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第一節 碳族元素
20世紀60年代，隨著積體電路的研製成功，電子工業得到了飛速的發展,各種電子產品相繼出現，收音機、電視機、計算機等越來越多的產品進入我們的生活。在電子工業的發展中，矽起到了非常重要的作用。矽與我們的生活密切相關，除了電子產品的材料中含有矽外，建造房屋的水泥，窗戶上的玻璃，日常使用的碗碟等，也都是由含矽物質製造出來的。
下面，我們將介紹一些與矽有關的知識。
我們在初中已經學習了碳及其化合物的一些性質。在學習了原子結構和元素週期律的有關知識以後，我們又知道，每種元素在週期表中都有它相應的位置。那麼，碳元素位於週期表的什麼位置呢？
與它同族的還有哪些元素呢？
一．碳族元素
碳元素原子的最外電子層上有4個電子，與碳相同，矽(si)、鍺(ge)、錫(sn)、鉛(pb)元素原子的最外電子層上也都有4個電子。這五種元素位於週期表的第ⅳa族，我們稱它們為碳族元素。
討論1 根據所學的元素週期律的知識，試推斷出碳族元素性質變化的一些規律性。
碳族元素隨著核電荷數的增加，一些性質呈現規律性的變化。例如，在週期表中從上到下，元素原子的半徑逐漸增大，失電子能力逐漸增強，得電子能力逐漸減弱，非金屬性向金屬性遞變的趨勢很明顯。在碳族元素的單質中，碳是非金屬；矽雖外貌像金屬，但在化學反應中多顯示非金屬性，通常被認為是非金屬；鍺的金屬性比非金屬性強；錫和鉛都是金屬。
碳族元素的化合價主要有+4和+2，碳、矽、鍺、錫的+4價化合物是穩定的，而鉛的+2價化合物是穩定的。
表1列出了碳族元素及其單質的一些性質。
從表1中可以看出，碳的同素異形體金剛石和石墨的物理性質存在著明顯的差異，這是由於在金剛石和石墨中碳原子的結合方式不同造成的。近年來，科學家們又發現了一些以新的單質形態存在的碳，其中比較重要的是2023年發現的c60。c60是一種由60個碳原子構成的分子，形似足球（圖7-2），因此也常被稱為足球烯。
除此之外，還發現了一些結構與c60類似的碳分子，如c70等。
目前，人們對c60的研究已經取得了很大的進展，將c60應用於超導體、材料科學等領域的探索正在不斷地深入。我國在這方面的研究也取得了重大的成果，如北京大學和中國科學院物理所合作，已成功地研製出了金屬摻雜c60的超導體。可以說，c60的發現，對於碳化學甚至整個化學領域的研究具有非常重要的意義。
有關碳及其化合物的性質，在初中化學已經學習過一些，下面著重學習矽及其化合物的一些知識。
我們已經知道，矽是自然界中分佈很廣的一種元素，在地殼中，它的含量僅次於氧,居第二位。在自然界中，沒有遊離態的矽,只有以化合態存在的矽，如二氧化矽、矽酸鹽等。這些化合態的矽廣泛存在於地殼的各種礦物和岩石裡，是構成礦物和岩石的主要成分。
矽有晶體矽和無定形矽兩種同素異形體。晶體矽是灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體（見元素矽大晶體圖），它的結構類似於金剛石，熔點和沸點都很高，硬度也很大。晶體矽還有一個重要的性質，就是它的導電性介於導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料。
我們知道，碳在常溫下化學性質很穩定，在高溫時能跟氧氣等物質反應。矽作為碳的同族元素，它的化學性質又怎樣呢？
討論2 根據所學的碳以及元素週期律的知識，歸納出一些矽的化學性質。
矽元素原子的最外電子層的電子數目與碳元素原子的最外電子層中的電子數目相同，都有4個電子，所以，矽的許多化學性質跟碳相似。在常溫下，矽的化學性質不活潑，除氟氣、氫氟酸和強鹼外，矽不跟其他物質，如氧氣、氯氣、硫酸、硝酸等起反應。在加熱條件下，矽能跟一些非金屬反應。
例如，加熱時，研細的矽能在氧氣中燃燒，生成二氧化矽並放出大量的熱。
si＋o2 sio2
矽是一種重要的非金屬單質，它的用途非常廣泛。作為良好的半導體材料，矽可用來製造積體電路、電晶體、矽整流器等半導體器件。此外，矽的合金用途也很廣，如含矽4％（質量分數）的鋼具有良好的導磁性，可用來製造變壓器鐵芯；含矽15％（質量分數）左右的鋼具有良好的耐酸性，可用來製造耐酸裝置等。
