高中化学4.1《无机非金属材料的主角——硅》学案5新人教版必修1.pdf
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1、用心 爱心 专心1 第四章非金属及其化合物 第一节无机非金属材料的主角硅 【本节学习要点】 1了解硅在自然界中的存在,主要物理性质、用途 2了解二氧化硅的存在,知道石英、水晶、硅石、玛瑙与SiO2的关系,了解SiO2的网状结构,掌握 SiO2的化学性质。 3了解硅酸的性质和制备 4了解常见硅酸盐的性质和主要用途 【重难点讲解】 重难点一、二氧化硅和硅酸 SiO2与 CO2的比较 物质SiO2CO 2 晶体微粒 Si原子和 O原子 ( 不存在 SiO2分子 ) CO2分子 物理性质 熔点高( 1723)低( 57) 沸点高(2230)低( 79) 硬度大小 溶解性不溶于水常温微溶于水 与水反应不
2、反应CO2H2O = H2CO3( 可逆 ) 化 学 性 质 与 HF 酸反应 4HF SiO2SiF4 2H2O 不反应 与 NaOH溶液 SiO2 2NaOHNa2SiO3 H2O CO2NaOHNaHCO3 或 CO22NaOHNa2CO3H2O 与盐反应 SiO2Na2CO3高 温 Na2SiO3CO 2 SiO2CaCO 3高温 CaSiO3CO2( 制玻 CO 2 Na2SiO3 H2OH2SiO3 用心 爱心 专心2 璃) Na2CO3 CO2 Na2CO3 H2O2NaHCO 3 与碱性氧化物反 应 CaO SiO2高温CaSiO3 CaO CO 2CaCO3 Na2O CO2
3、Na2CO3 与 C 反应 SiO22C高温 =Si2CO CCO2 =2CO 相同点都是酸性氧化物、都能与强碱、碱性氧化物反应。都有弱氧化性 特别提醒 (1)SiO2中硅元素为 4 价,是 Si 元素的最高价态,具有较弱的氧化性能与C在高温下反应。 (2)SiO 2是酸性氧化物与水不反应,只能用相应的可溶性硅酸盐与酸反应制得。 (3) 实验室中,盛放Na2SiO3溶液、 NaOH 溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,要用橡胶塞。原因是玻璃中含有 SiO2,与 NaOH溶液反应生成Na2SiO3,Na2SiO3溶液有很强的黏合性,能将玻璃塞和玻璃瓶黏合在一起,久 之不能打开。 (4)Na2SiO3溶液易
4、与空气中的CO2反应生成H2SiO3,故应密封保存。 (5) 因 HF能腐蚀玻璃,所以实验室不能用玻璃瓶保存氢氟酸,也不能用玻璃塞。氢氟酸可用于雕刻玻 璃。 重难点、酸盐和硅单质 1硅的化学性质与制备 (1) 硅的化学性质 常温下,除与F2、HF酸、强碱反应外,硅不与O 2、Cl2、H2SO4、HNO3等其他物质反应 与 F2反应: Si 2F2=SiF4 与氢氟酸反应:Si 4HF=SiF4 2H2 与 NaOH溶液反应: Si 2NaOH H2O=Na 2SiO32H2 加热时, Si 能与 O2、Cl2等反应 SiO2=高温 SiO2 Si2Cl2=高温 ,SiCl4 (2) 硅的制备
5、制取粗硅 SiO22C高温 ,Si 2CO 用心 爱心 专心3 粗硅的提纯:SiCl 2,SiCl4H2,Si HCl Si2Cl2高温 ,SiCl4,SiCl42H2高温 ,Si 4HCl 特别提醒 C与 SiO2反应,产物为CO ,而不是CO 2,粗硅先与 Cl2反应,生成挥发性的SiCl 4,挥发出来的 SiCl 4 再与 H2反应生成Si 和 HCl。 2硅及其化合物的“特性”小结 (1) 硅的“特性” 非金属单质一般为非导体( 石墨能导电 ) ,硅的晶体是良好的半导体材料。 Si 的还原性大于C,但 C能在高温下还原出Si: SiO2( 石英砂 ) 2C(焦炭 ) 高温 ,Si( 粗
