知识点一 硅及其化合物
1. 硅元素概述
硅（Si）是地壳中含量第二的元素（仅次于氧），在自然界中没有游离态，全部以化合态存在（主要是二氧化硅和硅酸盐）。
硅的原子结构：最外层有 4 个电子，既不容易得电子也不容易失电子，主要形成共价化合物。
💡 说明：硅位于元素周期表中金属与非金属的分界线附近，具有一定的半导体特性。硅是信息技术和新能源产业的基础材料。
2. 硅单质的性质
（1）物理性质
| 性质 | 描述 |
|---|---|
| 颜色、状态 | 灰黑色、有金属光泽的固体 |
| 硬度 | 硬度大，质脆 |
| 导电性 | 半导体（介于导体和绝缘体之间） |
| 熔、沸点 | 很高 |
（2）化学性质
硅单质在常温下化学性质稳定，除与 F₂、HF 和强碱溶液反应外，一般不与其他物质反应。
加热条件下，硅可与 O₂、Cl₂ 等非金属反应：
（硅与强碱溶液反应放出氢气）
⚠️ 注意：硅与 NaOH 溶液的反应中，NaOH 本身不是氧化剂（H₂O 中的 H⁺ 被还原为 H₂）。
（3）硅的制备
工业上用焦炭在电炉中还原 SiO₂ 制取粗硅：
粗硅经提纯后可得到高纯硅，用于制造半导体器件和太阳能电池。
3. 二氧化硅（SiO₂）
（1）存在与结构
SiO₂ 广泛存在于自然界中，如沙子、石英、水晶、玛瑙等的主要成分都是 SiO₂。
SiO₂ 是由 Si 原子和 O 原子通过共价键形成的空间网状结构的原子晶体（共价晶体），不存在单个的 SiO₂ 分子。
⚠️ 注意：SiO₂ 的化学式仅表示晶体中 Si 原子与 O 原子的个数比为 1∶2，不代表分子组成。
（2）物理性质
| 性质 | 描述 |
|---|---|
| 硬度 | 大 |
| 熔点 | 高（约 1723°C） |
| 溶解性 | 不溶于水 |
（3）化学性质
SiO₂ 是酸性氧化物（硅酐），但不溶于水（不与水反应生成硅酸）。
与强碱反应：
⚠️ 注意：实验室中盛装碱液的试剂瓶不能用玻璃塞（玻璃中含有 SiO₂，会与 NaOH 反应生成 Na₂SiO₃，将瓶塞与瓶口粘在一起），应使用橡胶塞。
与碱性氧化物反应：
与氢氟酸（HF）反应（特性）：
（此反应可用于雕刻玻璃。HF 是唯一能与 SiO₂ 反应的酸，氢氟酸不能用玻璃瓶盛装，应保存在塑料瓶中）
与碳酸盐反应：
（高温条件下，由于生成气体 CO₂ 逸出，反应得以进行。这是工业制玻璃的原理之一）
4. 硅酸（H₂SiO₃）
（1）制备
由于 SiO₂ 不溶于水，硅酸不能直接由 SiO₂ 与水反应制得，通常用可溶性硅酸盐与酸反应制备：
或通入 CO₂：
（此反应证明碳酸的酸性强于硅酸）
（2）性质
| 性质 | 描述 |
|---|---|
| 酸性强弱 | 很弱的酸（酸性比 H₂CO₃ 还弱） |
| 溶解性 | 不溶于水 |
| 状态 | 白色胶状沉淀 |
| 失水后 | 形成硅胶（多孔，可用作干燥剂和催化剂载体） |
5. 硅酸盐
硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，种类繁多，结构复杂。
（1）硅酸钠（Na₂SiO₃）
| 性质 | 描述 |
|---|---|
| 溶解性 | 可溶于水（其水溶液俗称水玻璃，也称泡花碱） |
| 用途 | 黏合剂（纸箱、胶合板）、防火剂、防腐剂 |
💡 说明：水玻璃暴露在空气中会变质：Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → H₂SiO₃↓ + Na₂CO₃
（2）硅酸盐的表示方法
由于硅酸盐组成复杂，通常用氧化物的形式表示。书写顺序：活泼金属氧化物 → 较不活泼金属氧化物 → 二氧化硅 → 水。
| 硅酸盐 | 化学式 | 氧化物形式 |
|---|---|---|
| 硅酸钠 | Na₂SiO₃ | Na₂O·SiO₂ |
| 高岭土（黏土主要成分） | Al₂Si₂O₅(OH)₄ | Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O |
| 滑石 | Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ | 3MgO·4SiO₂·H₂O |
