2022年秋高中化學 初高中銜接 專題19 無機非金屬材料的主角——硅學案

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1、2022年秋高中化學 初高中銜接 專題19 無機非金屬材料的主角——硅學案 【知識回放】 1．碳和硅在自然界中以什么形式存在？ 2．CO2的物理性質：是一種 色 體， 溶于水，固態(tài)CO2俗稱 。 3．完成以下方程式： （1）CO2 + H2O → （2）CO2 + NaOH → （3）CO2 + CaO → 4．請寫出硅原子和碳原子的原子結構示意圖。 5．根據Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑能說明硅酸酸性比碳酸強嗎？ 6．由于SiO2既可與堿反應，也可與氫氟酸反應，所以SiO2為兩性氧化物，這種說法是否正確? 【答案】 1．碳在自然

2、界中有游離態(tài)和化合態(tài)兩種形式存在，硅在自然界中以化合態(tài)存在。 2．無色無味 氣體 能 干冰 3．（1）CO2 + H2O = H2CO3 （2）CO2 + 2NaOH = Na2CO3+H2O （3）CO2 + CaO = CaCO3 4． 【新知精講】 一、二氧化硅 1.存在 存在形態(tài)有結晶形和無定形兩大類,水晶、瑪瑙的主要成分是結晶的二氧化硅。 2.物理性質 熔點 硬度 溶解性 高 大 不溶于水 3.化學性質 4.用途 (1)以SiO2為主要成分的沙子是基本的建筑材料。 (2)純凈的SiO2是現代光學及光纖制品

3、的基本原料,可以制作光導纖維。 (3)用石英和瑪瑙制作飾物和工藝品。 二、硅酸 1.硅酸的性質 (1)弱酸性。 向Na2SiO3溶液中通入CO2,反應的化學方程式為Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3(膠體)+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O===H2SiO3(膠體)+2NaHCO3。 結論:H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。 (2)不穩(wěn)定性。 H2SiO3受熱易分解,化學方程式為H2SiO3SiO2+H2O。 2.硅酸的制備 (1)Na2SiO3溶液與CO2的反應:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3(膠體)+Na2CO3。 (

4、2)Na2SiO3與鹽酸的反應:Na2SiO3+2HCl===H2SiO3(膠體)+2NaCl。 3.硅酸的存在及用途 (1)濃度小時:形成硅酸溶膠。 (2)濃度大時:形成硅酸凝膠。 (3)硅膠。 硅酸凝膠經干燥脫水得到的硅酸干凝膠,稱為“硅膠”,具有很強的吸水性,常用作干燥劑或催化劑的載體。 三、硅酸鹽 1.概念 硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱。 2.硅酸鹽的性質 硅酸鹽是一大類結構復雜的固態(tài)物質,大多不溶于水,化學性質很穩(wěn)定。 3.硅酸鹽組成的表示 通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示其組成。 例如:Na2SiO3:Na2O·SiO2;

5、長石KAlSi3O8:K2O·Al2O3·6SiO2。 4.最常見的硅酸鹽——Na2SiO3 Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃,能制備硅膠和木材防火劑。 5.三種常見的硅酸鹽產品 硅酸鹽產品 原料 主要設備 水泥 石灰石、黏土 水泥回轉窯 玻璃 純堿、石灰石和石英 玻璃窯 陶瓷 黏土 — 6.其他含硅的物質 物質 性質 用途 SiC 俗稱金剛砂,具有金剛石結構,硬度很大 砂紙、砂輪的磨料 含4%硅的硅鋼 很高的導磁性 變壓器鐵芯 硅橡膠 既耐高溫又耐低溫,在-60~250 ℃保持良好的彈性 制造火箭、導彈、飛機的零件和絕緣材料等 人