6、硅 ) 2CO 。 非金属单质跟碱作用一般无H2放出,但Si 能跟强碱溶液作用放出H2:Si 2NaOH H2O,Na2SiO3 2H2。 2金属氧化物 高温 金属 H2O,单质一般不跟非氧化性酸作用,但Si 能跟 HF作用: Si 4HFSiF4 2H2。 ,(2) 硅的化合物“特性” , 酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能与 HF作用。 ,SiO2 4HFSiF4 2H2O,SiO2是 H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接与水作用制备H2SiO3。, 无机酸一 般易溶于水, 但 H2SiO3难溶于水。 , 硅酸钠水溶液称泡花碱或水玻璃,但却是盐溶液, 并不是碱。 , H2CO3
7、的酸性强于H2SiO3, 所以有 Na2SiO3CO2H2OH2SiO3 Na2CO3, 但高温下, Na2CO3SiO2高温 ,Na2SiO3CO2 也能发生。 ,3. 硅酸盐的表示方法, 方法和步骤 ,(1) 将硅酸盐中所有元素都写成氧化物, 较活泼金属氧化物 较活泼金属氧化物二氧化硅水,(2) 在各氧化物前添上未知数x、y、z等,(3) 依据原子守恒列出等式, 求出x、y、z等,(4)x、y、z的具体数值写在氧化物前面,(5)氧化物之间以“”隔开,若系数配置出现 分数应化为整数。, 例如:正长石KAlSi3O8不能写成 1 2K 2O 1 2Al 2O33SiO2,应写成 K2O Al2
8、O36SiO2。, 特别 提醒,(1) 由于硅酸盐的组成与结构很复杂,为了简化对硅酸盐组成的表示方法,采用了氧化物法。实际 上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的,而是以种种结构复杂的盐的形式存在的。,(2) 在硅酸盐氧化物的 表示式中, 氧化物前面的计量数只对该氧化物起作用,对其他氧化物不起作用。如 2MgO SiO2表示 2 个 MgO 和 1 个 SiO2,不能认为是2(MgO SiO2) 。 【典例精讲】 题型 1 硅及其化合物的应用 【例 1】下列表述正确的是( ) 人造刚玉熔点很高,可用作高级耐火材料,主要成分是二氧化硅 化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成,玛瑙的主要成分是
9、硅酸盐, 提前建成的三 峡大坝使用了大量水泥,水泥是硅酸盐材料, 夏天到了,游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃 制作的变色眼镜来保护眼睛, 太阳能电池可采用硅材料制作,其应用有利于环保、节能 A.B.C.D. 解析本题主要考查学生对身边常见的化学制品的了解情况。侧重考查学生应用化学知识解释和解决 身边化学问题的能力。人造刚玉主要成分为Al2O3,错;玛瑙的主要成分是SiO2;水泥主要成分是 用心 爱心 专心4 硅酸盐,正确;变色眼镜镜片应是在普通硼酸盐玻璃中加入光敏物质AgBr 等,并加入极少光敏化 剂如 CuO等制成,故错。 答案D 变色眼镜的玻璃片中含有少量溴化银和微量的氧化铜( 作催化
10、剂 ) , 当玻璃受到阳光照射时,发生 2AgBr 光,CuO2AgBr2反应,而使玻璃由无色变成灰黑色,把玻璃放到暗处,又因发生2AgBr2CuO,2AgBr 反应,而使玻璃由灰黑色变成无色。在制造普通玻璃时常加入少量Cu2O可使玻璃显红色。 题型 2 硅酸盐组成表示方法 【例 2】高岭土的组成可表示为Al2Si2Ox(OH)y,其中x、y的数值分别是( ) A.7、2 B.5 、4 C.6、3 D.3、6 解析本题涉及两个未知数x、y, 但由化合价规则只能列出一个方程,因而要用不定方程的知识求解。, 根据化合价规则, Al 为 3 价, Si 为 4 价, O为 2 价, 则有 2( 3)
