#碳族元素概述

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#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：

$$ \ce{Si + 2NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2H2 ^} $$

与 $ce{HF}$（唯一可以溶解硅的酸）：

$$ \ce{Si + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2 ^} $$

#硅的工业制取

粗硅的制备：

• $ce{SiO2 + 2C ->[高温] Si(粗硅) + 2CO}$。

• 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：

$$ \ce{SiO2 ->[C][高温] Si(粗硅) ->[Cl2] SiCl4 ->[H2] Si(纯硅)} $$

也存在四氯氢硅用氢气还原：

$$ \ce{SiHCl3 + H2 -> Si + 3HCl} $$

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：

$$ \ce{SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O} $$

$$ \ce{SiO2 + CaO ->[高温] CaSiO3} $$

同样可以和 $ce{HF}$ 反应（仅和氢氟酸这一种酸反应）：

$$ \ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O} $$

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。

$$ \ce{Na2SiO3 + H2O + CO2 -> Na2CO3 + H2SiO3 v} $$

可以理解为碳的非金属性比硅强。

$$ \ce{H2SiO3 + H2O -> H4SiO4} $$

可以与水结合，因此可以作为干燥剂。

硅酸加热易分解：

$$ \ce{H2SiO3 ->[\triangle] SiO2 + H2O} $$

#硅的应用

三大硅酸盐产品：

• 陶瓷：黏土。

• 水泥：$ce{CaSiO3,CaO}$ 混合。

• 玻璃：$ce{Na2CO3 + CaCO3 + SiO2 -> Na2SiO3 + CaSiO3 + CO2}$。

本质上是两个反应：

$$ \ce{Na2CO3 + SiO2 -> Na2SiO3 + CO2} $$

$$ \ce{CaCO3 + SiO2 -> CaSiO3 + CO2} $$

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。