| 长石（钾长石） | KAlSi₃O₈ | K₂O·Al₂O₃·6SiO₂ |
| 普通玻璃（大致组成） | Na₂O·CaO·6SiO₂ | — |
知识点二 无机非金属材料
1. 传统无机非金属材料
（1）玻璃
主要原料：纯碱（Na₂CO₃）、石灰石（CaCO₃）、石英（SiO₂）
主要反应：
普通玻璃的主要成分：Na₂SiO₃、CaSiO₃、SiO₂（即 Na₂O·CaO·6SiO₂）
| 种类 | 特点 |
|---|---|
| 普通玻璃 | 常见窗玻璃、玻璃瓶 |
| 石英玻璃 | 主要成分纯 SiO₂，耐高温、透紫外线 |
| 钢化玻璃 | 普通玻璃加热后迅速冷却，强度大、破碎后无尖锐棱角 |
| 有色玻璃 | 加入金属氧化物（如加 Co₂O₃ 呈蓝色） |
| 铅玻璃（光学玻璃） | 折光率高 |
💡 说明：玻璃不是晶体，属于玻璃态物质（非晶体），没有固定的熔点，加热时逐渐软化。
（2）水泥
主要原料：石灰石（CaCO₃）和黏土
生产过程：原料 → 磨细 → 按比例混合 → 在回转窑中高温煅烧 → 加入石膏（CaSO₄·2H₂O）→ 磨成细粉 → 水泥
主要成分：硅酸三钙（3CaO·SiO₂）、硅酸二钙（2CaO·SiO₂）、铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）等
水泥的特性：水泥遇水后发生水合反应，凝固硬化，是水硬性胶凝材料。
💡 说明：水泥、沙子和水的混合物叫水泥砂浆（用于砌砖）；水泥、沙子、碎石和水的混合物叫混凝土（用于建筑结构）。
（3）陶瓷
主要原料：黏土（主要成分 Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）
生产过程：原料 → 混合 → 成型 → 干燥 → 烧结（高温）→ 陶瓷
特性：硬度大、耐高温、耐腐蚀、绝缘
种类：土器（砖瓦）、陶器（瓦罐）、瓷器（碗碟）
💡 说明：中国是陶瓷的故乡，瓷器（china）是中国古代的伟大发明之一。
2. 新型无机非金属材料
（1）硅及其化合物的新用途
| 材料 | 用途 |
|---|---|
| 高纯硅 | 半导体材料（芯片、集成电路）、太阳能电池 |
| 二氧化硅 | 光导纤维（光缆通信）、石英坩埚、石英钟表 |
| 硅胶 | 干燥剂、催化剂载体 |
（2）新型陶瓷
| 种类 | 特性 | 用途 |
|---|---|---|
| 碳化硅（SiC） | 高硬度、耐高温 | 砂纸、砂轮的磨料，耐高温轴承 |
| 氮化硅（Si₃N₄） | 高强度、耐磨损 | 陶瓷发动机、轴承、切削工具 |
| 氧化铝陶瓷 | 高硬度、耐高温 | 坩埚、耐火材料、人造骨关节 |
| 生物陶瓷 | 生物相容性好 | 人造牙齿、人造骨骼 |
（3）碳纳米材料
| 种类 | 结构特点 | 用途 |
|---|---|---|
| 富勒烯（C₆₀） | 由碳原子组成的封闭笼状分子 | 材料科学、药物载体 |
| 碳纳米管 | 石墨片卷成的管状结构 | 高强度复合材料、电子器件 |
| 石墨烯 | 单层碳原子构成的二维材料 | 电子器件、传感器、储能材料 |
重点例题
例题1 硅及其化合物的性质
题目：下列关于硅及其化合物的说法正确的是（ ）
A. 二氧化硅是酸性氧化物，能与水反应生成硅酸
B. 硅单质在常温下化学性质活泼，能与大多数物质反应
C. 氢氟酸不能用玻璃瓶盛装，因为氢氟酸能与玻璃中的 SiO₂ 反应
D. 硅酸钠溶液暴露在空气中不会变质
解析： - A 错误：SiO₂ 是酸性氧化物，但不溶于水，不能与水反应生成硅酸 - B 错误：硅单质在常温下化学性质稳定，除 F₂、HF 和强碱外，一般不与其他物质反应 - C 正确：SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O，氢氟酸腐蚀玻璃 - D 错误：Na₂SiO₃ 溶液会与空气中的 CO₂ 和 H₂O 反应变质
答案：C
例题2 酸性的比较
题目：向 Na₂SiO₃ 溶液中通入过量 CO₂，观察到的现象是_，该反应的化学方程式为_，证明酸性：____。
解析： Na₂SiO₃ 溶液与 CO₂ 和 H₂O 反应生成 H₂SiO₃ 沉淀，现象为产生白色胶状沉淀（或溶液变浑浊），证明了 H₂CO₃ 的酸性强于 H₂SiO₃（强酸制弱酸）。