6、工制造的分 子篩(鋁硅酸鹽) 有均勻微孔結構 作吸附劑和催化劑 四、硅單質 1.種類：單質硅有晶體和無定形兩類。 2.結構：晶體硅的結構與金剛石相似。 3.性質 (1)物理性質: 色、態(tài) 光澤 熔點 硬度 質地 導電性 灰黑色固體 金屬光澤 高 大 脆 半導體 (2)化學性質:在常溫下化學性質不活潑,但能與氫氟酸、強堿發(fā)生反應。 4.用途 (1)半導體材料,如硅芯片等。 (2)新型能源,如光電池等。 【科學探究】 探究一 二氧化硅的性質 問題導引 二氧化硅的平面結構 1.實驗室保存NaOH溶液時為何不能使用玻璃塞? 提示因Na

7、OH會與玻璃的主要成分SiO2反應,生成的Na2SiO3溶液會使瓶塞與瓶口黏連在一起。 2.SiO2既能與NaOH溶液反應,也能與氫氟酸反應,SiO2屬于兩性氧化物嗎? 探究二 硅酸的性質和制備 · 問題導引 硅酸的制備 實驗操作 實驗現象 滴加酚酞溶液后溶液呈紅色,滴加稀鹽酸后溶液變?yōu)闊o色,有白色膠狀沉淀生成 1.SiO2屬于酸性氧化物,能否用SiO2與H2O直接反應制取H2SiO3? 提示不能。雖然SiO2屬于酸性氧化物,但SiO2難溶于水,無法用SiO2與H2O反應制取H2SiO3,可用Na2SiO3與酸反應制取。 2.已知SiO2+Na2CO3Na2

8、SiO3+CO2↑,這能否證明硅酸的酸性比碳酸強? 提示不能。該反應是在高溫下進行,產物中CO2為氣體,生成后脫離反應體系,使反應能向右進行到底。 探究三 硅酸鹽的組成和性質 問題導引 常見的硅酸鹽礦物 1.思考:硅酸鹽可寫成二氧化硅和金屬氧化物的形式,是否可理解成硅酸鹽是二氧化硅和金屬氧化物的混合物? 提示不可以。硅酸鹽結構復雜,只是用二氧化硅和金屬氧化物的形式來表示,并不是它們的混合物。 2.請結合硅酸鹽的性質,分析在實驗室里如何保存Na2SiO3溶液?如果敞口放置一段時間,溶液會出現什么現象? 探究四 硅單質的性質和用途 問題導引 太陽能汽車 單質硅在常

9、溫下化學性質不活潑,所以硅在自然界中以游離態(tài)存在,這種說法是否正確? 提示不正確。硅是一種親氧元素,在自然界中總是與氧相互化合,以熔點很高的氧化物及硅酸鹽的形式存在。所以自然界中無游離態(tài)的硅存在。 【重點突破】 1.SiO2的特性 (1)酸性氧化物一般能與水反應生成對應的酸,但SiO2不溶于H2O,不能直接與H2O反應生成H2SiO3。 (2)非金屬氧化物的熔點一般較低,但二氧化硅的熔點很高。 (3)酸性氧化物一般不與酸反應,但SiO2可以與氫氟酸反應:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。 2.CO2與SiO2的結構與性質的異同 二氧化碳(CO2) 二氧化硅(S

10、iO2) 類別 均為酸性氧化物 結構特點 由二氧化碳分子構成 由氧原子與硅原子構成立體網狀結構,無SiO2分子 物理性質 常溫為無色氣體,熔點和沸點低,可溶于水 常溫為堅硬難熔的固體,不溶于水 與水反應 CO2與H2O反應生成H2CO3 不反應 化學性質 與酸反應 不反應 只與氫氟酸反應:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O 與NaOH反應 CO2少量:CO2+2NaOH=== Na2CO3+H2O CO2過量: CO2+NaOH===NaHCO3 SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O 與CaO反應 CO2+CaO==

