2020版高中化学 第四章 非金属及其化合物 第1节 无机非金属材料的主角——硅学案 新人教版

2020版高中化学 第四章 非金属及其化合物 第1节 无机非金属材料的主角——硅学案 新人教版

第一节　无机非金属材料的主角——硅 ‎1．了解SiO2的结构、性质和用途。(重点)‎ ‎2．了解硅酸的制备和化学性质。‎ ‎3．了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。‎ ‎4．了解硅的性质和用途。(重点)‎ ‎5．了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。‎ ‎ 二氧化硅和硅酸 ‎[基础·初探]‎ 教材整理1　二氧化硅 ‎1．硅元素的存在 ‎2．二氧化硅(SiO2)‎ ‎(1)存在 SiO2的存在形式有结晶形和无定形两大类，水晶、玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。‎ ‎(2)结构 SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为1∶2的比例组成的立体网状结构的晶体。每个硅原子周围结合4个O原子，每个O周围结合2个Si原子。‎ ‎(3)物理性质 熔点高；硬度大；溶解性：不溶于水。‎ ‎(4)化学性质(写出有关化学方程式)‎ ‎(5)用途 ‎①沙子是基本的建筑材料。‎ ‎②纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。‎ 9‎ ‎③石英和玛瑙制作饰物和工艺品。‎ ‎④实验室中使用石英坩埚。‎ 教材整理2　硅酸(H2SiO3)‎ ‎1．物理性质 硅酸是一种难溶于水的白色胶状物。‎ ‎2．化学性质 ‎(1)弱酸性 向Na2SiO3溶液中通入CO2，生成白色沉淀，反应的化学方程式为Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。‎ 结论：H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。‎ ‎(2)不稳定性 H2SiO3不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3H2O＋SiO2。‎ ‎3．制备 Na2SiO3溶液中加入盐酸，反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。‎ ‎4．存在及用途 ‎(1)浓度小且边加边振荡时，形成硅酸溶胶(胶体)；浓度大时，形成硅酸凝胶。‎ ‎(2)硅胶 硅酸凝胶经干燥脱水得到的硅酸干凝胶，称为“硅胶”，具有很强的吸水性，常用作干燥剂或催化剂的载体。‎ ‎[探究·升华]‎ ‎[思考探究]‎ 探究1　SiO2的主要性质及应用 ‎(1)为什么实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶要用橡胶塞而不能用玻璃塞？(玻璃的成分中含有SiO2)‎ ‎【提示】　当玻璃瓶配玻璃塞时，瓶口内壁和瓶塞外壁都进行了磨砂处理。玻璃中含SiO2，磨砂玻璃遇到强碱如NaOH溶液时，SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3，使试剂瓶受腐蚀。Na2SiO3溶液有良好的黏结性，它易使瓶口与瓶塞黏在一起而难以开启。故使用橡胶塞而不能使用玻璃塞。‎ ‎(2)实验室能否用玻璃瓶保存氢氟酸？为什么？写出反应方程式。‎ ‎【提示】　不能。因为氢氟酸腐蚀玻璃，和玻璃中的成分SiO2反应。‎ SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。‎ ‎(3)写出SiO2、CO2与CaO反应的化学方程式。‎ ‎【提示】　SiO2＋CaOCaSiO3、‎ 9‎ CO2＋CaO===CaCO3。‎ 探究2　硅酸的制备实验探究 实验 操作 实验 现象 滴加酚酞溶液后溶液呈红色，滴加稀盐酸后溶液变为无色，有透明胶状物生成 结论 Na2SiO3溶液呈碱性；滴加稀盐酸后反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)‎ 向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，现象是__________，其离子方程式为____________，然后改加NaOH溶液，反应的离子方程式为____________。‎ ‎【提示】　生成白色沉淀　SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO　‎ H2SiO3＋2OH－===SiO＋2H2O ‎[认知升华]‎ 升华1　SiO2和CO2的比较 SiO2‎ CO2‎ 不 同 点 熔、沸点 高 低 状态 无色晶体 气态 与水反应 不反应 CO2＋H2OH2CO3‎ 与酸反应 只与氢氟酸反应 不反应 相 同 点 与碱性氧 化物反应 CaO＋SiO2CaSiO3‎ CO2＋CaO===CaCO3‎ 与碱反应 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O 与某些 盐反应 SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑‎ CO2＋H2O＋Na2CO3===2NaHCO3 CO2＋H2O＋Na2SiO3=== H2SiO3↓＋Na2CO3‎ 与碳反应 SiO2＋‎2CSi＋2CO↑‎ CO2＋C2CO 升华2　硅酸的主要性质及应用 ‎(1)硅酸是中学化学中惟一一个不溶于水的酸，硅酸酸性很弱、不能使酸碱指示剂变色。‎ 9‎ ‎(2)实验室制取硅酸的方法是可溶性硅酸盐与酸反应。‎ ‎(3)硅酸的性质：①具有酸性，酸性比碳酸弱；②受热易分解。‎ ‎(4)硅酸浓度小时可形成硅酸溶胶，浓度大时可形成硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水得到硅胶(或硅酸干凝胶)，具有较强的吸水性，常用作干燥剂及催化剂载体。‎ ‎[题组·冲关]‎ 题组1　SiO2的性质与应用 ‎1．关于二氧化硅，下列叙述不正确的是(　　)‎ A．水晶的主要成分是二氧化硅 B．