答案：产生白色胶状沉淀；Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → H₂SiO₃↓ + Na₂CO₃（或Na₂SiO₃ + 2CO₂ + 2H₂O → H₂SiO₃↓ + 2NaHCO₃）；H₂CO₃ > H₂SiO₃
例题3 硅酸盐的氧化物表示
题目：将高岭土 Al₂Si₂O₅(OH)₄ 改写为氧化物的形式。
解析： 将金属元素写为氧化物形式，按化合价相等原则配平： - Al₂ → Al₂O₃ - 2Si → 2SiO₂ - 4H → 2H₂O
答案：Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O
易错点提醒
- ⚠️ SiO₂ 不溶于水：SiO₂ 是酸性氧化物，但不能与水反应生成硅酸（硅酸只能用可溶性硅酸盐与酸反应制备）
- ⚠️ SiO₂ 与 HF 反应：这是 SiO₂ 的特性反应，其他酸均不与 SiO₂ 反应。HF 是唯一能腐蚀玻璃的酸
- ⚠️ 酸性比较：HCl > H₂CO₃ > H₂SiO₃（向 Na₂SiO₃ 溶液中通入 CO₂ 能生成 H₂SiO₃ 沉淀，证明碳酸酸性强于硅酸）
- ⚠️ 玻璃塞 vs 橡胶塞：盛装 NaOH 等碱液的试剂瓶应用橡胶塞，不能用玻璃塞（SiO₂ 与 NaOH 反应生成 Na₂SiO₃ 使瓶塞粘住）
- ⚠️ 硅是半导体不是导体：硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
- ⚠️ 硅酸盐的氧化物形式：书写顺序为活泼金属氧化物在前，然后是较不活泼金属氧化物，然后是 SiO₂，最后是 H₂O
方法技巧
1. 碳和硅的对比
| 对比项目 | 碳（C） | 硅（Si） |
|---|---|---|
| 最高价氧化物 | CO₂ | SiO₂ |
| 氧化物与水反应 | CO₂ + H₂O → H₂CO₃ | 不反应 |
| 含氧酸酸性 | H₂CO₃（弱酸） | H₂SiO₃（更弱） |
| 氢化物 | CH₄（稳定） | SiH₄（不稳定，易自燃） |
2. 硅酸盐组成的改写方法
- 将金属元素写为氧化物（按化合价确定 O 原子数）
- 将 Si 写为 SiO₂
- 将 H 写为 H₂O
- 按活泼金属氧化物 → 较不活泼金属氧化物 → SiO₂ → H₂O 的顺序排列
3. 玻璃中 SiO₂ 的反应总结
- 与 NaOH 反应（不能用玻璃塞盛碱液）
- 与 HF 反应（雕刻玻璃，不能用玻璃瓶盛氢氟酸）
- 与 Na₂CO₃、CaCO₃ 高温反应（制玻璃的原理）
本章知识框架
第5章（必修二第3章） 无机非金属材料
├── 硅及其化合物
│ ├── 硅单质（Si）
│ │ ├── 物理性质（半导体、灰黑色固体）
│ │ ├── 化学性质（常温稳定，与NaOH、HF反应）
│ │ └── 制备（SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑）
│ ├── 二氧化硅（SiO₂）
│ │ ├── 存在（沙子、石英、水晶、玛瑙）
│ │ ├── 结构（原子晶体，空间网状）
│ │ ├── 物理性质（硬度大、熔点高、不溶于水）
│ │ └── 化学性质（酸性氧化物，与HF反应，与NaOH、碳酸盐反应）
│ ├── 硅酸（H₂SiO₃）
│ │ ├── 制备（可溶性硅酸盐 + 酸）
│ │ ├── 性质（弱酸，酸性比H₂CO₃弱，不溶于水）
│ │ └── 硅胶（干燥剂）
│ └── 硅酸盐
│ ├── 硅酸钠（水玻璃）
│ └── 用氧化物表示硅酸盐组成
├── 传统无机非金属材料
│ ├── 玻璃（原料：纯碱、石灰石、石英）
│ ├── 水泥（原料：石灰石、黏土）
│ └── 陶瓷（原料：黏土）
└── 新型无机非金属材料
├── 硅的新用途（半导体、光导纤维、太阳能电池）
├── 新型陶瓷（SiC、Si₃N₄、生物陶瓷）
└── 碳纳米材料（C₆₀、碳纳米管、石墨烯）
📌 笔记区
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