由於自然界沒有單質矽存在，因此，我們使用的矽,都是從它的化合物中提取的。在工業上，用碳在高溫下還原二氧化矽的方法可製得含有少量雜質的粗矽。
sio2＋2c si＋2co↑
將粗矽提純後，可以得到用作半導體材料的高純矽。
二．二氧化矽
二氧化矽是矽的氧化物，它廣泛存在於自然界中，與其他礦物共同構成了岩石。天然二氧化矽也叫矽石，是一種堅硬難熔的固體。
二氧化矽的化學性質不活潑，不與水反應，也不與酸（氫氟酸除外）反應，但能與鹼性氧化物或強鹼反應生成鹽。例如，
sio2＋cao casio3
sio2＋2naoh＝na2sio3＋h2o
討論3 為什麼實驗室中盛放鹼液的試劑瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞（玻璃中含有sio2）？
二氧化矽是酸性氧化物，它對應的水化物是矽酸（h2sio3）。矽酸不能由二氧化矽直接製得，只能通過可溶性矽酸鹽與酸反應制取。矽酸不溶於水,是一種弱酸，它的酸性比碳酸還要弱。
二氧化矽的用途很廣，目前已被使用的高效能通訊材料光導纖維的主要原料就是二氧化矽。
石英的主要成分也是二氧化矽，較純淨的石英可用來製造石英玻璃，我們在實驗室中使用的一些耐高溫的化學儀器，就是用石英玻璃製成的。利用石英制造的石英電子錶、石英鐘等也非常受人們的喜愛。
透明的石英晶體，就是我們常說的水晶（如下圖）。水晶常用來製造電子工業中的重要部件、光學儀器，也用來製成高階工藝品和眼鏡片等。
三．矽酸鹽
矽酸鹽是構成地殼岩石的主要成分，自然界中存在的各種天然矽酸鹽礦物，約佔地殼質量的5％。矽酸鹽的種類很多，結構也很複雜，通常可用二氧化矽和金屬氧化物的形式來表示其組成。例如，
矽酸鈉 na2sio3(na2o·sio2)
高嶺石 al2(si2o5)(oh)4(al2o3·2sio2·2h2o)
矽酸鈉是一種最常見的矽酸鹽，它的水溶液俗稱水玻璃。水玻璃是無色粘稠的液體，是一種礦物膠，可用作建築上的粘合劑。矽酸鈉不能燃燒且不易受腐蝕，可用作防腐劑，木材、紡織品等浸過水玻璃後，不但能防腐而且不易著火。
粘土的主要成分是矽酸鹽。粘土的種類很多，常見的有高嶺土和一般粘土。粘土是製造陶瓷器的主要原料。
閱讀 二氧化矽粉塵的危害
二氧化矽在日常生活、生產和科研等方面有著重要的用途，但有時也會對人體造成危害。如果人長期吸入含有二氧化矽的粉塵，就會患矽肺病（因矽舊稱為矽，因此矽肺舊稱為矽肺）。矽肺是一種職業病，它的發生及嚴重程度，取決於空氣中粉塵的含量和粉塵中二氧化矽的含量，以及與人的接觸時間長短等。
長期在二氧化矽粉塵含量較高的地方，如採礦、翻砂、噴砂、製陶瓷、制耐火材料等場所工作的人易患此病。因此，在這些粉塵較多的工作場所，應採取嚴格的勞動保護措施，採用多種技術和裝置控制工作場所的粉塵含量，以保證工作人員的身體健康。
家庭小實驗
在水槽或大玻璃容器的底部鋪一層洗淨的細沙（約1 cm厚），再放置一塊形狀像假山的石頭或爐渣。向容器中注入過濾後的質量分數為 20％的
na2sio3溶液(約佔容器體積的3/4)，用玻璃棒將底部的沙子攤平。靜置，待液麵停止晃動後，用鑷子分別將各種鹽的固體(紅豆粒大小)，如cuso4、
mncl2、cacl2、cocl2（氯化鈷）等，投入槽底細沙的不同位置。不久，可以看到，在投入了鹽的地方，有晶體慢慢從水底的細沙中向上“生長”。幾小時後，就能長成各種顏色的“水草”，形成美麗的“水中花園”。
（見上圖）
第二節 矽酸鹽工業簡介
在我們的日常生活中，經常接觸到一些矽酸鹽材料，如使用的碗碟、居住的房屋等。矽酸鹽材料是以含矽物質為原料經加熱製成的。這一製造工業叫做矽酸鹽工業，如製造水泥、玻璃、陶瓷等產品的工業。
矽酸鹽工業在國民經濟中佔有很重要的地位。
1．水泥
水泥是非常重要的建築材料，高樓大廈和各種建築工程都離不開它。水泥具有水硬性，跟水摻和攪拌後很容易凝固變硬，由於水泥具有這一優良特性，因此被用作建築材料。又由於它在水中也能硬化，因此也是水下工程必不可少的材料。
以粘土和石灰石為主要原料，經研磨、混合後在水泥迴轉窯中煅燒，再加入適量石膏，並研成細粉就得到普通水泥。
普通水泥的主要成分是矽酸三鈣（3cao·sio2）、矽酸二鈣、（2cao·sio2）和鋁酸三鈣（3cao·al2o3）等。
水泥、沙子和水的混合物叫水泥砂漿，是建築用粘合劑，可把磚、石等粘結起來。
