碳、硅思维导图

U2113664006

2025-11-10

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化学反应

反应类型

元素反应

碳族元素、元素介绍相关内容讲解

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思维导图大纲

碳族元素

元素周期表位置

碳

第2周期第IV族

硅

第3周期第IV族

价电子排布式

ns2np2

碳

同素异形体

金刚石

共价晶体sp3杂化

沿体对角线投影

1mol金刚石中含有2molC-C键

配位数为4,1个碳能形成4个C-C键

沸点影响因素

原子半径大小

共价键强弱

金刚石、金刚砂、晶体硅的沸点比较

石墨

混合晶体sp2杂化

层状结构

同层内有共价键

层与层之间有范德华力

1mol石墨中含有1.5molC-C键

1个碳能形成3个C-C键

碳纳米材料

碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。

碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。

石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。

富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。

化学性质

C+SiO2--高温--CO+Si

C+CO2-------CO（吸热反应）

CO2

化学性质

与苯酚钠

苯酚+NaHCO3

四羟基合铝酸根、氢氧化钠

少量

碳酸根

过量

碳酸氢根

结构

分子晶体

电子式

杂化类型

碳酸

二元弱酸

分步电离

硅

硅单质

共价晶体sp3杂化

沿体对角线投影

1mol晶体硅中含有2molSi-Si键

配位数为4,1个硅能形成4个Si-Si键

沸点影响因素

原子半径大小

共价键强弱

金刚石、金刚砂、晶体硅的沸点比较

化学性质

Si+HF——SiF4（气）+H2（气）

Si+NaOH---Na2SiO3+H2（气）

用途p115步步高

半导体材料

太阳能电池

芯片

高纯度硅的制备

工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷（SiHCl3），再经氢气还原得到高纯硅。

流程

方程式

二氧化硅

共价晶体

沿体对角线投影

1mol二氧化硅中含有4molSi-O键

化学性质

与NaOH

与碳酸钙反应

与氧化钙反应

与HF反应

硅酸盐

硅酸盐的结构

化学性质

与盐酸反应

与少量二氧化碳反应

用途

无机非金属材料

传统

传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。

普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得的。玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。

陶瓷是以黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）为主要原料，经高温烧结而成的。我国具有悠久的陶瓷制造历史，在新石器时代，我们的祖先已能烧制陶器，至唐宋时期，我国的陶瓷制品已经享誉海内外。目前，陶瓷仍然在人类的生产和生活中扮演着重要的角色，得到了广泛应用，如用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。

普通硅酸盐水泥的生产以黏土和石灰石为主要原料。二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉就能得到普通水泥。水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）等。

新型

有一些是高纯度的含硅元素的材料，如单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的电学和光学性能，是现代信息技术的基础材料；还有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。

高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。

二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。

新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。例如，碳化硅（SiC）俗称金刚砂，其中的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1 600 ℃，大大超过了普通金属材料所能承受的温度，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。

高温结构陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。

压电陶瓷主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化。可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。

透明陶瓷主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好。可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等

超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等领域。

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