硅及其化合物

一捧普通的沙子，看起来毫不起眼，却是地球上最重要材料之一的原料来源。从海边的细沙到山间的石英矿脉，从古代的陶瓷器皿到现代的芯片电路，硅（Si）及其化合物贯穿了人类文明从古至今的发展脉络。

硅（Si）是地壳中含量第二的元素，仅次于氧，约占地壳质量的 $26\%$。硅在自然界中几乎不以游离态存在，几乎全部以化合物形式出现——二氧化硅（$\text{SiO}_2$）和各种硅酸盐矿物（如长石、云母、石英等）是地壳的重要组成部分。

硅的基本性质

硅是一种灰色有金属光泽的固体，外观类似金属，但其导电性介于金属和绝缘体之间——这使它成为最重要的“半导体”材料。正是利用硅的半导体特性，人类制造出了晶体管、集成电路和太阳能电池板，推动了现代电子工业的发展。

硅的化学性质在常温下较稳定，但在特定条件下可以与氢氟酸、强碱溶液等物质发生反应。其中，硅与 $\text{NaOH}$ 溶液的反应在实际中最为常见：

$\text{Si} + 2\text{NaOH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + 2\text{H}_2\uparrow$

例题 1

将 $2.8\ \text{g}$ 硅加入足量 $\text{NaOH}$ 溶液中，计算生成 $\text{H}_2$ 在标准状况下的体积。

$\text{Si}$ 的摩尔质量为 $28\ \text{g/mol}$：

$n(\text{Si}) = \frac{2.8\ \text{g}}{28\ \text{g/mol}} = 0.1\ \text{mol}$

二氧化硅的性质

二氧化硅（$\text{SiO}_2$）是自然界中最常见的硅化合物，普通的石英、水晶、沙子的主要成分都是 $\text{SiO}_2$。它是一种酸性氧化物，但与其他酸性氧化物（如 $\text{SO}_3$、${\text{CO}}_{}$）不同， 生成对应的酸，这是它最显著的特殊之处。

二氧化硅的物理性质

$\text{SiO}_2$ 熔点极高、硬度大，这使它在光学仪器、高温坩埚等领域有广泛应用。光纤的主要成分就是高纯度 $\text{SiO}_2$，光信号可以在其中以极低的损耗进行长距离传输。

二氧化硅的化学性质

$\text{SiO}_2$ 作为酸性氧化物，能与碱和碱性氧化物反应，但有几点特别之处值得重点掌握。

• 与强碱反应：

$\text{SiO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

这正是为什么实验室盛放 $\text{NaOH}$ 溶液的试剂瓶必须用橡皮塞，而不能用玻璃瓶塞——玻璃中含有 $\text{SiO}_2$，长期接触 $\text{NaOH}$ 溶液会被腐蚀，生成具有黏性的 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$，导致玻璃塞被牢牢粘住，无法开启。

• 与碳酸钠高温反应：

$\text{SiO}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \xrightarrow{\text{高温}} \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{CO}_2\uparrow$

在高温条件下，$\text{SiO}_2$ 能把 $\text{CO}_2$ 从碳酸盐中“赶出去”。这是制造玻璃的核心反应之一，说明高温下 $\text{SiO}_2$ 对应的硅酸稳定性高于碳酸。

• 与氢氟酸反应（唯一能与 $\text{SiO}_2$ 反应的酸）：

$\text{SiO}_2 + 4\text{HF} \rightarrow \text{SiF}_4\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

氢氟酸（$\text{HF}$）是唯一能与 $\text{SiO}_2$ 发生反应的酸。工业上利用这一性质，用 $\text{HF}$ 在玻璃表面刻蚀图案和文字，制作磨砂玻璃或光学标记。

例题 2

盛放 $\text{NaOH}$ 溶液的试剂瓶为什么不能使用玻璃瓶塞？请写出相关反应方程式并解释原因。

玻璃的主要成分之一是 $\text{SiO}_2$，$\text{NaOH}$ 溶液（强碱）会与 $\text{SiO}_2$ 缓慢反应：

$\text{SiO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

硅酸

硅酸（$\text{H}_2\text{SiO}_3$）是 $\text{SiO}_2$ 对应的酸。但与 $\text{CO}_2$ 溶于水直接生成碳酸不同， 不能与水反应——这是 的特殊之处。制备硅酸，需要借助硅酸钠（）与酸的反应来实现。

硅酸的制备方法：

方法一，加入盐酸：

$\text{Na}_2\text{SiO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{H}_2\text{SiO}_3\downarrow + 2\text{NaCl}$