11、=CaCO3 SiO2+CaOCaSiO3 3.硅酸的性質與制備 二氧化硅對應的水化物是硅酸。 (1)性質: ①硅酸為白色固體,難溶于水。 ②酸性極弱,比碳酸還弱,不能使指示劑變色,只能與強堿反應,例如H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O。 ③硅酸不穩(wěn)定,受熱易分解,化學方程式為H2SiO3SiO2+H2O。 (2)制備: 由于二氧化硅不能與水化合,所以制備硅酸時只能使用間接的方法,如向Na2SiO3溶液中滴加鹽酸或通入CO2氣體等,利用的原理都是:強酸+弱酸鹽弱酸+強酸鹽。如:CO2+Na2SiO3+H2O===H2SiO3(膠體)+Na2CO3。 硅酸

12、鹽的氧化物形式的改寫 硅酸鹽由于組成比較復雜,通常用二氧化硅和金屬氧 化物的形式表示其組成,改寫時的規(guī)律為: 書寫形式 化學計量數 例如:鈉長石NaAlSi3O8不能寫成1/2Na2O·1/2Al2O3·3SiO2,應寫成Na2O·Al2O3·6SiO2。 4.硅單質性質的特殊性 物質 一般規(guī)律 硅單質的特性 Si 硅還原性強于碳 碳和二氧化硅在高溫下反應:2C+SiO2Si+2CO↑ 非金屬單質與強堿溶液一般不產生H2 硅與氫氧化鈉溶液反應產生H2: Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑ 非金屬一般不與非氧化性酸反應 硅和氫氟酸反應:Si+

13、4HF===SiF4↑+2H2↑ 一般非金屬單質為絕緣體 硅為半導體,常用于電子部件 5.硅的制取 (1)粗硅的制取。2C+SiO22CO↑+Si(粗硅) (2)純硅的制取。Si(粗硅)+2Cl2SiCl4 SiCl4+2H2Si(純硅)+4HCl 【典題探究】 典例1 關于二氧化硅的敘述不正確的是(　　) ①水晶的主要成分是SiO2②能跟強堿反應,但不能與水反應?、酃枧c碳最外層都有4個電子,故SiO2的物理性質與CO2類似④既屬于酸性氧化物,又屬于堿性氧化物 A.②③ B.③④ C.②④ D.①④ 【答案】:B 【解析】:SiO2區(qū)別于CO2的

14、結構和性質,SiO2區(qū)別于Al2O3的兩性。 典例2 下列說法正確的是(　　) A.硅酸不溶于水,因此不與NaOH溶液反應 B.根據SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑的反應,可推知硅酸酸性比碳酸酸性強 C.CO2氣體通入硅酸鈉溶液中可以制得硅酸 D.SiO2溶于水顯酸性 【答案】:C 酸、碳酸酸性的強弱;C項符合“強酸制弱酸”的一般規(guī)律;SiO2不溶于水,也不能與水反應,D錯誤。 典例3 在無機非金屬材料中,硅一直扮演著主要的角色。制備純硅的主要步驟如下: ①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅; ②粗硅與干燥的HCl氣體反應制得SiHCl3: Si+3HClSi

15、HCl3+H2; ③SiHCl3與過量H2在1 000~1 100 ℃反應制得純硅。 請回答下列問題: (1)第①步制備粗硅反應的化學方程式為 　。? (2)粗硅與HCl反應完全后,經冷凝得到的SiHCl3(沸點33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸點57.6 ℃)和HCl(沸點-84.7 ℃),提純SiHCl3采用的方法為 　。? (3)從基本反應類型角度分類,步驟③中發(fā)生的反應屬于 。 (4)為鑒定產品硅中是否含微量鐵單質,將試樣用稀鹽酸溶解

16、,取上層清液后需再加入的試劑是 (填寫字母代號) 。? A.氯水 B.NaOH溶液 C.KSCN溶液 D.Na2SO3溶液 【答案】:(1)SiO2+2CSi(粗)+2CO↑　 (2)蒸餾(或分餾)　 (3)置換反應　 (4)AC 典例4 用地殼中某主要元素生產的多種產品在現代高科技中占有重要位置,足見化學對現代物質文明的重要作用。例如: (1)計算機芯片的主要成分是 　;? (2)光導纖維的主要成分是 　;? (3)目前應用最多的太陽能電池的光電轉化材料是 　;? (4)常用作吸附劑、干