水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用鋼筋做結構，這就是我們常說的鋼筋混凝土結構。鋼筋混凝土的強度大，常用來建造高樓大廈、橋樑等高大的建築。
解放前，我國使用的水泥主要依賴進口。新中國成立以後，水泥工業有了迅速的發展，目前，我國的水泥產量已躍居世界前列。
資料 水泥的標號
水泥在空氣中硬固後，具有抗壓強度，以kg／cm2來計算。把水泥與沙子以1∶2．5的比率混合製成砂漿試樣，此試樣在水中養護28天時所具有的抗壓強度數值，被稱為水泥的標號。例如，1份水泥與2．5份沙子混合製成的砂漿試樣，在水中硬固28天后，測得其抗壓強度為425 kg／cm2，此水泥的標號就為425。
水泥的標號越大，其效能越好。常用的矽酸鹽水泥有325號、425號、525號和625號，一些高強度水泥，其標號可達1000以上。
2．玻璃
玻璃是我們每天都可以見到的一種矽酸鹽製品。
窗玻璃就是最常見的玻璃，這種玻璃被稱為普通玻璃。製造普通玻璃的原料是純鹼、石灰石和石英。生產時，把原料粉碎，按適當的比率混合後，放入玻璃窯中加強熱。
原料熔融後發生了較複雜的物理變化和化學變化，其中的主要反應是：
na2co3＋sio2 na2sio3＋co2↑
caco3＋sio2 casio3＋co2↑
在製造玻璃的過程中，如果加入某些金屬氧化物，還可以製成有色玻璃。例如，加入co2o3（氧化鈷）後的玻璃呈藍色，加入cu2o後的玻璃呈紅色。我們看到的普通玻璃，一般都呈淡綠色，這是因為原料中混有二價鐵的緣故。
玻璃的種類很多，除上面所介紹的普通玻璃外，還有其他一些玻璃，如石英玻璃、光學玻璃，等等。表2列出了幾種玻璃的特性和用途。
表2 幾種玻璃的特性和用途
3．陶瓷
陶瓷在我國有悠久的歷史。在新石器時代，我們的祖先就能製造陶器，到唐宋時期，製造水平已經很高。唐朝的“三彩”、宋朝的“鈞瓷”聞名於世，流傳至今。
作為陶瓷的故鄉，我國陶都宜興的陶器和瓷都景德鎮的瓷器，在世界上都享有盛譽。
製造陶瓷器的主要原料是粘土，製造陶瓷器的一般過程如下圖所示。
陶瓷的種類很多，根據原料、燒製溫度等的不同，主要分為土器、陶器、瓷器、炻器等。例如，常見的磚、瓦屬於土器，它是用含雜質的粘土在適當溫度下燒製而成的；制瓷器的要求比較高，需要純淨的粘土作原料，燒製溫度也相對高些，所以瓷器比陶器瓷體白淨、質地緻密。
一般燒製的陶瓷製品，表面比較粗糙，而且有不同程度的滲透性。為了彌補這一缺陷，常在燒製前在坯體表面塗一層釉，使成品光滑、不滲水。
陶瓷具有抗氧化、抗酸鹼腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等許多優點，因此，陶瓷製品一直為人們所喜愛。從地下挖掘出的古代陶瓷器，歷經數年仍保持其本色，不但成為人們欣賞的藝術珍品，對後人研究歷史也有很大幫助。如今，陶瓷仍廣泛應用於生活和生產中，如日常生活中的部分餐具，建築中的磚、瓦，電器中的絕緣瓷，化學實驗室中的坩堝、蒸發皿等，都是陶瓷製品。
資料 彩 釉
日常生活中我們見到的許多陶瓷製品，表面光滑、不滲水，而且色彩豐富，非常漂亮。這是由於燒製前在坯體上塗了彩釉的緣故。在普通釉料中加入一些重金屬離子，可製成彩釉（顏色可參考下表）。
塗有彩釉的陶瓷製品絢麗多彩備受人們的喜愛。
閱讀 搪 瓷
我們常用一些搪瓷製品，如搪瓷盆、杯、鍋、碗等，有些電器的外殼也是搪瓷的。搪瓷是在金屬表面塗上類似玻璃的瓷釉，然後在高溫下燒結，就可得到一種金屬與無機材料結合的複合材料。搪瓷一般常用鋼板、鐵、鋁、銅、銀等作胚體，外層的瓷釉對金屬起到了保護和裝飾的作用。
我國在很早以前就掌握了燒製搪瓷的工藝，明朝宣德至景泰年間生產出的精細銅胎搪瓷工藝品景泰藍，至今仍是人們喜愛和珍藏的藝術品。多少年來，搪瓷工藝不斷進步、發展，已能應用於現代化學工業、現代科技等許多領域。例如，化學工業中的反應塔；汽車、火車排氣管；飛機、火箭的耐高溫部件等都用到了搪瓷。
搪瓷還應用於電子、紅外、鐳射、同位素等高技術領域。
小結碳族元素位於週期表的第ⅳa族，隨著核電荷數的增加，它們的性質呈規律性變化。
矽和二氧化矽的主要性質和用途：
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