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别 C．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸 D．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应 ‎【解析】　水晶的主要成分为SiO2，A项正确；CO2是由分子构成的，而SiO2是Si和O按1∶2组成的空间立体网状结构的晶体，二者物理性质差别较大，B项正确；SiO2不溶于水也不与水反应，C项正确；SiO2可以与氢氟酸反应，D项错误。‎ ‎【答案】　D ‎2．下列说法不正确的是(　　) ‎ A．因SiO2不溶于水，故SiO2不是酸性氧化物 B．在反应SiO2＋‎2CSi＋2CO↑中SiO2作氧化剂 C．SiO2是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大 D．氢氟酸能够刻蚀玻璃，故不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸 ‎【解析】　A项，SiO2不溶于水，但它能与碱反应生成硅酸盐和水，是酸性氧化物，错误；B项，在该反应中SiO2被C还原为Si，SiO2作氧化剂，正确；C项，由于SiO2是一种空间立体网状结构的物质，故熔点高，硬度大，正确；D项，SiO2能与氢氟酸反应，故常用氢氟酸刻蚀玻璃，不能用玻璃瓶盛装氢氟酸，正确。‎ ‎【答案】　A 题组2　H2SiO3的性质、制备与应用 ‎3．下列关于硅酸的说法正确的是(　　)‎ A．硅酸可以通过SiO2和水的化合反应直接制得 B．用反应Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓制取硅酸是利用了可溶性酸制难溶性酸的性质 C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应 D．硅胶可用作袋装食品的干燥剂 ‎【解析】　SiO2不能与水反应生成硅酸，A错误；B中反应是利用了强酸制弱酸的性质，B错误；硅酸虽难溶于水，但可与强碱溶液反应生成硅酸盐，C错误。‎ 9‎ ‎【答案】　D ‎4．碳酸的酸性比硅酸强，某化学课外小组搜集了大量的证据证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性。其中能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是(　　)‎ A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水 B．CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀 C．高温下SiO2与碳酸钙、碳酸钠等固体反应生成CO2‎ D．氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出气体，通入可溶性硅酸盐溶液中生成沉淀 ‎【解析】　根据强酸制弱酸的原理，CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀，此项实验事实可证明碳酸的酸性比硅酸强。‎ ‎【答案】　B ‎5．为了进一步确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，有人设计用下图所示装置进行一次实验即可达到目的(不必再选用其他酸性溶液)。‎ 请回答：‎ ‎(1)A中的化学反应方程式可能为__________________________________。‎ ‎(2)B装置的作用是_____________________________________________。‎ ‎(3)C中的现象有_____________，反应离子方程式为__________________。‎ ‎(4)根据实验，三种酸的强弱顺序为_____________，其依据为__________‎ ‎______________________________________________________________。‎ ‎【答案】　(1)CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O ‎(2)除去CO2中的HCl，防止HCl与Na2SiO3反应 ‎(3)产生白色胶状沉淀　CO2＋H2O＋SiO===H2SiO3(胶体)＋CO ‎(4)HCl>H2CO3>H2SiO3　强酸制弱酸 硅酸盐和硅单质 ‎[基础·初探]‎ 教材整理1　硅酸盐 ‎1．硅酸盐的组成与表示 ‎(1)定义：由硅、氧和金属组成的化合物的总称。‎ ‎(2)性质：结构复杂，大多不溶于水，化学性质稳定。‎ ‎(3)表示：通常以二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。例如，‎ ‎①Na2SiO3：Na2O·SiO2。‎ 9‎ ‎②长石(KAlSi3O8)：K2O·Al2O3·6SiO2。‎ ‎③镁橄榄石(Mg2SiO4)：2MgO·SiO2。‎ ‎【特别提醒】　以氧化物形式表示硅酸盐组成的方法 (1)方法：找出组成元素；写出氧化物的形式；注意原子守恒；检查有无遗漏。‎ (2)氧化物的顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。‎ (3)氧化物前化学计量数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置化学计量数，如果出现分数，扩大倍数化为整数。‎ (4)氧化物之间用“·”隔开。‎ ‎2．最简单的硅酸盐——Na2SiO3‎ ‎3．三种常见的硅酸盐产品——无机非金属材料 产品 原料 主要设备 主要成分 水泥 石灰石、黏土 水泥 回转窑 硅酸二钙2CaO·SiO2‎ 硅酸三钙3CaO·SiO2‎ 铝酸三钙3CaO·Al2O3‎ 玻璃 纯碱、石灰 石和石英砂 玻璃窑 Na2O·CaO·6SiO2‎ 陶瓷 黏土 ‎—‎ ‎—‎ ‎4．其他含硅物质 ‎(1)SiC：俗称金刚砂，类似金刚石的结构和性能。‎ ‎(2)含4%硅的硅钢具有导磁性，用作变压器铁芯。‎ ‎(3)硅橡胶：耐高温又耐低温。‎ ‎(4)人造分子筛：作吸附剂和催化剂。‎ 教材整理2　硅单质 ‎1．