智能考点二十三 碳族元素
Ⅰ.课标要求
通过实验了解硅及其化合物的主要性质，认识其在信息技术、材料科学等领域的应用。
Ⅱ.考纲要求
1.了解单质硅及其重要硅的化合物的主要性质及应用
3.能综合应用硅及硅的化合物知识
Ⅲ.教材精讲
1.本考点知识结构
2.碳族元素
①碳族元素的特征：碳族元素原子最外层电子数为4，既不容易失去电子，又不容易得到电子，易形成共价键，难形成离子键。碳族元素形成的单质在同周期中硬度最大，熔沸点最高(如金刚石、晶体硅)。
②碳族元素的化合价：碳族元素的主要化合价有 2， 4，其中铅 2价稳定，其余元素 4价稳定。
③碳族元素的递变规律：从上到下电子层数增多，原子半径增大，原子核对最外层电子的吸引能力减弱，失电子的能力增强，从上到下由非金属递变为金属的变化非常典型。其中碳是非金属，锡、铅是金属，硅、锗是半导体材料。
④碳族元素在自然界里的存在：自然界里碳有游离态和化合态两种；硅在地壳里无游离态，主要以含氧化合物的形式存在。
⑤几种同素异形体：碳：金刚石、石墨、C60、C70等；硅：晶体硅，无定形硅。
3.碳
在常温下碳很稳定，只在高温下能发生反应，通常表现为还原性。
①燃烧反应
②与某些氧化物的反应：C＋CO2 2CO；C＋2CuO CO2↑＋2Cu；
C＋H2O CO＋H2O（CO、H2的混合气体叫水煤气）；
2C SiO2 Si 2CO↑
③与氧化性酸反应：C＋2H2SO4（浓） CO2↑＋2SO2↑＋2H2O；
C＋4HNO3（浓） CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
4.CO
不溶于水，有毒(CO和血红蛋白结合，使血红蛋白无法和O2结合，而使细胞缺氧引起中毒)，但由于CO无色无味因此具有更大的危险性。
①可燃性
②还原性：CO CuO CO2＋Cu，CO H2O(g) CO2 H2O
5.CO2
直线型（O＝C＝O）非极性分子，无色能溶于水，密度大于空气，可倾倒，易液化。固态CO2俗称干冰，能升华，常用于人工降雨。实验室制法：CaCO3＋2HCl＝CaCl2＋CO2↑＋H2O。
①酸性氧化物一—酸酐
Ca(OH)2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O(用于检验CO2)
②氧化性：CO2＋C 2CO；2Mg＋CO2 2MgO＋C
6.碳酸盐
①溶解性：Ca(HCO3)2>CaCO3；Na2CO3>NaHCO3。
②热稳定性：Na2CO3>CaCO3；碱金属正盐>碱金属酸式盐: Na2CO3>NaHCO3。
③相互转化：碳酸正盐 碳酸酸式盐(除杂用)
7.硅
①硅在地壳中只有化合态，没有游离态。其含量在地壳中居第二，仅次于氧，是构成矿物和岩石的主要成分。
②晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，是半导体，具有较高的硬度和熔点。
③硅的化学性质不活泼，常温下，只能与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应:Si 2F2＝SiF4、Si 4HF＝SiF4 2H2↑、Si 2NaOH H2O＝Na2SiO3 2H2↑；在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合：Si＋O2 SiO2。
④制备：在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：SiO2＋2C Si＋2CO↑，将制得的粗硅，再与C12反应后，蒸馏出SiCl4，然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。有关的反应为：Si十2C12 SiCl4、 SiCl4 2H2 Si 4HCl。
⑤硅在高新技术中的应用：高纯硅可作半导体材料，晶体硅还可做光电转换材料及制作DNA芯片为代表的生物工程芯片。
8.SiO2
①SiO2为原子晶体，是一种坚硬难熔的固体，硬度、熔点都很高。而CO2通常状况下是气体，固体熔点很低。其差别在于晶体类型不同。CO2是分子晶体，故熔点很低。
②二氧化硅的化学性质很稳定，不能跟酸(氢氟酸除外)发生反应。由于它是一种酸性氧化物，所以能跟碱性氧化物或强碱反应。
③二氧化硅是一种特殊的酸性氧化物。
a．酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅却不能直接跟水化合，它的对应水化物(硅酸)只能用相应的可溶性硅酸盐跟盐酸作用制得：首先让SiO2和NaOH（或Na2CO3）在熔化条件下反应生成相应的硅酸钠：SiO2＋2NaOH Na2SiO3＋H2O，SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2，然后用酸与硅酸钠作用制得硅酸：Na2SiO3 2HCl ===H2SiO3 2NaCl。
b．酸性氧化物一般不跟酸作用，但二氧化硅却能跟氢氟酸起反应：SiO2 4HF＝SiF4 2H2O(氢氟酸不能盛放在玻璃容器中)。
④光导纤维：从高纯度的SiO2或石英玻璃熔融体中，拉出的直径约100μm的细丝，称为石英玻璃纤维，这种纤维称为光导纤维。光纤通信是一种新技术，它将光信号在光导纤维中进行全反射传播，取代了电信号在铜线中的传播，达到两地通信的目的。光纤通信优点：信息传输量大，每根光缆可同时通过10亿路电话；原料来源广；质量轻，每千米27克；不怕腐蚀，铺设方便；抗电磁干扰，保密性好。
