“孪生兄弟”

         “孪生兄弟”——铝硅

                     在学习元素化合物知识时，常将非金属或金属元素及其化合物单独分开归类进行学习。这里试图打破常规，跳出自然族的框架，另避蹊径，将同周期的铝、硅元素作为“孪生兄弟”进行对比学习，寻求共性。

    一、理论依据

    根据元素周期表知识可知：位于第三周期的铝、硅是隔壁邻居，且均处于金属和非金属的分界线附近，同桌的你，是同学，是兄弟，是双胞胎。铝、硅元素的体征相貌虽然各异，一是金属，一是非金属；一是典型的非金属材料，一是重要的金属材料；但性格十分相似，既表现某些金属性质，又表现某些非金属性质。不信你可以现场考察：铝、硅元素及其化合物有着许多共性之处。

    二、共性表现

    1．铝、硅的脾气相投，都喜欢广交氧化剂为朋友，均表现还原性。

    ①在氧气中加热后均能燃烧，同时放出大量热。

    2Al+3O₂2Al₂O₃         Si+O₂SiO₂

    ②与许多非金属单质发生反应(如卤素、氮气、碳等)。

    2Al+3F₂==2AlF₃            Si+2F₂==SiF₄

    2Al+3Cl₂2AlCl₃       Si+2Cl₂SiCl₄

    2Al+N₂ 2AlN          3Si+2N₂ Si₃N₄

    4Al+3C Al₄C₃         Si+C SiC

    ③与强碱溶液反应，其单质失去的电子均由水中氢离子获得，故注明电子转移方向和数目时，应在化学方程式两边加上一定数目的水分子。

          6e^-

       

    2Al+2OH^－+6H₂O==2AlO₂^－+3H₂↑+4H₂O

    或2Al+2OH^－+6H₂O==2[Al(OH)₄]^－+3H₂↑

          4e^- 

       

     Si+2OH^－+4H₂O ==SiO₃^2－+2H₂↑+3H₂O

    ④与某些金属氧化物反应：

    2Al+3FeOAl₂O₃+3Fe   Si+2FeOSiO₂+2Fe

    ⑤与某些强氧化性酸反应：

    Al+6HNO₃(浓)Al(NO₃)₃+3NO₂↑+3H₂O

    Si+4HNO₃(浓)SiO₂+4NO₂↑+2H₂O

    ⑥还原适量的氢氟酸：

    2Al+6HF==2AlF₃+3H₂↑   Si+4HF==SiF₄↑+2H₂↑ 

    2．氧化铝、二氧化硅体貌相同，都属于氧化物的身份，均表现酸酐通性。

    ①两兄弟均不溶于水，均是高熔点、高硬度的氧化物，均可作耐火材料；均可在高岭土(主要成分：Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O)、正长石(主要成分：K₂O·Al₂O₃·6SiO₂)、钠长石(主要成分：Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂)等矿石中共生；水泥主要成分中均含有两兄弟：硅酸三钙(3CaO·SiO₂)、硅酸二钙(2CaO·SiO₂)、铝酸三钙(3CaO·Al₂O₃)；均为两种酸的酸酐，Al₂O₃虽属两性氧化物，但他是H₃AlO₃或HAlO₂的酸酐，即铝酸酐或偏铝酸酐，SiO₂是H₄SiO₄或H₂SiO₃的酸酐，即原硅酸酐或硅酸酐。