方法二，通入 $\text{CO}_2$：

$\text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SiO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{CO}_3$

两个反应都能生成白色的硅酸沉淀，依据的原理是“较强的酸制备较弱的酸”——盐酸和碳酸都比硅酸酸性强，因此能将硅酸从其盐中置换出来。

硅酸的主要性质：

硅酸脱水后得到 $\text{SiO}_2$；将硅酸进一步处理可制成“硅胶”，硅胶内部多孔，能吸附大量水分，是实验室和商品包装中常见的干燥剂（即那种装在小纸袋里的白色颗粒）。

例题 3

将过量 $\text{CO}_2$ 通入 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶液中，观察到白色沉淀产生。写出反应方程式，并解释为什么 $\text{CO}_2$ 能使 中的硅酸根以沉淀形式析出。

反应方程式：

$\text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SiO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{CO}_3$

硅酸盐与水玻璃

硅酸盐是硅酸对应的盐类，种类繁多，大多数硅酸盐不溶于水。自然界中的长石、云母、石棉等矿物，都属于硅酸盐。陶瓷原料——高岭土——也是一种典型的硅酸盐矿物。

最常见且最重要的可溶性硅酸盐是硅酸钠（$\text{Na}_2\text{SiO}_3$），俗称“水玻璃”或“泡花碱”。将 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶于水后，得到一种无色至淡黄色的黏稠液体，即工业上所说的水玻璃。

硅酸钠溶液的碱性也意味着，盛放 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶液同样不能使用玻璃瓶塞（原因与盛放 $\text{NaOH}$ 相同），应改用橡皮塞。

例题 4

某同学将鸡蛋浸入水玻璃（$\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶液）中，静置一段时间后取出，发现蛋壳表面覆盖了一层白色薄膜，鸡蛋可以在常温下保存更长时间。请解释白色薄膜的形成原因。

蛋壳的主要成分是碳酸钙（$\text{CaCO}_3$）。蛋壳表面微量溶解释放出的 $\text{Ca}^{2+}$ 与水玻璃溶液中的 $\text{SiO}_3^{2-}$ 结合，生成不溶于水的硅酸钙（）白色沉淀：

硅的工业应用

硅及其化合物在现代工业中几乎无处不在。从建筑材料到精密电子器件，硅的应用范围极广，是当之无愧的“工业维生素”。

玻璃的生产

普通玻璃（钠钙玻璃）的主要原料是纯碱（$\text{Na}_2\text{CO}_3$）、石灰石（$\text{CaCO}_3$）和石英砂（$\text{SiO}_2$），三者在高温下熔融反应：

$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{SiO}_2 \xrightarrow{\text{高温}} \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{CO}_2\uparrow$

$\text{CaCO}_3 + \text{SiO}_2 \xrightarrow{\text{高温}} \text{CaSiO}_3 + \text{CO}_2\uparrow$

生成的 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$、$\text{CaSiO}_3$ 与过量 $\text{SiO}_2$ 混合熔融后，冷却即得玻璃。玻璃没有固定的熔点，是一种无定形固体（非晶体），受热时会逐渐软化而非突然熔化。

水泥与陶瓷

水泥的主要原料是石灰石（$\text{CaCO}_3$）和黏土（含 $\text{Al}_2\text{O}_3$、$\text{SiO}_2$ 等），高温煅烧后磨成粉末。水泥的主要成分是硅酸钙（）和铝酸钙等，加水后发生水化反应凝固硬化，是现代建筑不可缺少的基础材料。

陶瓷由黏土（以高岭土为主）烧制而成，经过塑形、干燥、高温烧结，黏土中的硅酸盐发生一系列物理化学变化，最终形成坚硬耐用的陶瓷制品。

半导体材料

高纯度的单晶硅是现代电子工业的核心材料。工业上从石英砂（$\text{SiO}_2$）出发，经过一系列还原和提纯操作，制成纯度超过 $99.9999\%$ 的半导体级硅，再通过晶体生长技术制成硅片（晶圆），最终在上面刻蚀出数十亿个晶体管，制成各种芯片。一块指甲盖大小的芯片，集成的晶体管数量已超过数十亿个，而这一切的起点，只是一捧普通的沙子。

