硅与碳元素知识的总结分析

方琼

【摘要】  本文通过对硅元素与碳元素在存在形式、结构类型、物理性质及化学性质、其形成的化合物及应用进行分析，对二者的相关知识进行总结，希望能对其他学生有所帮助。

【关键词】  硅元素 碳元素 知识总结

【中图分类号】  G633.8             【文献标识码】  A     【文章编号】  1992-7711（2019）02-253-01

前言

硅元素与碳元素在形态、性质及结构等方面存在着许多不同，但也存在许多相同之处，将二者进行比较，并做出总结分析，有利于加深对相关知识的学习，加强对其知识的巩固，提升理解水平。

一、在自然界中存在的形式

在元素周期表中，硅元素与碳元素属于易得电子和易失电子的主族元素的中间位置，硅元素与碳元素的最外层电子数都为4，易生共价化合物;单质晶体所谓类型都为原子晶体，氧化物的晶体类型稍有不同，硅元素的氧化物还是原子晶体，碳元素的氧化物是分子晶体;但是在原子半径上差别较大，硅元素的原子半径要大于碳元素;碳元素的熔点很高，硅元素的熔点比金刚石稍低;但二者都是很弱的非金属元素，一般的常温环境中二者都不会与其他物质产生反应。

硅元素在地壳中的含量达到了26.3%，含量仅次于氧。在自然界中，由于硅易与氧结合，所以不存在游离态的硅。硅在自然界以化合物的形态出现，以硅酸盐或二氧化硅的形式存在于各种矿物及岩石中，在地壳中，由硅含氧化合物构成的硅酸盐矿或石英矿也可以窥见它的影踪，这类矿石大部分都十分坚硬。而碳元素在自然界中的形态与硅元素差别非常大。就整个地球而言，碳元素是形成化合物种类最丰富的元素，如地壳中的碳酸盐矿，如石油、蛋白质、糖、动植物体内脂肪及纤维素等有机物，又如游离状态的碳，如石墨及金刚石等晶体。碳元素是构成动植物的重要元素，生物生命的必要元素核苷酸和氨基酸就是以碳元素为基础逐渐进化演变而来的，碳链一节节接长成为蛋白质及核酸，演化出单细胞生物，进而再演化成鸟、兽、鱼、虫，演化成猴子、猩猩、再逐渐进化成为人类，所以，没有碳就没有生命的存在，含碳的化合物奠定了一切生命的基础。

二、结构类型及物理性质

硅元素的形态可以分为晶形和无定形两种，晶体一般以正四面体空间网状结构呈现，类似于金刚石。晶形是灰黑色的、有金属光泽的、脆而硬的固体形态，单晶硅和金刚石是典型的原子晶体。无定形是黑色的粉末，无论硅元素是以哪种形态出现，其沸点及熔点都非常高，硬度也很大，可做半导体。碳的形态可以分为无定形碳、石墨及金刚石三种，以金刚石为例，金刚石是正四面体结构，排列紧，键能大，各原子间彼此联结的空间网状晶体。碳元素中最具代表性的就是金刚石和石墨，因为碳原子排列方式的不同，物理性质上存在较大差异，金刚石并不具备导电性，石墨做为一种原子晶体，介于金属和分子晶体之间，类似于一种过渡晶体，所以，其能导热导电，并且有金属光泽。硅虽然也能导电，但导电率远不及金属，所以在上文中说到硅是半导体，导电率随着温度的不断升高而增高。原因是当温度升高时，Si-Si键易断裂，晶体中电子流动加快。

三、化学性质

硅元素的化学性质不活泼，在一般的常温环境中，除了与F2、HF强碱反应，不会与其他物质发生反应，在加热状态，可以与O2、H2等产生反应。按形态区分开来说的话，晶态硅元素的化学性质不活泼，而无定形硅晶态硅要活泼得多。石墨的化学性质比较活泼，能被浓INO3，浓H2SO4，NaC1O4，KMnO4等强氧化剂氧化，金刚石与石墨经过燃烧能得到二氧化碳。下面将硅与碳与某些物质发生化学反应的情况进行归纳：

（一）与单质发生反应

C+O2=点燃=CO2

C+2S=（蒸气）高温700℃=CS2

Si+O2=SiO2

Si+2C12=高温燃烧=SiCI4

（二）与化合物发生反应

C+4HNO3（浓）=加热=CO2↑+4NO2↑+2H2O

Si+4HF=高温=SiF4↑+2H2↑

C+2CuO=加热=2Cu+CO2

Si+3FeO=高温=FeSiO3+2Fe

四、化合物及其应用

（一）二氧化硅

硅的化合物-二氧化硅，其晶体结构为空间网状结构，主要性质是无色、高熔点、高沸点、高硬度。二氧化硅作为一种酸性氧化物，其身上有着所有酸性氧化物的普遍性，能够与碱性氧化物发生反应，如化学方程式SiO2+CaO=高温=CaSiO3，生石灰与二氧化硅反应，生成硅酸钙;其还能与碱发生反应，生成盐和水，如SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O，二氧化硅与氫氧化钠溶液反应，生成硅酸钠与水。在日常生活中，可作为光导纤维及建筑材料等出现。

（二）硅酸与硅酸盐

硅的化合物-硅酸与硅酸盐，硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸进行反应而形成的，不溶于水，且酸性较碳酸弱的物质[2]。硅酸盐是由硅、氧及金属组成的整体化合物的名称，在生活中泡花碱和水玻璃的形态出现，在制作陶瓷工艺品、制造水泥及玻璃等建筑材料上应用广泛，随着科学技术的发展，在超导陶瓷及光导纤维等新材料领域也收到关注。

（三）二氧化碳

碳的化合物-二氧化碳，在工业中，一般采取煅烧石灰石的方法制造二氧化碳，即CaCO3=高温=CaO+CO2↑;在日常生活中，可以采用燃烧木炭或用小苏打+食醋的方法制造。其物理性质为无味无色气体，可溶于水，高压低温下可形成干冰，密度较空气大，不可燃。其化学性质为不可燃烧，不支持燃烧，且不能供给呼吸，能与水产生反应，生成碳酸，即CO2+H2O=H2CO3，能使紫色石蕊试液变红。在人们的日常生活中广泛用于灭火、人工降雨、制冷、温室施肥哦及食用饮料。同时，随着人类对能源的消耗，及对森林环境的破坏，大气中二氧化碳含量不断增加，致使全球变暖，威胁人类生活。

（四）一氧化碳

碳的化合物-一氧化碳，其物理性质为无味无色气体，密度小于空气，难溶于水。其化学性质为可燃性及还原性，该气体吸入人肺会与人体血液中的血红蛋白产生反应，使人中毒。在工业生产中，被作为重要生产原料，可制造一系列工业产品，如甲醇、乙酸及光气等，在治金工业中，还被用作燃料和金属还原剂。

结论

综上所述，掌握硅元素与碳元素在方方面面的相同与差异，能方便我们了解二者的物理性质及化学性质，掌握二者的化学方程式，理解其在生活中的应用原理，找到规律，加强学习。

[ 参  考  文  献 ]

[1]宋安泰.高中化学常见元素及其化合物解题技巧的思考[J].当代化工研究，2018（09）：34-35.

[2]焦淑桂.如何引导学生认识化学元素及化合物[J].甘肃教育，2018（07）：115.