化学自习室移动版

1、碳、硅同为第ⅤA族元素且在周期表中位置相 邻，为什么CO₂为气态，而SiO₂则为坚硬的固态？

碳元素与硅元素的原子结构相似，故其单质及化合物在物理、化学性质方面有很多相似之处。比如，其单质均可形成微观四面体结构(金刚石与晶体硅)；其简单氢化物分子均为正四面体型结构；最高价氧化物的水化物均为弱酸等。

但是应该注意到，碳与硅在原子结构方面也有不同点。比如，它们的原子半径不同、碳原子最外层不存在d轨道而硅原子最外层有3d轨道等。这些结构差异导致了2种元素的单质及某些化合物性质上的差异。比如，碳的单质除金刚石外，还有层状结构的石墨——同一层内碳原子间彼此结合形成一个个平面正六边形，这是由于碳的原子半径不大，平面内相邻原子间距离小的缘故，故各碳原子未杂化的2p轨道可以彼此重叠，形成“超大规模的离域π键"(这些离域电子使得石墨具有很强的导电性)；而硅则因为原 子半径大，即使形成平面结构，也会由于相邻原子间距离过大，彼此间的3p轨道难以重叠形成稳定的离域π键，所以硅的单质很难形成类似于石墨的层状晶体结构。

CO₂常温下呈气态，是因为CO₂形成的是小分子结构，碳原子首先以sp杂化轨道与氧原子形成σ键，碳、氧原子未杂化的p轨道间还可以从侧面发生 电子云重叠形成稳定的π键，这样构成了稳定的CO₂ 小分子，如图1所示，CO₂分子间作用力弱，所以常温下呈气态。而在硅的氧化物中，由于硅原子半径太大， 硅原子与氧原子间距离相对较远，硅原子的P轨道很难与氧原子的p轨道发生有效重叠形成稳定的σ键， 故Si原子只好发生sp³杂化，用4个杂化轨道分别通过。键结合氧原子(而每个氧原子则结合2个硅原 子)，形成微观正四面体结构，如图2所示，这种结构向空间伸展开来，构成了空间网状结构的原子晶体，形成熔、沸点非常高的晶体。

可以设想，在很高的温度下，也可能存在类似于CO₂的小分子状态的SiO₂，还可以设想，CO₂能不能形成类似于SiO₂的具有微观四面体结构的原子晶体呢？如果制得了原子晶体的 CO₂，其性质将是怎样的呢？这个问题科学家早就想到了，而且不断有人尝试运用高压条件合成具有空间网状结构的原子晶体CO₂。如果制得这样的晶体，它 的硬度将比SiO₂(石英晶体)高很多，因为碳的原子半 径比硅小得多，C一O键的键能比Si—O键要大得多。

2、 CO₂与SiO₂的化学性质有何相似与不同？

CO₂与SiO₂同属碳族元素的最高价氧化物，因 此具有十分相似的化学性质.

1)二者同属酸酐，均可以跟碱反应生成含氧酸盐。

如：CO₂＋2OH^－=CO₃^2－＋H₂O， SiO₂＋2OH^－=SiO₃^2－＋H₂O。

2)二者均具有一定的氧化性。

如：CO₂＋C2CO，

SiO₂＋2CSi＋2CO↑ ，

CO₂＋2Mg C＋2MgO，

SiO₂＋2Mg Si＋2MgO。

当然，二者也有些不同，比如CO₂在水中有一定的溶解度，它可以与水直接化合形成H₂CO₃(CO₂＋H₂O=H₂CO₃)，而SiO₂由于很难溶解，故一般不认为它可以与H₂O直接化合，要由SiO₂制取H₂SiO₃ 的话，一般釆取如下2步反应：

SiO₂＋2OH^－=SiO₃^2－ ＋H₂O，

SiO₃^2－＋ H₂O＋CO₂= H₂SiO₃↓＋CO₃^2－

3、如何理解 Na₂SiO₃＋CO₂＋H₂O = H₂SiO₃↓＋Na₂CO₃ 与 SiO₂＋Na₂CO₃Na₂SiO₃＋CO₂↑ 2 个反应？

Na₂SiO₃＋CO₂＋H₂O = H₂SiO₃↓＋Na₂CO₃， 该反应显然是遵循“强酸制弱酸”原理的(当然，这里 还附加了1个硅酸形成沉淀的动力机制)，根据元素周期律，碳元素的非金属性比硅元素强，它的最高价氧化物水化物(H₂CO₃)的酸性比硅的最高价氧化物水化物的酸性强，故碳酸可以把硅酸从其盐溶液中 “置换"出来。

而反应 SiO₂＋Na₂CO₃Na₂SiO₃＋CO₂↑中， SiO₂“置换”CO，则与酸性强弱无关，而是依据熵增原 理发生的反应.其实，类似上述“互相矛盾”的反应还有很多，比如：2Mg＋SiO₂Si ＋ 2MgO。

在实验室里可利用酒精喷灯加热镁粉与SiO₂粉末的混合物制取粗硅并进一步试验硅的化学性质，此反应利用了镁的还原性。而工业上则可利用粗硅还原氧化镁的方法制取金属镁：2MgO ＋ Si SiO₂＋2Mg (蒸气)。显然，这一反应是因为产生的镁呈气态，整个反应过程中燜的增大拉动化学平衡不断向右移动。

同理，还有2Mg ＋ CO₂ C ＋ 2MgO(实验室可以演示镁条在CO₂中的燃烧)；MgO(s) ＋ C(s)CO(g) ＋ Mg(g)(工业制取镁的方法之一，应用熵增原理)。