硅元素化合物之间的转化

硅元素以不同形态存在于自然界和工业中，各形态之间的转化关系是解题的关键。

练习题

第1题

下列关于二氧化硅（$\text{SiO}_2$）的说法，正确的是（　　）

A. $\text{SiO}_2$ 能与水直接反应生成硅酸，所以是酸性氧化物

B. $\text{SiO}_2$ 能与盐酸（$\text{HCl}$）反应，所以盐酸可以腐蚀玻璃

C. $\text{SiO}_2$ 能与 $\text{NaOH}$ 溶液反应，所以盛放 $\text{NaOH}$ 溶液的试剂瓶应使用橡皮塞

D. $\text{SiO}_2$ 是离子化合物，溶于水后能导电

第2题

向 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶液中逐滴加入盐酸，下列说法正确的是（　　）

A. 反应结束后溶液始终澄清，无沉淀生成

B. 反应中 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 与 $\text{HCl}$ 反应，生成白色沉淀和氯化钠

C. 该反应说明硅酸（$\text{H}_2\text{SiO}_3$）酸性强于盐酸（$\text{HCl}$）

D. 若改为通入 $\text{CO}_2$，则不会产生白色沉淀

第3题

工业上制造普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂，高温熔融后冷却成型。下列说法错误的是（　　）

A. 普通玻璃是混合物，没有固定熔点

B. 石英玻璃（纯 $\text{SiO}_2$）的耐热性比普通玻璃差

C. 光导纤维的主要成分是高纯度的 $\text{SiO}_2$

D. 高温下，$\text{SiO}_2$ 能将 $\text{CO}_2$ 从碳酸钠中置换出来

第4题

下列关于硅酸（$\text{H}_2\text{SiO}_3$）的说法，正确的是（　　）

A. $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 能由 $\text{SiO}_2$ 与水直接化合生成

B. $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 酸性强于碳酸，能将碳酸盐中的 $\text{CO}_2$ 置换出来

C. 向 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶液中通入过量 $\text{CO}_2$，可以得到白色 $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 沉淀

D. $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 加热分解的产物是 $\text{H}_2\text{O}$ 和 $\text{Na}_2\text{O}$

第5题（计算题）

将 $30\ \text{g}$ 二氧化硅（$\text{SiO}_2$）加入足量 $\text{NaOH}$ 溶液中，充分反应后蒸干溶液。

（1）写出反应方程式；

（2）计算消耗 $\text{NaOH}$ 的物质的量；

（3）计算生成 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 的质量。

第6题（计算题）

将含 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ $12.2\ \text{g}$ 的溶液，逐滴加入足量稀盐酸中，充分反应后过滤得到白色沉淀。

（1）写出反应方程式；

（2）计算生成 $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 沉淀的质量；

（3）计算消耗 $\text{HCl}$ 的物质的量。

反应方程式：$\text{Si} + 2\text{NaOH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + 2\text{H}_2\uparrow$

由方程式，$n(\text{Si}) : n(\text{H}_2) = 1 : 2$：

$n(\text{H}_2) = 2 \times 0.1\ \text{mol} = 0.2\ \text{mol}$

$V(\text{H}_2) = 0.2\ \text{mol} \times 22.4\ \text{L/mol} = 4.48\ \text{L}$

答：标准状况下生成 $\text{H}_2$ 的体积为 $4.48\ \text{L}$。

生成的 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 是一种具有强黏性的物质，会将玻璃塞与瓶口牢牢粘连，时间越长越难以开启。因此，存放 $\text{NaOH}$ 溶液（以及 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶液等碱性溶液）的试剂瓶，必须换用橡皮塞。

原因：$\text{CO}_2$ 溶于水形成碳酸（$\text{H}_2\text{CO}_3$），碳酸的酸性强于硅酸（$\text{H}_2\text{SiO}_3$），根据“较强的酸制较弱的酸”原则，碳酸能与硅酸钠反应，将硅酸根以不溶于水的白色沉淀形式析出，同时生成碳酸钠留在溶液中。

$\text{Ca}^{2+} + \text{SiO}_3^{2-} \rightarrow \text{CaSiO}_3\downarrow$

$\text{CaSiO}_3$ 薄膜致密地覆盖在蛋壳表面，封堵了蛋壳上微小的气孔，隔绝了外界空气和细菌，从而起到保鲜的效果。这也是农村传统保存鸡蛋的方法之一。

B 错误：$\text{SiO}_2$ 不与盐酸（$\text{HCl}$）反应，能腐蚀玻璃的是氢氟酸（$\text{HF}$），而非盐酸。

C 正确：$\text{SiO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O}$，生成的 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 具有黏性，会将玻璃塞粘住，因此必须改用橡皮塞。

