高中化學(xué)4.1《無機(jī)非金屬材料的主角-硅》學(xué)案3新人教版必修.doc

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第四章 非金屬及其化合物 第一節(jié) 無機(jī)非金屬材料的主角—硅 教學(xué)重點(diǎn)：SiO2的性質(zhì) 教學(xué)難點(diǎn)：SiO2的結(jié)構(gòu)、硅酸鹽的組成 知識梳理 在地殼里，硅的含量在所有元素中居第次于氧全部以＿＿＿＿＿ 態(tài)存在。硅元素位于元素周期表中的第＿＿＿周期，族：＿＿其原子結(jié)構(gòu)示意圖：＿＿＿＿＿。 一、二氧化硅及硅酸 1、二氧化硅 (1)物理性質(zhì):二氧化硅廣泛存在于自然界中，沙子、石英的主要成分就是二氧化硅，SiO2不溶于水，熔點(diǎn)＿＿＿、硬度＿＿＿。水晶、石英是二氧化硅晶體。 (2)結(jié)構(gòu):二氧化硅晶體是由硅原子和氧原子構(gòu)成的，晶體中硅原子和氧原于的個數(shù)比為＿＿＿，Si02晶體的平面結(jié)構(gòu)圖： (3)二氧化硅出化學(xué)性質(zhì) ①酸性氧化物的性質(zhì):Si02是酸性氧化物，是 ＿＿＿ 的酸酑，＿＿＿于水。常溫下Si02與NaOH溶液反應(yīng)得到硅酸鈉(Na2SiO3)，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 高溫下Si02能和堿性氧化物(如CaO)反應(yīng)生成硅酸鹽，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ②常溫下，SiO2能與氫氟酸(HF)反應(yīng)，此反應(yīng)常用于刻蝕玻璃，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ③二氧化硅的弱氧化性:Si02高溫下與C作用可制取粗硅，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 (4)二氧化硅的用途 :①Si02是制造光導(dǎo)纖維的主要原料。②Si02常被用來制造石英表中的壓電材料(3)Si02用于制造各種玻璃制品。 思考:(1)實(shí)驗(yàn)室為什么不用帶玻璃塞的試劑瓶盛放NaOH溶液?應(yīng)用什么樣的塞子?(2)Si02不溶于水，如何由Si02制取H2SiO3? 2、硅酸 (1)硅酸(H2Si03)硅酸不溶于水，其酸性比碳酸的酸性＿＿＿。 (2)硅酸鈉(Na2Si03): Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃，常用作黏合劑。往Na2SiO3溶液中通人CO2，能制得硅酸，反應(yīng)的化學(xué)方程式：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 二、硅酸鹽 1、硅酸鹽制品性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)較高，大都難溶于水， (1)硅酸鹽的組成比較復(fù)雜，常用氧化物的形式表示。表示順序?yàn)椋夯顫娊饘傺趸?、較活潑金屬氧化物、二氧化硅、水。例如：硅酸鈉(Na2Si03)改寫為氧化物形式為：＿＿＿＿＿＿＿＿；鈉長石： (NaAlSi308)改寫為氧化物形式為＿＿＿＿＿＿＿＿。 (2)玻璃①生產(chǎn)原料：＿＿＿＿＿＿＿＿。②生產(chǎn)設(shè)備：＿＿＿＿＿＿＿＿。 ③生產(chǎn)過程：把原料粉碎并按適當(dāng)比例混合后，放人玻璃熔爐中加熱、熔化，冷卻后得到普通玻璃。主要的化學(xué)反應(yīng)有：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ④主要成分：普通玻璃是Na2Si03、CaSi03和SiO2在一起的混合物。 ⑤重要性質(zhì)：玻璃在常溫下呈固態(tài)，沒有固定的熔點(diǎn)，受熱在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。 ⑥玻璃的種類：鉛玻璃(用于制光學(xué)儀器)；有色玻璃[藍(lán)色鈷玻璃(Co202)、紅色玻璃(Cu2O)；鋼化玻璃(用于汽車車窗)： (3)水泥：水泥是重要的建筑材料，其主要成分是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，水泥具有＿＿＿＿性。 (4)陶瓷：陶瓷材料是人類應(yīng)用最早的硅酸鹽材料，①高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，如氮化硅(Si3N4)陶瓷，碳化硅(SiC)陶瓷等。②生物陶瓷：如氧化鋁陶瓷(A1203)，氧化鋯陶瓷(Zr02) 等； ③壓電陶瓷：以鈦酸鋇(BaTi03)和鈦酸鉛(PbTi03)為主要成分。 三、硅單質(zhì) 1、硅的物理性質(zhì) 單質(zhì)硅有晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅是＿＿＿色、有＿＿＿光澤、脆而硬的固體，是良好的＿＿＿材料。 2．硅的化學(xué)性質(zhì) (1)常溫下硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但能和氟(HF)、強(qiáng)堿(NaOH)發(fā)生反應(yīng)。 ①硅和氟氣反應(yīng)生成四氟化硅氣體，化學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ②硅和氫氟酸反應(yīng)生成四氟化硅，放出學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ③硅與NaOH溶液作用生成硅酸鈉，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 (2)在加熱條件下，硅能和某些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 ①硅與氧氣在加熱時反應(yīng)生成二氧化硅程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ②硅和C12在加熱條件下反應(yīng)生成四氯的化學(xué)方程式為：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。3．硅的制取：自然界中沒有游離態(tài)的硅，常見的化合態(tài)的硅有＿＿和＿＿等。工業(yè)上， 用焦炭在電爐中還原二氧化硅得到含有少量雜質(zhì)的粗硅。反應(yīng)的化學(xué)方程式：＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。在該反應(yīng)中，氧化荊是＿＿＿＿，還原劑＿＿＿＿。 4．硅主要的用途：硅可以用來制造＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿等。 四、小結(jié)：比較SiO2、CO2在物理化學(xué)性質(zhì)上異同。 二氧化碳 二氧化硅 狀態(tài) 溶解性 與NaOH反應(yīng) 與酸反應(yīng)(HF) CO2通入水玻璃 SiO2與Na2CO3 高溫下反應(yīng) 疑難點(diǎn)撥 一、 硅及其化合物的有哪些特性？ 1.Si的還原性大于C，但C卻能在高溫下還原出Si：SiO2+2C=Si+2CO↑ 2.非金屬與堿反應(yīng)一般無氫氣放出，但Si可以：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑ 3.非金屬單質(zhì)一般不與無氧酸反應(yīng) ，但Si可以與HF作用：Si+4HF=SiF4+2H2↑ 4.非金屬單質(zhì)一般為非導(dǎo)體，但Si可以作為半導(dǎo)體。 5.SiO2是硅酸的酸酐，但不溶于水，不能直接與水作用生成硅酸。 6.非金屬的氧化物的熔點(diǎn)一般較低，但二氧化硅的熔點(diǎn)很高，原因是它為原子晶體。 7.酸性氧化物一般不與酸反應(yīng)，但SiO2可以與HF酸作用： SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O 8.硅酸不溶于水。 二、為什么玻璃沒有固定的熔點(diǎn)？ 有規(guī)則空間排列的晶體是有固定熔點(diǎn)的。玻璃是一種玻璃態(tài)物質(zhì)，玻璃態(tài)是介于結(jié)晶態(tài)與無定形之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：它的粒子不象晶體那樣有嚴(yán)格的空間排列，但又不象無定形那樣無規(guī)則排列。人們把玻璃態(tài)的這種結(jié)構(gòu)特征稱為“短程有序而遠(yuǎn)程無序”。即從小范圍來看，它有一定的晶體排列，但從整體上看，卻像無定形物質(zhì)那樣無晶形的排列規(guī)律。所以，玻璃態(tài)物質(zhì)沒有固定的熔點(diǎn)，而是在一定的溫度范圍內(nèi)逐漸軟化而變化為液態(tài)。 