中學(xué)化學(xué)中“硅及其化合物”的疑點解析

丁淑媛 王雨欣 徐林 唐亞文

摘要：以中學(xué)化學(xué)“硅及其化合物”教學(xué)內(nèi)容為例，指出教學(xué)實踐中的疑點問題，并從基本理論、實驗探究及圖像分析出發(fā)，對粗硅的制備、玻璃瓶存放氫氧化鈉、硅膠作干燥劑等疑點問題進行了探討與甄辨，為“硅及其化合物”適應(yīng)新課程標(biāo)準(zhǔn)下的課堂教學(xué)提供更加豐富的學(xué)習(xí)素材，促進學(xué)習(xí)者對化學(xué)學(xué)科的理解。

關(guān)鍵詞：硅及其化合物;疑點解析;粗硅;玻璃;硅膠

文章編號：1008-0546（2022）07-0093-03中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.023

硅（Si），位于元素周期表第三周期，ⅣA族，是地殼中含量第二的元素，也是無機非金屬材料的重要組成元素之一。從陶瓷、玻璃、水泥等傳統(tǒng)硅酸鹽制品到半導(dǎo)體硅晶體、介孔氧化硅、有機硅等新型材料[1，2]，硅元素的發(fā)展對人類社會的進步起著巨大的推動作用。人教版高中化學(xué)必修（第二冊）第五章第三節(jié)以“硅及其化合物”為主題，初步介紹了其性質(zhì)和用途[3]，旨在展現(xiàn)化學(xué)科學(xué)對研發(fā)新型材料的重要作用，幫助學(xué)生理解化學(xué)學(xué)科對社會進步的價值。從邵傳強[4]、陶杰[5]、徐小健[6]等人的教學(xué)實踐中可以看出，“單質(zhì)硅的制備”“二氧化硅與氫氧化鈉和氫氟酸的反應(yīng)”“硅酸的制備與應(yīng)用”等知識點共同構(gòu)成了本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)要點，但對于“為什么碳還原制備單質(zhì)硅生成的是一氧化碳”“為什么二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)，卻可以用玻璃瓶存放氫氧化鈉”“為什么硅膠可以作為干燥劑”等問題未加以科學(xué)說明，或以工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗和實驗事實加以解釋，缺乏對學(xué)生認(rèn)識、學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的科學(xué)引導(dǎo)。本文即以上述問題為重點進行深入探究。

一、粗硅的制備

人教版高中化學(xué)必修（第二冊）介紹了“工業(yè)上用焦炭還原石英砂可以制得含有少量雜質(zhì)的粗硅”[3]，反應(yīng)過程如下：

SiO2+ 2C = Si +2CO

該反應(yīng)與鐵的冶煉過程形成較強的認(rèn)知沖突，同樣是以焦炭在高溫環(huán)境下還原氧化物，為什么該反應(yīng)的氧化產(chǎn)物是一氧化碳而不是二氧化碳？為什么使用碳作還原劑，而不使用一氧化碳或綠色還原劑——氫氣？本文從化學(xué)熱力學(xué)的角度出發(fā)，對氧化產(chǎn)物的可能情況和還原劑的選擇反應(yīng)（1）～（4）作出合理的解釋。

SiO2（s）+2C（s）=Si（s）+2CO（g）

SiO2（s）+C（s）= Si（s）+CO2（g）

SiO2（s）+2CO（g）=Si（s）+2CO2（g）

SiO2（s）+2H2（g）=Si（s）+2H2O（g）

由于化學(xué)反應(yīng)的焓變和熵變對298K 時數(shù)值的偏離程度較小[7]，在忽略溫度對焓變和熵變的影響基礎(chǔ)上，我們選擇熱力學(xué)數(shù)據(jù)表（表1）中298 K 的反應(yīng)焓變和熵變代替實際反應(yīng)溫度下的值，反應(yīng)中各相關(guān)物質(zhì)在298K 時的焓變和熵變值如表1所示。Δr Gm（?）（ T）≈ΔrHm（?）（298K）-TΔrSm（?）（298K），令Δr Gm（?）（ T）=0，便可計算出反應(yīng)發(fā)生需要的臨界點溫度。

從表2可以看出：四種可能發(fā)生的反應(yīng)均屬于吸熱熵增型反應(yīng)，升高溫度有利于反應(yīng)向正反應(yīng)方向發(fā)生，當(dāng)反應(yīng)溫度大于臨界點溫度時，Δr Gm（?） <0，反應(yīng)自發(fā)進行;焦炭被二氧化硅氧化為二氧化碳的臨界點溫度為2797.1 K，被氧化為一氧化碳的臨界點溫度為1911.8 K，而工業(yè)生產(chǎn)制粗硅的反應(yīng)溫度一般為 2073.15K～2273.15 K，超過了反應(yīng)（1）的臨界點溫度，但沒有達(dá)到反應(yīng)（2）的臨界點溫度。因此，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，C與SiO2反應(yīng)更傾向于生成CO;一氧化碳、氫氣還原二氧化硅的臨界點溫度分別為37817.6 K、4581.3 K，耗能巨大，這與工業(yè)生產(chǎn)的原則不符，粗硅的制備更傾向于選擇使用焦炭作還原劑。