17、燥劑或催化劑載體的物質是　 。? 【答案】:(1)硅(或Si或單晶硅) (2)二氧化硅(或SiO2) (3)硅(或Si) (4)硅膠 典例5 昆侖玉的成分可簡單看成是Ca2Mg5Si8O22(OH)2,則其用二氧化硅和金屬氧化物的形式可表示為(　　) A.CaO·MgO·SiO2·H2O B.2CaO·5MgO·8SiO2·H2O C.2CaO·MgO·SiO2·2H2O D.5CaO·2MgO·8SiO2·H2O 【答案】:B 【解析】:根據昆侖玉的化學式,將Ca、Mg、Si、H分別寫成氧化物的形式,再

18、調整各氧化物前的計量數并使其原子組成與昆侖玉的化學式一致,可得昆侖玉用氧化物的形式表示為2CaO·5MgO·8SiO2·H2O。 典例6(雙選) 下列關于二氧化硅的說法中,錯誤的是(　　) A.二氧化硅也叫做硅酸酐 B.二氧化硅分子由一個硅原子和兩個氧原子構成 C.不能用二氧化硅與水直接作用制取硅酸 D.二氧化硅既能與氫氟酸反應,又能與燒堿反應,所以它是兩性氧化物 【答案】:BD 【解析】:A.酸酐與對應的酸中元素化合價相同,SiO2和H2SiO3的化合價相同,所以SiO2盡管難溶于水,但它仍是硅酸的酸酐，正確B SiO2晶體是由Si和O按1∶2的比例所組成的立體網狀結構,并

19、不存在SiO2分子,錯誤C二氧化硅難溶于水,且不與水反應,無法直接與水反應制取硅酸, 正確SiO2與氫氟酸反應的化學方程式為SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O,SiO2與氫氟酸反應只是一種特殊情況,所以不能說SiO2是兩性氧化物，錯誤。 典例7 在一定條件下,既能與CO2反應,又能與SiO2反應的物質是(　　) ①NaHCO3溶液　②濃硫酸?、跱aOH溶液?、芴? A.①② B.①③ C.②④ D.③④ 【答案】:D 典例8 能證明碳酸比硅酸酸性強的實驗是（ ） A.CO2溶于水生成碳酸而SiO2卻不溶于水 B.高溫時發(fā)生反應:Na2CO3+SiO2Na

20、2SiO3+CO2↑ C.碳酸比硅酸受熱易分解 D.將CO2通入Na2SiO3的水溶液中有白色膠狀沉淀生成 【答案】:D 【解析】:利用強酸制取弱酸的反應原理,CO2溶于水形成碳酸,碳酸與Na2SiO3溶液反應得到硅酸膠體,從而證明碳酸的酸性強于硅酸。 典例9 長石(KAlSi3O8)風化生成高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]的離子方程式為: 2KAlSi3O8+2H2CO3+5H2O===2K++2HCO3-+4H2SiO3+Al2Si2O5(OH)4 (1)將上述復雜硅酸鹽改寫成氧化物形式。 ①KAlSi3O8 　;? ②Al2Si2O5(OH)4　 ;? (2)上述反應能夠發(fā)生的原因是 　。? 【答案】: (1)①K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O (2)較強的酸能制較弱的酸 (2)分析反應前后物質的種類,可知屬于酸與鹽發(fā)生的復分解反應,是由于酸性:H2CO3>H2SiO3,發(fā)生了較強的酸制取較弱的酸的反應。 易錯警示 長石:KAlSi3O8不能寫成K2O·Al2O3·3SiO2,應寫成K2O·Al2O3·6SiO2,即原子個數比不變。