì)的量之比為（0.3 mol-0.1 mol）∶0.1 mol=2∶1。答案為A項。

基金項目：南通市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題：高中化學(xué)研究性學(xué)習生態(tài)化問題情境創(chuàng)設(shè)的研究，XH2016036，教育學(xué)會專項。

（收稿日期：2021-09-07）