二、玻璃瓶為什么能存放氫氧化鈉？

理論上，SiO2溶于 NaOH，方程式為：SiO2+2NaOH =Na2SiO3+H2O。但玻璃的主要成分是 SiO2，為何玻璃瓶能存放 NaOH？中學(xué)中往往從玻璃表面的光滑度與反應(yīng)難易之間的關(guān)系進行解釋，但根本原因并非如此。在水相體系中，通過調(diào)節(jié)溶液的 pH，利用硅酸鹽水解生成的 SiO2沉淀往往是小分子的硅酸聚合物，聚合主要通過硅酸分子和硅酸負(fù)離子間的氧聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)[8]：

失水越多，聚合度越高，在水或NaOH 中的溶解度也就越小[9]。由于普通玻璃經(jīng)過高溫煅燒制得，其結(jié)構(gòu)中硅原子與氧原子以 sp3雜化形式相互連接，形成穩(wěn)定互聯(lián)結(jié)構(gòu)的無機高分子，因此很難與 NaOH 反應(yīng)。為證明上述觀點，本文設(shè)計如下實驗進行證明：

各取2 mL 1 mol·L-1新鮮配制的 Na2SiO3溶液于4 只玻璃瓶（分別標(biāo)號為 A、B、C、D 號）中，分別滴加2 mL 1 mol·L-1的鹽酸溶液，可以觀察到有白色膠狀沉淀生成。將上述4個小玻璃瓶分別在電爐上加熱0、5、15、25 min，冷卻一段時間后，再向其中加入4 mL 1 mol·L-1 NaOH溶液，攪拌，充分反應(yīng)15 min后，實驗結(jié)果見圖1。

觀察圖1發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)加熱的 SiO2沉淀在氫氧化鈉中完全溶解;隨加熱時間增長，xSiO2·yH2O 體系有部分結(jié)塊現(xiàn)象，且在氫氧化鈉中溶解度逐漸減小;而工業(yè)化高溫制得的 SiO2（圖1 中的 E）在 NaOH溶液中幾乎不溶。上述結(jié)果能合理地解釋氫氧化鈉溶液可以儲存在玻璃試劑瓶中的緣由。

三、硅膠吸水變色的化學(xué)原理

硅膠是常用的干燥劑，主要成分是SiO2。通常硅膠中含有微量的 CoCl2作為顯色劑，在無水狀態(tài)下呈藍(lán)色，吸水后變成粉紅色。由于硅膠中含有豐富的孔道結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定的表面含氧基團，這些含氧基團能夠通過氫鍵作用，吸附空氣的水分子，從而起到吸水作用[10]。但是中學(xué)生很難理解硅膠吸水變色的基本原理。因此，本文設(shè)計了一個簡單實驗，利用現(xiàn)代儀器分析方法，向中學(xué)生直觀地證明硅膠的孔道結(jié)構(gòu)和表面含氧基團的存在。具體實驗如下：

取2 mL 1 mol·L-1 新配 Na2SiO3溶液于小玻璃瓶中，向其中逐滴加入約2 mL 1 mol·L-1新配制的鹽酸溶液，有白色膠狀沉淀生成;冷凍干燥后，取少量固體粉末樣品進行表征。

掃描電子顯微鏡（SEM）清晰地顯示硅膠表面存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)，如圖2a所示。將所得硅膠分別在105℃與500℃下熱處理后，做紅外測試。由圖2b 可知，硅膠表面含有豐富的含氧基團，經(jīng)500℃處理后，硅膠表面羥基峰強度有所減弱，其吸水能力從25.74%降低到23.47%，這說明硅膠表面的含氧基團具有較強的穩(wěn)定性，且與其吸水能力有關(guān)聯(lián)性。

四、結(jié)語

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》降低了“硅及其化合物”作為認(rèn)識結(jié)果的要求，加強了其作為認(rèn)識對象和認(rèn)識素材的要求[11]。但這并不意味著“硅及其化合物”的知識要從中學(xué)化學(xué)中淡出，而是需要對相關(guān)知識的課堂教學(xué)作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。本文通過化學(xué)基本理論、化學(xué)實驗和化學(xué)分析測試方法，對中學(xué)化學(xué)中硅及其化合物的幾個疑點問題給出了科學(xué)合理的解釋，在豐富課堂學(xué)習(xí)資料的同時，也從事實上回答了“化學(xué)學(xué)什么”“化學(xué)怎么學(xué)”，有助于“宏觀辨識與微觀探析、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的生成。

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