D 错误：$\text{SiO}_2$ 是共价化合物（原子晶体），不是离子化合物，且不溶于水，无法导电。

知识点：SiO₂ 的特殊性——不与水反应，只与 HF（酸中）反应

C 错误：恰恰相反，该反应说明盐酸酸性强于硅酸——强酸制弱酸，$\text{HCl}$ 把较弱的 $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 从其盐中置换出来。

D 错误：$\text{CO}_2$ 通入 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 溶液同样会产生白色沉淀：$\text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SiO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{CO}_3$，因为碳酸酸性强于硅酸。

知识点：Na₂SiO₃ 与酸反应、酸性强弱决定反应方向

B 错误：石英玻璃（纯 $\text{SiO}_2$）的熔点约 $1723\ °\text{C}$，远高于普通玻璃（约 $700\ °\text{C}$ 开始软化），耐热性更强，常用于高温实验仪器，说明C是错误的。

C 正确：光导纤维利用高纯度 $\text{SiO}_2$ 对光的高透过率，是现代通信的重要材料。

D 正确：$\text{SiO}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \xrightarrow{\text{高温}} \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{CO}_2\uparrow$，高温下该反应正向进行。

知识点：玻璃的组成与性质，石英玻璃 vs 普通玻璃的耐热性对比

B 错误：$\text{H}_2\text{SiO}_3$ 酸性比碳酸弱，不能置换碳酸盐中的 $\text{CO}_2$，恰恰相反，碳酸能将硅酸从硅酸盐中置换出来。

C 正确：$\text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SiO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{CO}_3$，碳酸酸性强于硅酸，能将 $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 从 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 中置换出来，产生白色沉淀。

D 错误：$\text{H}_2\text{SiO}_3$ 加热分解的产物是 $\text{SiO}_2$ 和 $\text{H}_2\text{O}$，$\text{H}_2\text{SiO}_3$ 分子中没有钠元素，不会生成 $\text{Na}_2\text{O}$。

知识点：H₂SiO₃ 的制备、弱酸性质与受热分解

（1）反应方程式：

$\text{SiO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

（2）由方程式，$n(\text{SiO}_2) : n(\text{NaOH}) = 1 : 2$：

$n(\text{NaOH}) = 2 \times 0.5\ \text{mol} = 1\ \text{mol}$

（3）$n(\text{SiO}_2) : n(\text{Na}_2\text{SiO}_3) = 1 : 1$，$\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 的摩尔质量为 $23 \times 2 + 28 + 16 \times 3 = 122\ \text{g/mol}$：

$n(\text{Na}_2\text{SiO}_3) = 0.5\ \text{mol}$

$m(\text{Na}_2\text{SiO}_3) = 0.5\ \text{mol} \times 122\ \text{g/mol} = 61\ \text{g}$

答：消耗 $\text{NaOH}$ 的物质的量为 $1\ \text{mol}$；生成 $\text{Na}_2\text{SiO}_3$ 的质量为 $61\ \text{g}$。

知识点：SiO₂ 与 NaOH 反应的定量计算

$n(\text{Na}_2\text{SiO}_3) = \frac{12.2\ \text{g}}{122\ \text{g/mol}} = 0.1\ \text{mol}$

（1）反应方程式：

$\text{Na}_2\text{SiO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{H}_2\text{SiO}_3\downarrow + 2\text{NaCl}$

（2）由方程式，$n(\text{Na}_2\text{SiO}_3) : n(\text{H}_2\text{SiO}_3) = 1 : 1$，$\text{H}_2\text{SiO}_3$ 的摩尔质量为 $2 + 28 + 16 \times 3 = 78\ \text{g/mol}$：

$n(\text{H}_2\text{SiO}_3) = 0.1\ \text{mol}$

$m(\text{H}_2\text{SiO}_3) = 0.1\ \text{mol} \times 78\ \text{g/mol} = 7.8\ \text{g}$

（3）由方程式，$n(\text{Na}_2\text{SiO}_3) : n(\text{HCl}) = 1 : 2$：

$n(\text{HCl}) = 2 \times 0.1\ \text{mol} = 0.2\ \text{mol}$

答：生成 $\text{H}_2\text{SiO}_3$ 沉淀的质量为 $7.8\ \text{g}$；消耗 $\text{HCl}$ 的物质的量为 $0.2\ \text{mol}$。

知识点：Na₂SiO₃ 与盐酸反应生成硅酸沉淀的定量计算