2025年高一上學(xué)期化學(xué)硅及其化合物性質(zhì)測(cè)試一、硅單質(zhì)的性質(zhì)與制備硅是元素周期表中第14號(hào)元素，位于第三周期第ⅣA族，與碳元素同主族。硅原子最外層有4個(gè)電子，其原子結(jié)構(gòu)示意圖為+14284，在化學(xué)反應(yīng)中既不易失去電子也不易得到電子，主要形成+4價(jià)化合物。硅在地殼中的含量約為26.3%，僅次于氧元素，是構(gòu)成巖石、土壤和許多礦物的基本成分。由于硅具有強(qiáng)烈的親氧性，在自然界中不存在游離態(tài)的硅，全部以化合態(tài)形式存在，主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式分布于地殼中。硅單質(zhì)有晶體硅和無定形硅兩種同素異形體。晶體硅具有類似于金剛石的正四面體立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬于原子晶體，因此具有硬度大（莫氏硬度7.0）、熔點(diǎn)高（1410℃）、沸點(diǎn)高（2355℃）的物理性質(zhì)。晶體硅為灰黑色固體，具有金屬光澤，是良好的半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，且隨溫度升高導(dǎo)電性增強(qiáng)。無定形硅為黑色粉末，化學(xué)性質(zhì)比晶體硅活潑。硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，常溫下除氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿外，不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。加熱或高溫條件下，硅能與氧氣、氯氣、碳等非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。主要化學(xué)性質(zhì)如下：與非金屬單質(zhì)反應(yīng)：Si+O?=SiO?（加熱）；Si+2Cl?=SiCl?（高溫）與氫氟酸反應(yīng)：Si+4HF=SiF?↑+2H?↑與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)：Si+2NaOH+H?O=Na?SiO?+2H?↑工業(yè)上制備粗硅的主要方法是用碳在高溫下還原二氧化硅，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：SiO?+2C=Si（粗）+2CO↑（高溫）。粗硅中含有雜質(zhì)，需要進(jìn)一步提純得到高純硅。提純過程包括：Si（粗）+2Cl?=SiCl?（高溫），然后用氫氣還原四氯化硅：SiCl?+2H?=Si（純）+4HCl（高溫）。高純硅廣泛應(yīng)用于制造集成電路、晶體管、太陽能電池等電子元件。二、二氧化硅的性質(zhì)與應(yīng)用二氧化硅（SiO?）是硅最重要的氧化物，天然存在的二氧化硅稱為硅石，有結(jié)晶形和無定形兩大類。結(jié)晶形二氧化硅主要有石英、水晶、瑪瑙等，無定形二氧化硅主要有硅藻土等。二氧化硅晶體具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)硅原子與四個(gè)氧原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成[SiO?]四面體結(jié)構(gòu)單元，這些單元通過氧原子相互連接，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此二氧化硅的硬度大、熔點(diǎn)高（1723℃）、沸點(diǎn)高（2230℃），不溶于水。二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有酸性氧化物的通性，但不與水反應(yīng)。主要化學(xué)性質(zhì)如下：與氫氟酸反應(yīng)：SiO?+4HF=SiF?↑+2H?O，該反應(yīng)是二氧化硅的特性反應(yīng)，氫氟酸是唯一能與二氧化硅反應(yīng)的酸。利用此反應(yīng)可以雕刻玻璃，在玻璃器皿上刻蝕花紋。與堿性氧化物反應(yīng)：SiO?+CaO=CaSiO?（高溫），該反應(yīng)在煉鐵工業(yè)中用于除去脈石（主要成分是二氧化硅）。與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)：SiO?+2NaOH=Na?SiO?+H?O，由于氫氧化鈉溶液能與玻璃中的二氧化硅反應(yīng)生成具有粘性的硅酸鈉，所以實(shí)驗(yàn)室盛裝氫氧化鈉溶液等堿性溶液的試劑瓶不能用玻璃塞，應(yīng)該用橡膠塞或木塞，以防止瓶塞與瓶口粘在一起。與碳酸鹽反應(yīng)：SiO?+Na?CO?=Na?SiO?+CO?↑（高溫）；SiO?+CaCO?=CaSiO?+CO?↑（高溫），這兩個(gè)反應(yīng)是工業(yè)上制備玻璃的主要反應(yīng)原理。二氧化硅具有廣泛的用途。石英晶體可用于制作石英鐘、石英表的壓電材料；水晶可用于制作電子工業(yè)的重要部件、光學(xué)儀器和工藝品；瑪瑙可用于制作精密儀器的軸承、耐磨器皿和裝飾品；二氧化硅還可用于制造光導(dǎo)纖維，光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代通信的重要材料，具有傳輸信息量大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，二氧化硅還用作工業(yè)催化劑的載體、吸附劑等。三、硅酸和硅酸鹽的性質(zhì)硅酸（H?SiO?）是一種難溶于水的弱酸，其酸性比碳酸還弱，不能使紫色石蕊試液變紅。硅酸的化學(xué)式可以表示為H?SiO?，也可以寫作SiO?·H?O，實(shí)際上硅酸是由多個(gè)硅酸分子聚合而成的，常用通式mSiO?·nH?O表示。由于二氧化硅不溶于水，硅酸不能通過二氧化硅與水直接反應(yīng)制得，只能通過可溶性硅酸鹽與酸反應(yīng)制取。例如，硅酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)：Na?SiO?+2HCl=2NaCl+H?SiO?↓。生成的硅酸是一種白色膠狀沉淀，稱為硅酸凝膠。硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水后得到多孔的硅酸干凝膠，稱為“硅膠”。硅膠具有很強(qiáng)的吸附性，常用作干燥劑、吸附劑和催化劑的載體。例如，在食品包裝中放入硅膠干燥劑，可以防止食品受潮；在催化劑制備中，硅膠可以作為催化劑的載體，提高催化劑的穩(wěn)定性和活性。硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱，是構(gòu)成地殼巖石的主要成分。硅酸鹽的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常用氧化物的形式表示其組成，例如：硅酸鈉（Na?SiO?）：Na?O·SiO?高嶺石（Al?(Si?O?)(OH)?）：Al?O?·2SiO?·2H?O石棉（CaMg?Si?O??）：CaO·3MgO·4SiO?長(zhǎng)石（KAlSi?O?）：K?O·Al?O?·6SiO?硅酸鹽的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，大多數(shù)硅酸鹽難溶于水，只有少數(shù)硅酸鹽如硅酸鈉、potassiumsilicate（K?SiO?）等可溶于水。硅酸鈉是最簡(jiǎn)單也是最常用的硅酸鹽，其水溶液俗稱“水玻璃”或“泡花堿”，呈堿性。水玻璃具有粘性，在建筑工業(yè)中用作粘合劑，能將玻璃、陶瓷、木材等材料粘結(jié)在一起；在紡織工業(yè)中用作漿料，能改善織物的耐磨性和抗皺性；在木材加工中用作防火劑，能提高木材的防火性能；此外，水玻璃還用于制備硅膠、分子篩等。四、無機(jī)非金屬材料以含硅物質(zhì)為原料經(jīng)加熱制成的材料稱為無機(jī)非金屬材料，主要包括玻璃、陶瓷和水泥，它們被譽(yù)為三大傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料。玻璃是一種無固定熔點(diǎn)的混合物，主要原料是純堿（Na?CO?）、石灰石（CaCO?）和石英砂（SiO?）。將原料按一定比例混合后，在玻璃熔爐中高溫熔融（1550-1600℃），發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，主要反應(yīng)有：SiO?+Na?CO?=Na?SiO?+CO?↑（高溫），SiO?+CaCO?=CaSiO?+CO?↑（高溫）。生成的硅酸鈉、硅酸鈣與過量的二氧化硅融合在一起形成玻璃。普通玻璃的主要成分是Na?SiO?、CaSiO?和SiO?，其化學(xué)式可以表示為Na?O·CaO·6SiO?。玻璃具有透明、耐腐蝕、硬度大、絕緣等性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域。根據(jù)不同的需求，可以在玻璃中加入不同的物質(zhì)制成特種玻璃，如加入B?O?制成硼硅酸鹽玻璃（耐高溫、抗化學(xué)腐蝕），加入PbO制成鉛玻璃（折光率高，用于光學(xué)儀器），加入金屬氧化物制成有色玻璃等。陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽材料之一，其主要原料是黏土（主要成分是Al?O?·2SiO?·2H?O）。陶瓷的制備過程包括原料的混合、成型、干燥、燒結(jié)等步驟。經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，陶瓷具有硬度大、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、易成型等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷在生活和工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，如制作餐具、茶具、花瓶等生活用品，以及用于電子、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的特種陶瓷。隨著科技的發(fā)展，新型陶瓷材料不斷涌現(xiàn)，如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷（如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷）具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨損等性能，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件、刀具等；生物陶瓷（如氧化鋁陶瓷、羥基磷灰石陶瓷）具有良好的生物相容性，可用于制造人工骨骼、牙齒等。水泥是一種重要的建筑材料，其主要原料是石灰石和黏土，輔助原料有石膏等。生產(chǎn)水泥的主要設(shè)備是水泥回轉(zhuǎn)窯，將原料按一定比例混合后，在窯內(nèi)高溫（1400-1500℃）煅燒，生成的主要成分是硅酸三鈣（3CaO·SiO?）、硅酸二鈣（2CaO·SiO?）、鋁酸三鈣（3CaO·Al?O?）等。將煅燒后的產(chǎn)物（熟料）與適量石膏混合磨細(xì)，即得到普通硅酸鹽水泥。水泥具有水硬性，即水泥與水混合后，能在空氣中和水中逐漸硬化。水泥、沙子和碎石按一定比例混合后稱為混凝土，混凝土具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑工程中。為了改善水泥的性能，可在水泥中加入其他材料制成特種水泥，如礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥等。除了傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料外，近年來發(fā)展起來的新型無機(jī)非金屬材料，如光導(dǎo)纖維、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、生物陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷等，具有特殊的性能和用途，在現(xiàn)代科技和工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。例如，光導(dǎo)纖維作為信息傳輸?shù)闹?/p>