三、玻璃瓶塞會跟NaOH等堿性溶液反應(yīng)，為什么NaOH溶液還能用玻璃瓶盛裝？ 由于玻璃不是簡單的Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2機(jī)械混合物,它們相互結(jié)合為多聚硅酸的長鏈,金屬陽離子處于無規(guī)則的多聚硅酸的長鏈包圍之中。所以玻璃中的Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2不是獨(dú)立存在的，即玻璃中SiO2與一般所說的是有區(qū)別的。瓶口內(nèi)側(cè)與瓶塞都是經(jīng)過磨砂處理的，表面粗糙，造成堿性的液體容易滯留，并且水分蒸發(fā)，堿液濃度增大，促使二者更易反應(yīng)。其他部位因表面光滑而難于反應(yīng)。由于從組成和結(jié)構(gòu)上看多聚硅酸的長鏈與SiO2相似，所以通常把玻璃跟NaOH等堿性溶液反應(yīng)簡單地看成SiO2與堿溶液的反應(yīng)。 四、二氧化硅與碳酸鈉和碳酸鈣反應(yīng)的原因？ 玻璃工業(yè)生產(chǎn)的主要原理是在強(qiáng)熱的條件下發(fā)生： Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2 ↑，CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 ↑ 上述反應(yīng)都是在高溫條件下進(jìn)行的，有利于二氧化碳從體系中揮發(fā)出來，而二氧化硅不行，所以反應(yīng)可以進(jìn)行。符合難揮發(fā)性的酸酐制取易揮發(fā)性的酸酐的道理。所以上述反應(yīng)不與“Na2SiO3 + CO2+H2O= Na2CO3+ H2SiO3↓”矛盾，因?yàn)楹笳呤窃谌芤褐羞M(jìn)行的，符合復(fù)分解反應(yīng)的原理。 五、怎樣用氧化物來表示硅酸鹽？ 氧化物的順序：活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→二氧化硅→水，氧化物前系數(shù)的確定：除氧元素外，其他的元素按配置前后原子個數(shù)守恒原則配置系數(shù)。注意事項(xiàng)：氧化物之間用“”隔開；系數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)應(yīng)化為整數(shù)。如：正長石KAlSi3O8要寫成K2OAl2O36SiO2形式。 六、碳族元素化合價有哪些特點(diǎn)？ 碳族元素主要化合價為+2和+4，非金屬元素還有-4價。其中Pb+2價穩(wěn)定；其余的+4價穩(wěn)定。 典例剖析 【例1】向下列物質(zhì)的濃溶液中緩慢地通入過量CO2氣體，整個過程中無明顯現(xiàn)象的是 A．水玻璃 B．苯酚鈉 C．漂白粉 D．飽和碳酸鈉 E．氯化鈣 解析： CO2溶于水生成碳酸，碳酸的酸性比鹽酸弱，而比硅酸、次氯酸、苯酚強(qiáng)。根據(jù)酸與鹽反應(yīng)的規(guī)律（弱酸不能制強(qiáng)酸），過量CO2通入硅酸鈉溶液中有白色沉淀H2SiO3生成，CO2通入苯酚鈉溶液中會生成苯酚濁液；CO2通入次氯酸鈣溶液過程中會生成碳酸鈣白色沉淀，CO2過量最終沉淀會消失；過量CO2通入飽和碳酸鈉溶液會生成碳酸氫鈉，碳酸氫鈉溶解度比碳酸鈉溶解度小而結(jié)晶析出；CO2通入氯化鈣溶液無明顯現(xiàn)象。 答案：E。 規(guī)律總結(jié)： 此題易出錯的地方有三個：①CO2通入氯化鈣溶液無明顯現(xiàn)象；②題干中CO2是過量的；③碳酸氫鈉因溶解度小而結(jié)晶析出。 【例2】將足量CO2通人KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的 物質(zhì)的量（n）和通入CO2體積（y）的關(guān)系正確的是 A 　　 B C 　 D 解析：CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合溶液中，首先發(fā)生反應(yīng)CO2+2OH－+Ca2＋=CaCO3↓+H2O，此段時間內(nèi)隨著CO2的不斷通入，沉淀量逐漸增加；等Ca(OH)2反應(yīng)完，溶液中還剩余OH－，再通CO2，即發(fā)生反應(yīng)：CO2+2KOH=K2CO3+H2O，此段時間內(nèi)，隨著CO2的不斷通入，沉淀量保持不變; 等KOH反應(yīng)完，繼續(xù)通CO2，即發(fā)生反應(yīng)：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2，沉淀量逐漸減少，一直到沉淀完全溶解。