11、 2( 4) x( 2)y( 1)0,化简得2xy14,将 A、B、C、D中的x、y值代入,只有B项符合方程。 答案B 考查硅酸盐的表达形式,一般利用化合物中化合价的代数和等于零的规则来列方程求解。解此类题时 所列方程要正确。, 题型 3 硅及其化合物的转化关系, 【例 3】X、 Y、Z、W 。, 有如下图所示的转化关系:, (1) 推断各、物质的名称:X_,Y_, Z_,W ,_ 。 (2) 写出化学方程式:W X , (3) 写出离子方程式: YZ , XY_ 。 解析由 X和 X 。, 的转化条件分析,X是硅, X 。, 是二氧化硅,且这两种物质都能与NaOH 溶液反应, 生成硅酸钠 (
12、Na2SiO3) ,SiO2又可以由硅酸加热分解制得,所以,推断正确。,答案(1) 硅硅酸钠硅酸 二氧化硅 ,(2)SiO22C高温 ,Si 2CO ,(3)SiO 2 3CO2H2OH2SiO3 CO 2 3,SiO22OH SiO 2 3 H2O, 。,B0001# 。25 善于根据特殊反应或特殊反应条件或特殊反应现象作出假设,然后以验证的形式进行判断,对于解答较隐 蔽的推断题,是一种较好的策略。 题型 4 硅酸盐 用心 爱心 专心5 【例 4】矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中的一部分生成的。此处所指的风化作用是指矿物 与水和 CO2作用的过程。例如,钾长石(KAlSi3O8) 风
13、化生成高岭土Al2Si2O5(OH)4 ,此反应的离子方程式为 2KAlSi3O8 2H2CO35H2O2K 2HCO 34H2SiO3Al2Si2O5(OH)4 (1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形 式:, KAlSi 3O8_。, Al2Si2O5(OH)4_ 。(2) 这个反应能够 发生的原因是。, 较活泼金属氧化物较活泼金属氧化物非金属氧化物二氧化硅水。, 则 KAlSi3O8为 K2O Al2O36SiO2,Al2Si2O5(OH)4为 Al2O32SiO22H2O,(2) 从方程式可知H2CO3制硅酸符合 强酸制弱酸,所以这个反应能够发生。 答案(1) K 2O Al2O36SiO
14、2, Al2O32SiO22H2O,(2) 因为碳酸酸性比硅酸强,由较强的酸可制得较弱 的酸 , 硅酸盐无论以何种形式表示,其组成及成分是固定不变的,即性质是不变的;硅酸盐用氧化物的形式 表示时,必须遵循各元素化合价不变的原则。, 【自测题】 用心 爱心 专心6 1. 下列说法不正确的是( ) A.因 SiO2不溶于水,故H2SiO3不是 SiO2对应的酸,或者SiO2不是 H2SiO3对应的酸酐 B.CO2通入硅酸钠溶液可以得到硅酸沉淀 C.SiO2是一种空间立体网状结构的晶体,熔点高、硬度大 D.氢氟酸能够雕刻玻璃,故不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸 答案A 解析SiO2中 Si 呈 4 价, H
15、2SiO3中 Si 呈 4 价,且 H2SiO3,SiO2H2O ,SiO2是 H2SiO3的酸酐, 故 A项错 误。 2. 实验室中固体试剂可以放在广口瓶中保存,液体试剂放在细口瓶中储存,但是有些试剂必须储存在具有 橡胶塞的试剂瓶中。以下物质必须储存在具有橡胶塞的试剂瓶中的是( ), KOH溶液Na2SiO3溶液 盐酸氢氟酸澄清石灰水硝酸NaOH溶液 A.B. C.D. 答案D 3. 我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世,填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列 对晶体硅的有关叙述正确的是( ) A.晶体硅和金刚石的物理性质相似 B.硅在地壳中含量居第二位,可以以游离态存在于自然
