硅與碳元素知識總結

陸志新

硅和碳元素的最外層電子排布是ns2np4，其位于周期表ⅣA族，它們最外層都是4個電子，處于元素周期表里容易得到電子和很容易失去電子的主族元素的中間位置，容易生成共價化合物，也就是講一般條件下不會有硅、碳的離子產生，硅與碳都是很弱的非金屬元素，在常溫條件下幾乎不和其他物質發生化學反應，但是，硅與碳的非金屬性不相同、原子半徑不同、核對外層電子引力不同，核電荷數也不相同，所以結構上分析，硅與碳的性質既有相同的地方，也有許多不同的地方，本文做以硅和碳的比較分析。

一、在自然界的存在形式

硅容易和氧結合，自然界中沒有游離態的硅，在地殼中主要以硅酸鹽礦和石英礦存在，絕大多數是堅硬的巖石，是由硅含氧化合物構成的，如花崗巖，硅是構成地球上礦物界的主要元素。

碳元素在自然界以不同形態存在。有化合態的碳，碳是地球上形成化合物種類最多的元素，如CO2，地殼中大量的碳酸鹽礦、石油、生物體內的脂肪、蛋白質、糖 、纖維素等復雜的有機物質；也有游離態的碳，如石墨，無定形碳，金剛石等。碳是組成生物體的主要元素，含碳的化合物是一切生命的基礎。

二、晶體的物理性質和結構類型

硅有無定形及晶形兩種形式，無定形

是黑色粉末，晶形是銀灰色有金屬光澤的晶體，單晶硅和金剛石都是原子晶體。它們的沸點、熔點很高，硬度也非常大，但是Si-Si的鍵能比金剛石中C-C鍵能小，所以硬度、熔沸點都小于或低于金剛石。金剛石不導電，石墨則是原子晶體，金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體，因此，石墨導電、導熱，且有金屬光澤。硅能導電，但導電率不及金屬，是半導體，并且隨溫度升高而增加，當溫度升高時，Si-Si鍵容易斷裂，這時會有電子在晶體中流動，故半導體的導電率隨溫度的升高而升高。

碳有石墨、金剛石、無定形碳三種同素異形體，金剛石是原子晶體，碳原子以共價鍵結合，呈正四面體結構，鍵能很大，排列緊密，構成一種堅實的彼此聯結的空間網狀晶體。

三、化學性質總結

1.硅和碳的性質

金剛石不和一般酸堿和化學物質作用，石墨比較活潑它可以被強氧化劑如濃HNO3，濃H2SO4，NaClO4，KMnO4等氧化，金剛石與石墨在空氣中或氧氣中燃燒都可以得到CO2，晶態硅在常溫下化學性質不活潑，和空氣，水、酸（除HF）都沒有作用。無定形硅纟晶態硅要活潑。在一定條件下，硅與碳也可以跟某些物質發生化學反應。

（1）與單質反應：

C+O2點燃CO2

C+2S（蒸氣）高溫700℃CS2

Si+O2SiO2

Si+2Cl2高溫燃燒SiCl4

（2）與化合物反應

C+4HNO3（濃）△CO2↑+4NO2↑+2H2O

Si+4HF高溫SiF4↑+2H2↑

C+2CuO△2Cu+CO2

Si+3FeO高溫FeSiO3+2Fe

C+H2O （g）△CO+H2

同時，硅的化學性質主要表現非金屬性，也有一定的金屬性，可以與堿反應：

Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑

2.硅與碳氧化物的性質

CO2是無色氣體、無毒，比空氣重，通常情況下1體積水能溶1體積CO2，在加壓和冷卻的情況下，CO2變成無色液體，溫度再降低變成雪狀固體，名為干冰。干冰是分子昌體，因為CO2的化學性質并不活潑，比空氣大，用作滅火劑，CO是植物進特光合作用所必須的原料，所以在人工模擬光合作用的研究中，CO2的化學作用越來越明顯。CO2在空氣中含量超高時，會因為缺氧讓人有發生窒息的危險，在進入地窯時應用手持燃著的蠟燭，如果蠟燭熄滅，顯見窯內CO2過多，暫時人不可以進入。

SiO2是酸性氧化物，但不溶于水，也不和水反應生成相應的硅酸，天然的SiO2分為晶體和無定形兩大類。石英的主要成分就是SiO2晶體，自然界透明的六方柱狀石英晶體，就是水晶。 SiO2是由SiO4四面體組成的原子晶體，因為SiO2是原子晶體，礙度很大，沸與熔點都非常高，化學性質不活潑，只有在高溫條件下才可以和某些物質反應。

（1）和金屬單質反應：

SiO2+2Mg高溫2MgO+Si

CO2+2Mg點燃2MgO+C

SiO2與CO2在高溫下都可以被金屬Al、Mg還原。

（2）和堿反應：

SiO2+2NaOH△Na2SiO3+H2O

CO2+Ba（OH）2BaCO3↓+H2O

玻璃的主要成分是SiO2，所以長期存放堿液的試劑瓶不能用玻璃塞而必須用膠塞，否則反應生成Na2SiO3，使玻璃塞和瓶口粘連。

（3）和鹽反應：

SiO2+Na2CO3熔融Na2SiO3+CO2↑

CO2+CaCO3+H2OCa（HCO3）2

SiO2把鹽里揮發性酸置換出來，是由于它的不揮發性導致的，這也是制玻璃的反應條件。

（4）其他

SiO2和HF反應：

SiO2+4HFSiF4↑+2H2O

這是SiO2的特殊性質，所以可以用HF雕刻玻璃，并且不可用玻璃試劑存放氫氟酸。

CO2和NH3或NH3·H2O反應：

CO2+NH3·H2ONH4HCO3

2NH3+CO2高壓催化劑CO（NH2） 2+H2O

3.硅酸與碳酸的性質

CO2溶于水生成碳酸，具備酸的通性，H2SiO3是偏硅酸，也稱硅酸，正硅酸是H4SiO4，硅酸不易溶于水，是弱酸。

（1）熱分解：

H2SiO3△SiO2+H2O

H2CO3CO2↑+H2O

制取硅酸可用SiO2和Na2CO3加熱熔融，用水浸，然后再提取Na2SiO3加鹽酸得到硅酸（不可用SiO2與水直接化合）。

SiO2+Na2CO3高溫Na2SiO3+CO2↑

Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3↓

（2）和堿反應

H2CO3+2NaOHNa2CO3+2H2O

H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O

4.硅酸鹽與碳酸鹽的性質

（1）水解：

可溶性的硅酸鹽與碳酸鹽在水溶液中都會水解變成堿性水溶液。

（2）熱穩定：

碳酸鹽在高溫下可分解：

MCO3高溫MO+CO2

通常情況下，硅酸鹽的熱穩定性比碳酸鹽大，并且一般加熱硅酸鹽并不分解。

（3）溶解性：

酸式碳酸鹽都是溶于水，正鹽中只有堿金屬的碳酸鹽和銨鹽溶于水，一般在所有含氧酸鹽中，酸式鹽比相應的正鹽容易溶解，但部分碳酸鹽是酸式鹽的溶解度比正鹽的溶解度要小，如，KHCO3與NaHCO3在水中溶解度都小于K2CO3與Na2CO3。

硅酸鹽除堿金屬鹽以外，其他金屬的硅酸酸都不溶于水，Na2SiO3是最常見的可溶性的硅酸鹽，石英砂和燒堿作用可以制得：

SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑

SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O

（收稿日期：2016-09-10）