    ②与强碱溶液反应：

    Al₂O₃+2OH^－==2AlO₂^－+H₂O或Al₂O₃+2OH^－+3H₂O==2[Al(OH)₄]^－

    SiO₂+2OH^－== SiO₃^2－+H₂O

    ③与某些碱性氧化物反应：

    Al₂O₃+CaOCa(AlO₂)₂     SiO₂+CaOCaSiO₃

    ④与某些盐反应：

    Al₂O₃+Na₂CO₃2NaAlO₂+CO₂↑    SiO₂+Na₂CO₃Na₂SiO₃+CO₂↑

    ⑤与适量氢氟酸反应：

    Al₂O₃+6HF==2AlF₃+3H₂O      SiO₂+4HF==SiF₄↑+2H₂O

    3．氢氧化铝、硅酸性格相似，都是既喜欢结交异性又不太稳重，均表现出不溶性酸的性质。

    ①与强碱溶液反应：

    Al(OH)₃+OH^－==AlO₂^－+2H₂O或Al(OH)₃+OH^－==[Al(OH)₄]^－

    H₂SiO₃+2OH^－==SiO₃^2－+2H₂O

    ②受热均可分解，显示出不稳定性：

    2Al(OH)₃Al₂O₃+3H₂O    H₂SiO₃SiO₂+H₂O

    4．可溶性的偏铝酸盐与硅酸盐面目相同，都会在水中显出自己的勇敢行为，均表现弱酸盐的性质。

    ①水解均显碱性：

    AlO₂^－+2H₂OAl(OH)₃+OH^－     SiO₃^2－+2H₂OH₂SiO₃+2OH^－

    ②与适量强酸或通入过量CO₂以及加入酸性强于偏铝酸与硅酸的酸，均生成白色胶状沉淀。

    AlO₂^－+H⁺+H₂O==Al(OH)₃↓或[Al(OH)₄]^－+H⁺==Al(OH)₃↓+H₂O

    SiO₃^2－+2H⁺+H₂O==H₄SiO₄↓或SiO₃^2－+2H⁺==H₂SiO₃↓

    AlO₂^－+CO₂+2H₂O==Al(OH)₃↓+HCO₃^－

    或 [Al(OH)₄]^－+CO₂==Al(OH)₃↓+HCO₃^－

    SiO₃^2－+2CO₂+2H₂O==H₄SiO₄↓+2HCO₃^－

    或SiO₃^2－+2CO₂+H₂O==H₂SiO₃↓+2HCO₃^－

    ③与水解呈酸性的盐(如氯化铵、氯化铁等)均发生互相促进水解反应：

    AlO₂^－+NH₄⁺+H₂O==Al(OH)₃↓+NH₃↑

    或[Al(OH)₄]^－+NH₄⁺==Al(OH)₃↓+NH₃↑+H₂O

    SiO₃^2－+2NH₄⁺+H₂O==H₄SiO₄↓+2NH₃↑

    或SiO₃^2－+2NH₄⁺==H₂SiO₃↓+2NH₃↑

    5．氯化铝与四氯化硅、氮化铝与氮化硅模样相仿，都酷爱水姑娘，与水均发生能强烈水解。

    ①氯化铝、四氯化硅与水均发生能强烈水解并产生大量白雾。

    AlCl₃+3H₂O==Al(OH)₃↓+3HCl↑   SiCl₄+3H₂O==H₂SiO₃↓+4HCl↑

    ②氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷均有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性、耐高温等良好性能。但粉末状的氮化铝与氮化硅在水中均不稳定，均可发生水解反应。

    AlN+3H₂O==Al(OH)₃↓+NH₃↑      Si₃N₄+9H₂O==3H₂SiO₃↓+4NH₃↑

    三、结束语

    在学习铝元素的两性时，硅元素的性质可迁移学习，既有利于突破铝元素两性这一重难点知识，又有利于巩固与碳元素有别的硅元素性质。真可谓“孪生兄弟”相得益彰。

 

硅及其化合物中的特殊性

    1．碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价；但硅却只有+4价。

    2．硅化学性质不活泼，但自然界中没有游离态的硅，以二氧化硅、硅酸盐等形式存在。

    3．硅还原性比碳强，而碳在高温下却能从二氧化硅中还原出硅。

    SiO₂＋2C Si＋2CO↑

    4．非金属单质一般不与弱氧化性酸反应，而硅不但能与HF反应，且还有H₂生成。Si＋4HF==SiF₄↑＋2H₂↑

    5．非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，而硅却不然。

Si＋2NaOH＋H₂O==Na₂SiO₃＋2H₂↑

    6．一般非金属单质为绝缘体，而硅为半导体，常用与电子部件。

    7．SiO₂是硅酸的酸酐，但却不能用SiO₂与水反应制备硅酸，只能用可溶性硅酸盐跟酸作用来制备。

    8．酸性氧化物一般不与酸反应(除氧化还原反应外)，而二氧化硅却能与氢氟酸反应。SiO₂＋4HF==SiF₄↑＋2H₂O

    9．非金属氧化物一般是分子晶体，而二氧化硅却是原子晶体。

    10．较强的酸制取较弱的酸是复分解反应的一般规律，如Na₂SiO₃＋CO₂＋H₂O==

Na₂CO₃＋H₄SiO₄↓，而反应Na₂CO₃＋SiO₂ Na₂SiO₃＋CO₂↑却能进行。

    11．无机酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸却难溶于水。

    12．通常所说的某酸盐为一种酸根的盐，而硅酸盐却是多种硅酸(H₂SiO₃、H₄SiO₄、H₂Si₂O₅、H₆Si₂O₇等)的盐的总称。

    13．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，但它和玻璃的化学成分并不相同。硅酸钠也叫泡花碱，但它是盐而不是碱。钢化玻璃与普通玻璃成分相同，水晶玻璃与玻璃成分不同。

    14．二氧化硅是熔点最高的非金属氧化物；二氧化硅可作光导纤维； H₂SiO₃是常温下呈固态的酸。

    练习：1.（2011山东高考10）某短周期非金属元素的原子核外最外层电子数是次外层电子数的一半，该元素（）

    A．在自然界中只以化合态的形式存在

    B．单质常用作半导体材料和光导纤维

    C．最高价氧化物不与酸反应

    D．气态氢化物比甲烷稳定

    答案：A

    2.（2011江苏高考3）下列有关物质的性质和该性质的应用均正确的是（ ）

    A.常温下浓硫酸能是铝发生钝化，可在常温下用铝制贮藏贮运浓硫酸

    B.二氧化硅不与任何酸反应，可用石英制造耐酸容器

    C.二氧化氯具有还原性，可用于自来水的杀菌消毒

    D.铜的金属活泼性比铁的差，可在海轮外壳上装若干铜块以减缓其腐蚀

    答案：A