“孿生兄弟”

         “孿生兄弟”——鋁硅

                     在學習元素化合物知識時，常將非金屬或金屬元素及其化合物單獨分開歸類進行學習。這里試圖打破常規，跳出自然族的框架，另避蹊徑，將同周期的鋁、硅元素作為“孿生兄弟”進行對比學習，尋求共性。

    一、理論依據

    根據元素周期表知識可知：位于第三周期的鋁、硅是隔壁鄰居，且均處于金屬和非金屬的分界線附近，同桌的你，是同學，是兄弟，是雙胞胎。鋁、硅元素的體征相貌雖然各異，一是金屬，一是非金屬；一是典型的非金屬材料，一是重要的金屬材料；但性格十分相似，既表現某些金屬性質，又表現某些非金屬性質。不信你可以現場考察：鋁、硅元素及其化合物有著許多共性之處。

    二、共性表現

    1．鋁、硅的脾氣相投，都喜歡廣交氧化劑為朋友，均表現還原性。

    ①在氧氣中加熱后均能燃燒，同時放出大量熱。

    2Al+3O₂2Al₂O₃         Si+O₂SiO₂

    ②與許多非金屬單質發生反應(如鹵素、氮氣、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與強堿溶液反應，其單質失去的電子均由水中氫離子獲得，故注明電子轉移方向和數目時，應在化學方程式兩邊加上一定數目的水分子。

          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與某些金屬氧化物反應：

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

    ⑤與某些強氧化性酸反應：

    Al+6HNO₃(濃)Al(NO₃)₃+3NO₂↑+3H₂O

    Si+4HNO₃(濃)SiO₂+4NO₂↑+2H₂O

    ⑥還原適量的氫氟酸：

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

    2．氧化鋁、二氧化硅體貌相同，都屬于氧化物的身份，均表現酸酐通性。

    ①兩兄弟均不溶于水，均是高熔點、高硬度的氧化物，均可作耐火材料；均可在高嶺土(主要成分：Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O)、正長石(主要成分：K₂O·Al₂O₃·6SiO₂)、鈉長石(主要成分：Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂)等礦石中共生；水泥主要成分中均含有兩兄弟：硅酸三鈣(3CaO·SiO₂)、硅酸二鈣(2CaO·SiO₂)、鋁酸三鈣(3CaO·Al₂O₃)；均為兩種酸的酸酐，Al₂O₃雖屬兩性氧化物，但他是H₃AlO₃或HAlO₂的酸酐，即鋁酸酐或偏鋁酸酐，SiO₂是H₄SiO₄或H₂SiO₃的酸酐，即原硅酸酐或硅酸酐。

    ②與強堿溶液反應：

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

    SiO₂+2OH^－== SiO₃^2－+H₂O

    ③與某些堿性氧化物反應：

    Al₂O₃+CaOCa(AlO₂)₂     SiO₂+CaOCaSiO₃

    ④與某些鹽反應：

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

    ⑤與適量氫氟酸反應：

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

    3．氫氧化鋁、硅酸性格相似，都是既喜歡結交異性又不太穩重，均表現出不溶性酸的性質。

    ①與強堿溶液反應：

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

    H₂SiO₃+2OH^－==SiO₃^2－+2H₂O

    ②受熱均可分解，顯示出不穩定性：

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

    4．可溶性的偏鋁酸鹽與硅酸鹽面目相同，都會在水中顯出自己的勇敢行為，均表現弱酸鹽的性質。

    ①水解均顯堿性：

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

    ②與適量強酸或通入過量CO₂以及加入酸性強于偏鋁酸與硅酸的酸，均生成白色膠狀沉淀。

    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與水解呈酸性的鹽(如氯化銨、氯化鐵等)均發生互相促進水解反應：

    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．氯化鋁與四氯化硅、氮化鋁與氮化硅模樣相仿，都酷愛水姑娘，與水均發生能強烈水解。

    ①氯化鋁、四氯化硅與水均發生能強烈水解并產生大量白霧。

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

    ②氮化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷均有較高的硬度和耐磨性、較強的抗化學侵蝕性和電絕緣性、耐高溫等良好性能。但粉末狀的氮化鋁與氮化硅在水中均不穩定，均可發生水解反應。

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

    三、結束語

    在學習鋁元素的兩性時，硅元素的性質可遷移學習，既有利于突破鋁元素兩性這一重難點知識，又有利于鞏固與碳元素有別的硅元素性質。真可謂“孿生兄弟”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價一般是+2、+4價；但硅卻只有+4價。

    2．硅化學性質不活潑，但自然界中沒有游離態的硅，以二氧化硅、硅酸鹽等形式存在。

    3．硅還原性比碳強，而碳在高溫下卻能從二氧化硅中還原出硅。

    SiO₂＋2C Si＋2CO↑

    4．非金屬單質一般不與弱氧化性酸反應，而硅不但能與HF反應，且還有H₂生成。Si＋4HF==SiF₄↑＋2H₂↑

    5．非金屬單質與強堿溶液反應一般不生成氫氣，而硅卻不然。

Si＋2NaOH＋H₂O==Na₂SiO₃＋2H₂↑

    6．一般非金屬單質為絕緣體，而硅為半導體，常用與電子部件。

    7．SiO₂是硅酸的酸酐，但卻不能用SiO₂與水反應制備硅酸，只能用可溶性硅酸鹽跟酸作用來制備。

    8．酸性氧化物一般不與酸反應(除氧化還原反應外)，而二氧化硅卻能與氫氟酸反應。SiO₂＋4HF==SiF₄↑＋2H₂O

    9．非金屬氧化物一般是分子晶體，而二氧化硅卻是原子晶體。

    10．較強的酸制取較弱的酸是復分解反應的一般規律，如Na₂SiO₃＋CO₂＋H₂O==

Na₂CO₃＋H₄SiO₄↓，而反應Na₂CO₃＋SiO₂ Na₂SiO₃＋CO₂↑卻能進行。

    11．無機酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸卻難溶于水。

    12．通常所說的某酸鹽為一種酸根的鹽，而硅酸鹽卻是多種硅酸(H₂SiO₃、H₄SiO₄、H₂Si₂O₅、H₆Si₂O₇等)的鹽的總稱。

    13．硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，但它和玻璃的化學成分并不相同。硅酸鈉也叫泡花堿，但它是鹽而不是堿。鋼化玻璃與普通玻璃成分相同，水晶玻璃與玻璃成分不同。

    14．二氧化硅是熔點最高的非金屬氧化物；二氧化硅可作光導纖維； H₂SiO₃是常溫下呈固態的酸。

    練習：1.（2011山東高考10）某短周期非金屬元素的原子核外最外層電子數是次外層電子數的一半，該元素（）

    A．在自然界中只以化合態的形式存在

    B．單質常用作半導體材料和光導纖維

    C．最高價氧化物不與酸反應

    D．氣態氫化物比甲烷穩定

    答案：A

    2.（2011江蘇高考3）下列有關物質的性質和該性質的應用均正確的是（ ）

    A.常溫下濃硫酸能是鋁發生鈍化，可在常溫下用鋁制貯藏貯運濃硫酸

    B.二氧化硅不與任何酸反應，可用石英制造耐酸容器

    C.二氧化氯具有還原性，可用于自來水的殺菌消毒

    D.銅的金屬活潑性比鐵的差，可在海輪外殼上裝若干銅塊以減緩其腐蝕

    答案：A