硅同碳相似,有+Ⅱ及+Ⅳ氧化態(tài)的氧化物,不過SiO不及CO穩(wěn)定,它是白色的晶體,只在高溫下存在。
另外,SiO2的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也與CO2不同。在常溫常壓下,前者為固體,后者為氣體。因?yàn)榈脑影霃奖萐i的小,在C=O之間可以形成雙健,而Si不能。比較鍵能的大小,也知道Si=O不及C=O穩(wěn)定。所以Si不能象碳那樣以Si=O雙鍵形成有限分子。
C—C | C—O | C=O | Si—Si | Si—O | Si=O | |
鍵能/(kJ·mol-1) | 345.6 | 357.7 | 798.9 | 222 | 452 | 640.2 |
固態(tài)CO2為由CO2小分子組成的分子晶體,而Si通過Si—O鍵形成三維網(wǎng)格的原子晶體。在此晶體中,每個(gè)Si原子以四個(gè)共價(jià)鍵與四個(gè)氧原子結(jié)合,而許多四面體又通過頂點(diǎn)的氧原子連成一個(gè)整體,即每個(gè)氧原子為兩個(gè)四面體所共有(見圖14-3)。因此,從總體上看,Si:O=1:2,所以二氧化硅的最簡(jiǎn)式為SiO2。但是此式不象CO2,并不表示單個(gè)分子。
從地面往下16公里兒乎有65%為二氧化硅的礦石。天然的二氧化硅分為晶態(tài)和無(wú)定形兩大類。晶態(tài)二氧化硅主要存在于石英礦中,它有石英、鱗石英和方石英三種變體。純石英為無(wú)色晶體,大而透明的棱柱狀石英稱為水晶(圖14-4)。紫水晶、瑪瑙和碧玉都是含雜質(zhì)的有色晶體。砂子也是混有雜質(zhì)的石英細(xì)粒。硅藻土則是無(wú)定形二氧化硅。
動(dòng)植物體內(nèi)也含有少量的二氧化硅。一般說(shuō)來(lái),植物中結(jié)實(shí)的莖和穗,含二氧化硅也較多,如麥桿灰中含SiO2就很多。
因?yàn)镾iO2為原子晶體,且Si—O的鍵能很高,所以石英的硬度大,熔點(diǎn)高。將石英在1873K熔融,冷卻時(shí),它不再成為晶體,只是緩慢地硬化,成為石英玻璃,這實(shí)際上是一種過冷液體。無(wú)論是熔融的SiO2或是石英玻璃,它們?nèi)匀挥蒘iO4四面體組成,只不過排列不象在石英晶體中那么整齊。
石英玻璃的熱膨脹系數(shù)小,可以耐受溫度的劇變,灼燒后立即投入冷水中也不致于破裂,可用以制造耐高溫的儀器。石英玻璃能透過紫外線,可用以制造醫(yī)學(xué)和礦井中用的水銀石英燈和其它光學(xué)儀器。石英在高溫時(shí)仍為電的良好絕緣體。將石英拉成絲,這種絲具有很大的強(qiáng)度和彈性。石英玻璃的一項(xiàng)重要新用途,即是制光導(dǎo)纖維,用在光導(dǎo)通訊上。
硅藻土為多孔性物質(zhì),是工業(yè)上常用的吸附劑,又是建筑工程上用的絕熱隔音材料。
二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑,在高溫下也不能被H2還原,只能為鎂、鋁或硼所還原。
SiO2+2Mg=(高溫)2MgO+Si
除F2和HF以外,它不與其它鹵素和酸類作用。它與HF水溶液反應(yīng)的產(chǎn)物也是氟硅酸。
但是SiO2為酸性氧化物,能與熱的濃堿或熔融的堿或碳酸鈉反應(yīng),得到硅酸鹽。
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
SiO2+Na2CO3=(熔融)Na2SiO3+CO2↑
玻璃含有SiO2,所以玻璃能被堿腐蝕。