⑤石英、水晶及其压电效应
石英的主要成分是SiO2,可用来制造石英玻璃。石英晶体中有时含有其他元素的化合物,它们以溶解状态存在于石英中,呈各种颜色。。纯净的SiO2晶体叫做水晶,它是六方柱状的透明晶体,是较贵重的宝石。水晶或石英在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”。后来这种“压电效应”被应用在电子工业及钟表工业和超声技术上。。
9．硅酸和硅胶
①硅酸：硅酸有多种形式，如H4SiO4、H2SiO3、H2Si2O5等。一般用通式xSiO2·yH2O表示，由于“H2SiO3”分子式最简单，习惯采用H2SiO3作为硅酸的代表。
②硅酸酸性比碳酸还弱，由下列反应可证明：Na2SiO3 CO2 H2O＝H2SiO3↓ Na2CO3
③硅胶：刚制得的硅酸是单个小分子，能溶于水，在存放过程中，它会逐渐失水聚合，形成各种多硅酸，接着就形成不溶于水，但又暂不从水中沉淀出来的“硅溶胶”。如果向硅溶胶中加入电解质，则它会失水转为“硅凝胶”。把硅凝胶烘干可得到“硅胶”。烘干的硅胶是一种多孔性物质，具有良好的吸水性。而且吸水后还能烘干重复使用，所以在实验室中常把硅胶作为作为干燥剂。
10.硅及其化合物的“反常”
①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C Si＋2CO↑
②非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却放出H2：Si 2NaOH H2O＝Na2SiO3 2H2↑
③非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si 4HF＝SiF4 2H2↑
④非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。
⑤SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
⑥酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2 4HF＝SiF4 2H2O
⑦无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水。
⑧因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能发生下列反应：Na2SiO3 CO2
H2O＝H2SiO3↓ Na2CO3，但在高温下SiO2 Na2CO3 Na2SiO3 CO2↑也能发生。
⑨Na2SiO3的水溶液称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠水溶液(即水玻璃)称泡花碱，但它却是盐的溶液，并不是碱溶液。
11.硅酸盐
①硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，其结构复杂，组成可用氧化物的形式表示。例如：硅酸钠Na2SiO3(Na2O·SiO2)；镁橄榄石Mg2SiO4(2MgO·SiO2)；高岭石Al2(Si2O5)(OH)4(A12O3·2SiO2·2H2O)
②云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。
③人造硅酸盐：主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。
④硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。最简单硅酸盐是硅酸钠，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，可作粘合剂，防腐剂。
12.水泥、玻璃、陶瓷
①普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3），水泥具有水硬性，水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。
②制玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英，主要反应是：SiO2 Na2CO3 Na2SiO3 CO2↑、SiO2 CaCO3 CaSiO3 CO2↑，玻璃是无固定熔点的混合物。加入氧化钴后的玻璃呈蓝色，加入氧化亚铜后的玻璃呈红色，普通玻璃一般呈淡绿色，这是因为原料中混有二价铁的缘故。
③制造陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分：Al2O3·2SiO2·2H2O。
13.无机非金属材料
无机非金属材料包含除传统陶瓷外的各种性能优异的精细陶瓷：耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷；透明的氧化铝、砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等氧化物或非氧化物陶瓷；生物陶瓷；超细微粉体粒子制造的纳米陶瓷等。