种类及结构 单质硅分为晶体和无定形两种，晶体硅的结构与金刚石类似。‎ ‎2．性质 ‎(1)物理性质 色、态 光泽 熔点 硬度 质地 导电性 灰黑色固体光泽 金属 高 大 脆 半导体 9‎ ‎(2)化学性质 在常温下化学性质不活泼，但能与氟气、HF、 NaOH溶液发生反应。‎ ‎3．用途 ‎(1)半导体材料，如硅芯片等。‎ ‎(2)新型能源，如光电池等。‎ ‎【特别提醒】　硅单质性质的特殊性 (1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅和金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。‎ (2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。‎ (3)Si的还原性大于C，但单质C在高温下能从SiO2中还原出Si：SiO2＋‎2CSi＋2CO↑。‎ (4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与碱溶液反应只作还原剂，且反应能放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。‎ (5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。‎ ‎[题组·冲关]‎ 题组1　硅酸盐的组成、性质和应用 ‎1．下列关于硅酸盐的说法中正确的是(　　)‎ A．硅酸盐都难溶于水 B．Na2SiO3是一种最简单的硅酸盐，其水溶液可用作黏合剂 C．硅酸盐通常可用氧化物的形式表示，说明硅酸盐就是由各种氧化物组成的 D．硅酸盐工业使用的每一种原料都含有硅 ‎【解析】　A项，Na2SiO3可溶于水，错误；C项，硅酸盐可用氧化物的形式表示，但不是由各种氧化物组成，错误；D项，所用原料可能不含硅，错误。‎ ‎【答案】　B ‎2．用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是(　　) ‎ A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O B．镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO·SiO2‎ C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2‎ D．高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示为Al2O3·2SiO2·2H2O ‎【解析】　A项，Ca(Al2Si3O10)·3H2O应表示为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O(排序错)；B项，Mg2SiO4应表示为2MgO·SiO2(不能在系数中出现分数)；C项，K2Al6Si6H4O24应表示为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O(排序错)。‎ 9‎ ‎【答案】　D ‎3．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中正确的是(　　) ‎ A．它是一种纯净物，既不燃烧也不易腐蚀 B．水玻璃是生产玻璃的主要原料之一 C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧 D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质 ‎【解析】　水玻璃是硅酸钠的水溶液，A错误；水玻璃易与空气中的二氧化碳反应，D错误。‎ ‎【答案】　C 题组2　硅单质及其化合物的性质及综合应用 ‎4．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是(　　)‎ A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应 C．反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂 D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅 ‎【解析】　C项只有H2O是氧化剂；D项盐酸与Si不反应，氢氟酸才可。‎ ‎【答案】　A ‎5．下图中的每一方格表示相关的一种反应物或生成物。其中，B是一种单质，其余物质也都是含B元素的化合物。C是一种钠盐，E是C对应的酸，B的结构类似金刚石，D为B的氧化物(其他不含B元素的反应产物以及各步反应添加的必要试剂和反应条件已被略去)。请填写空白： ‎ ‎(1)A、D、E的化学式分别为________、________、________。‎ ‎(2)A和B的相互转化在工业上有什么实际意义？‎ ‎__________________________________________________________。‎ ‎(3)写出D→C反应的化学方程式：___________________________________‎ ‎______________________________________________________________。‎ ‎(4)写出E→D反应的化学方程式：_______________________________‎ ‎___________________________________________________________。‎ ‎【解析】　本题的突破口是：“B是一种单质”，“B的结构类似金刚石”。据此，容易推断出B是晶体硅。硅与氯气在加热条件下生成SiCl4，因此，A为SiCl4，SiCl4可以被氢气还原得纯净的硅。根据D为B的氧化物且能转化成B(Si)，可知D为SiO2‎ 9‎ ‎，由此可知其他答案。‎ ‎【答案】　(1)SiCl4　SiO2　H2SiO3‎ ‎(2)粗硅提纯 ‎(3)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O ‎(4)H2SiO3SiO2＋H2O ‎【题后归纳】　Si的制备与提纯 SiO‎2‎粗SiSiCl4Si 9‎