D圖象符合題意。實(shí)際上這里還有一個定量關(guān)系：完全生成碳酸鈣沉淀所需的CO2的體積和使碳酸鈣沉淀完全溶解所需的CO2的體積相等。答案：D。 規(guī)律總結(jié)：遇到通入氣體沉淀又溶解的這類題，首先聯(lián)想到碳酸鹽，亞硫酸鹽轉(zhuǎn)化為酸式鹽，當(dāng)全部轉(zhuǎn)化為正鹽時，如有OH－，則應(yīng)把OH－中和完畢，酸式鹽再轉(zhuǎn)化為正鹽。 【例3】Fe3O4若看作“混合氧化物”時可寫成FeOFe2O3，若看作一種鹽時又可寫成Fe(FeO2)2．根據(jù)化合價規(guī)則和這種書寫方法，Pb3O4可以分別寫成________和________。 解析: Fe元素有＋2、＋3價，F(xiàn)e3O4中有1/3Fe元素為＋2價，2/3Fe元素為＋3價．與Fe元素不同，鉛是＋2價、＋4價．按化合價規(guī)則及題中要求的寫法(即低價在前，高價在后，且高價元素形成酸根)，故Pb3O4應(yīng)改寫為下列兩種形式2PbOPbO2和Pb2PbO4。 【例4】草酸晶體與濃硫酸共熱可制得CO，其化學(xué)方程式如下：H2C2O4 CO↑+CO2↑+H2O，現(xiàn)利用該反應(yīng)制取CO氣體，要求：a．驗(yàn)證CO還原性及其氧化產(chǎn)物。b．剩余氣體CO不能排入大氣中，并回答有關(guān)問題： 　　（1）試從圖中選用幾種裝置（有些可重復(fù)使用）連接成一套實(shí)驗(yàn)裝置，所選用的裝置及連接順序?yàn)?。 　?。?）用簡潔的文字說明所選的裝置，如何達(dá)到上述兩要求：a． ；b． 。 　　（3）在裝置C中的化學(xué)反應(yīng)方程式為 。 　?。?）本實(shí)驗(yàn)有四個酒精燈A、B、C、H，正確操作時點(diǎn)燃酒精燈的順序是 ；試簡單說明理由； 。熄滅酒精燈的順序是 ；試簡單說明理由： 。 　?。?）用有效氣體還原0.40g將生成的氣體通入過量澄清石灰水中，生成0.75g白色沉淀，則 中 值是 ， 值是 。 　　　解析：在制取氣體時，根據(jù)方程式：H2C2O4 CO↑+CO2↑+H2O,可知這是一個固體與液體物質(zhì)在加熱條件下制取氣體的反應(yīng)，應(yīng)選裝置A。 　　因?yàn)椴菟嵩诩訜嶂蟹纸馍蒀O時，同時有CO2 和H2O生成，若不除去則影響CO還原性和進(jìn)行氧化產(chǎn)物CO2 的鑒定。可選用裝有苛性鈉的U型管以吸收混合氣體中的CO2 ，同時還要配以裝有澄清石灰水的裝置E。當(dāng)氣體通過G裝置后進(jìn)行裝置E無渾濁出現(xiàn)，說明混合氣體中CO2 已除盡，然后通過裝有濃H2SO4 的洗氣瓶進(jìn)行干燥，才能進(jìn)入裝置C與 反應(yīng)，證明CO的還原性。 　　在C中反應(yīng)生成Fe和CO2 ，證明生成了CO2 ，只能再次選用裝置E，其中溶液在氣體通過后出現(xiàn)渾濁，證明在反應(yīng)中已生成了CO2 ，這就說明了CO的還原性，CO在反應(yīng)中被氧化為CO2 ，剩余CO不能向空氣中排放，無其他試劑可以將其吸收，所以將尾氣在H處點(diǎn)燃，使未反應(yīng)的CO轉(zhuǎn)化為CO2 。 　　實(shí)驗(yàn)中有三處裝置使用酒精燈，即A、C、H。正確操作點(diǎn)燃酒精燈的順序應(yīng)為A→H→C。使分解產(chǎn)生的氣體將系統(tǒng)內(nèi)的空氣排凈，防止加熱時發(fā)生爆炸，而熄滅酒精燈的順序應(yīng)為C→A→H。這是因?yàn)橐挂驯贿€原的鐵粉在CO的氣流中冷卻，以防止再被氧化影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 　　實(shí)驗(yàn)最后給出測定的有關(guān)數(shù)值，要求確定 中的 和 值： 　　 　　 　　 中含氧原子的物質(zhì)的量： 　　 　　 　　 ,故 　　答案：(1)A→G→E→F→C→E→H(2)a．草酸分解氣體通過裝置E時無白色沉淀生成說明其中所含CO2 已除盡，通過裝置C反應(yīng)后氣體通過第二個裝置E時出現(xiàn)白色沉淀，說明CO的氧化產(chǎn)物為CO2 。b．尾氣在裝置H處點(diǎn)燃，使剩余的CO轉(zhuǎn)化為CO2 (3) (4)A→H→C，使分解產(chǎn)生的氣體把實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的空氣排盡，防止加熱時引起爆炸 　　　　C→A→H，使熱的鐵粉在CO氣流中冷卻，防止鐵粉再次被氧化 (5)2、3