碳族元素概述¶
硅单质¶
硅的物理性质¶
硅有同素异形体：晶体硅、无定形硅。下文除非特殊说明，默认指晶体硅。
硅为灰黑色固体，熔沸点高，自然界中主要存在形式为硅酸盐和二氧化硅。
硅是现在使用最多的半导体材料，曾经最早使用的是锗 \(\ce{Ge}\)。
硅的化学性质¶
与强碱反应：
与 \(\ce{HF}\)（唯一可以溶解硅的酸）：
硅的工业制取¶
粗硅的制备：
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\(\ce{SiO2 + 2C ->[高温] Si(粗硅) + 2CO}\)。
-
注意：此处碳做还原剂，不能说明碳的非金属性比硅强。
纯硅的制备：
- \(\ce{Si + 2Cl2 ->[高温] SiCl4}\)。
- \(\ce{SiCl4 + 2H2 ->[高温] Si(粗硅) + 4HCl}\)。
总结如下：
也存在四氯氢硅用氢气还原：
二氧化硅经碳还原所得为晶体硅，其性质稳定。
但是，用镁还原二氧化硅，则可以得到活泼的无定形硅，这种硅可以在空气中燃烧。
硅的化合物¶
二氧化硅¶
自然界中的存在形式：石英、沙子。
属于酸性氧化物，对应的酸为硅酸，可以发生反应：
同样可以和 \(\ce{HF}\) 反应（仅和氢氟酸这一种酸反应）：
用途为蚀刻玻璃。
硅酸¶
难溶于水的白色胶状沉淀，酸性比碳酸弱。
可以理解为碳的非金属性比硅强。
可以与水结合，因此可以作为干燥剂。
硅酸加热易分解：
硅的应用¶
| 物质 | 应用 |
|---|---|
| \(\ce{Si}\) | 半导体（芯片、太阳能电池） |
| \(\ce{SiO2}\) | 光导纤维、水晶、石英、玛瑙 |
| \(\ce{H2SiO3}\) | 干燥剂、吸附剂 |
| \(\ce{Na2SiO3}\) | 水玻璃、粘合剂、防火剂 |
| \(\ce{SiC}\)（碳化硅） | 金刚砂，熔点高、硬度大、强度高，新型材料 |
三大硅酸盐产品：
-
陶瓷：黏土。
-
水泥：\(\ce{CaSiO3,CaO}\) 混合。
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玻璃：\(\ce{Na2CO3 + CaCO3 + SiO2 -> Na2SiO3 + CaSiO3 + CO2}\)。
本质上是两个反应：
玻璃的主要成分是 \(\ce{Na2SiO3}\) 和 \(\ce{CaSiO3}\)，以及没有反应完全的 \(\ce{SiO2}\)。人们经常向玻璃内添加 \(\ce{PbO}\)，以增加玻璃的折射率和密度，制成水晶玻璃；还也可以添加 \(\ce{B2O3}\)，以增加玻璃的耐热性，制成硼硅玻璃。添加 \(\ce{Fe2O3}\) 可以使玻璃呈绿色，添加 \(\ce{CoO}\) 可以使玻璃呈蓝色，添加 \(\ce{Cu2O}\) 可以使玻璃呈红色。
钢化玻璃：将玻璃加热到软化点以上，然后迅速冷却，形成表面压应力，增加强度和韧性。