硅和其化合物的特性及应用

1.硅单质

由于硅易于与氧结合，自然界中没有游离态的硅存在。

硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们的结构类似于金刚石，晶体硬而脆，莫氏硬度为7，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属的，且随温度升高而增加，具有半导体性质，常用于电子工业以及炼钢和电力工业。

单质硅相对较稳定，但加热时与许多非金属单质化合，例如：

硅能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合，生成相应的金属硅化物。如

Si在含氧酸中被钝化，但与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6。

无定形硅能与碱猛烈反应，生成可溶性硅酸盐，并放出氢气。

硅与在高温下的水蒸气反应：

2.硅的含氧化合物

SiO2分为晶态和无定形两大类。晶态SiO2是石英的主要成分。纯石英为无色晶体，大而透明的棱柱状石英晶体称为水晶，紫水晶、玛瑙和碧玉等都是含杂质的有色石英晶体。砂子也是混有杂质的石英细粒。硅藻土和蛋白石则是无定形二氧化硅矿石，它们都是含不定量结晶水的SiO2·n H2O。

SiO2通过Si—O键形成三维网格的原子晶体。在此晶体中，最基本的结构单元是硅氧四面体SiO4，即每个硅原子采取sp3杂化轨道与四个氧原子结合，四面体顶点氧原子为两个四面体所共用。因此，从总体上看，Si∶O＝1∶2，所以SiO2是二氧化硅的最简式。但是此式不同于CO2（分子晶体），它并不表示单个分子。(www.xing528.com)

SiO2的结构和性质与CO2的不同。在常温常压下，SiO2为固体，是原子晶体，而且Si—O的键能很高，所以石英的硬度大、溶点高。CO2则为气体，是分子晶体。

氢氟酸是唯一可使SiO2溶解的酸，将生成SiF4或易溶于水的氟硅酸。

二氧化硅为酸性氧化物，它能溶于热的强碱溶液或溶于熔融的碳酸钠中，生成可溶性的硅酸盐。

玻璃的主要成分是SiO2，所以玻璃能被碱腐蚀。石英在1 627℃左右熔化成黏稠液体，内部结构SiO2四面体是杂乱排列的，因此，其结构呈无定形，冷却时因黏度大而不易再结晶，变成过冷液体，称为石英玻璃。石英玻璃具有许多特殊性质，如它的热膨胀系数小，可以耐受温度的剧变，用于制造耐高温的仪器。

石英可以拉成丝，这种丝有很高的强度和弹性，是制作光导纤维的原料。水晶可以制作镜片或光学仪器，玛瑙和碧玉可以作装饰宝石。硅藻土为多孔性物质，可以作工业用吸附剂和保温隔声材料。

硅酸是一种白色的胶冻状或絮状的固体，其组成较复杂，往往随生成条件而变，常用通式x SiO2·y H2O来表示，是无定形SiO2的水合物。在各种硅酸中，偏硅酸的组成最简单，所以也常用H2SiO3代表硅酸。硅酸是二元弱酸比碳酸的酸性还弱。

硅酸在水中的溶解度较小，溶液呈微弱的酸性。单分子硅酸溶于水后聚合成多硅酸，形成硅酸溶胶。当浓度大或加入电解质时，形成硅酸凝胶。硅酸凝胶烘干并活化，便可制得硅胶。因硅胶具有许多细小的空隙，有较大的比表面积，有较强的吸附能力，常用作干燥剂、吸附剂和催化剂载体。若把凝胶用CoCl2溶液浸泡，则可制得变色硅胶。

硅酸盐中只有Na2SiO3（偏硅酸钠，俗称水玻璃）和K2SiO3可溶于水，其他大多数硅酸盐难溶于水，且有特征颜色，如CuSiO3（蓝绿色）、CoSiO3（紫色）、MnSiO3（浅红色）、NiSiO3（翠绿色）、Fe2（SiO3）3（棕红色）。若在透明的Na2SiO3溶液中分别加入颜色不同的固体重金属盐，静置几分钟后，可以看到不同颜色的难溶重金属硅酸盐好像花草一样在水中不断生长，形成美丽的“水中花园”。

自然界存在的各种天然硅酸盐矿物约占地壳质量的95%，最重要的天然硅酸盐是铝硅酸盐。由于Al也能形成AlO4四面体，因此，Al可以局部取代硅酸盐中硅的位置，这样的矿物就是铝硅酸盐。

分子筛是一类天然的或人工合成的沸石型的水合铝硅酸盐。它们都具有多孔的笼形骨架结构，在结构中有许多孔径均匀的通道和排列整齐、内表面相当大的空穴。这类铝硅酸盐的晶体只能让直径比空穴孔径小的分子进入孔穴，从而可使不同大小的分子得以分离，起到筛选分子的作用。通常把这样的天然铝硅酸盐称为沸石分子筛。

分子筛除了天然的各种沸石外，人工合成的已有几十种，A型分子筛就是实际生产中最为广泛应用的一种人工合成的铝硅酸盐分子筛。分子筛具有吸附能力和离子交换能力，其吸附选择性远远高于活性炭等吸附剂，而且容量大，热稳定性好，并可以活化再生反复使用。分子筛广泛用于分离技术，如分离蛋白质、多糖和合成高分子等，还可用于干燥气体或液体、作催化剂载体等。图8－39所示为沸石结构。