16、界中 C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但是它的提炼工艺复杂,价格昂贵 D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料,可以导电 答案A 解析本题考查硅的性质。晶体硅的结构与金刚石相似,是具有空间立体网状结构的原子晶体,所以物理 性质与金刚石相似,熔、沸点高,硬度大;硅在地壳中含量居第二位,但在自然界中没有游离态的存在, 主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在于自然界中;晶体硅是一种良好的半导体材料,被广泛使用;晶体硅 是一种非金属单质,虽然它具有金属光泽。 4. 将过量的CO2分别通入 CaCl2溶液; Na2SiO3溶液; Ca(OH)2溶液;饱和Na2CO3溶液。最终溶液中 有白色沉淀析出的是( )
17、 A.B.C.D. 答案B 用心 爱心 专心7 解析H2CO3的酸性比盐酸弱,而比硅酸强。根据酸与盐反应的规律,CO2通入 CaCl2溶液无明显现象( 弱酸 不能制强酸 ) ;过量 CO2通入 Na2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成; CO2通入 Ca(OH)2溶液至过量发生反应: Ca(OH)2 CO 2CaCO3 H2O,CaCO3H2OCO2Ca(HCO3)2,最终生成Ca(HCO3)2而无沉淀产生;过量CO2通入饱 和 Na2CO3溶液中: Na2CO3H2O CO22NaHCO3,生成的NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而结晶析出。 5. 在下图所示的物质相互转化关系中
18、,A 是一种固体单质,E是一种白色不溶于水的物质。据此填空。, (1) 写出各物质的化学式:,A. 、B. 、C. 、 E. 、,F._ 。 ,(2)D_。, 与 a 溶液 反应的离子方程式是。, C 与过量 HNO3反应的离子方程式是。 答案(1)Si SiO2Na2SiO3H2SiO3H2,(2) Si 2OH H2O=SiO 2 32H2, SiO 2 32H =H 2SiO3( 或 SiO 2 32H H 2OH4SiO4) 解析A 是单质,则B是 A的氧化物, E是一种白色沉淀。由图中所给出的关系知,E、C 中均应含有A 元 素。加过量的HNO3能生成白色沉淀,中学阶段只有H2SiO
19、3( 或 H4SiO4) 符合题意,因此,B为 SiO2,A 为 Si , C为 Na2SiO3,D为 H2O ,F为 H2。 6. 某普通玻璃中,Na2SiO3、CaSiO3、SiO2的物质的量之比为114,请回答下列问题:,(1) 该玻璃如以 aNa2O bCaO mSiO2表示其组成,则abm_。,(2) 若要制备 1 000 kg上述玻璃需原料的质量 分别是 _ ,生产过程中产生_L CO2( 标准状况 ) 。,Na2O SiO2, CaSiO3Na2O SiO2, CaSiO3CaO SiO2,则可得到:abm116。(2) 制玻璃的原料是Na2CO3、CaCO3、 SiO2,由 (
20、1) 可知玻璃的组成为Na2O CaO 6SiO2,根据原子守恒可以得到下列计算关 系,Na2O CaO 6SiO2Na2CO3,478 g 106 g,1 000 10 3 g m(Na2CO3),CaCO3。 ,B6SiO 2。,B2CO2,100 g 。,6 60 g 。,2 22.4 L,m(CaCO3) 。,m(SiO2) 。 ,V(CO2), 解得:m(Na2CO 3) 。,B 106 g1 00010 3 g 478 g , 。 , 221.810 3 g221.8 kg,m(CaCO3) 100 g1 00010 3 g 478 g 20910 3 g 209 kg, m(Si
21、O2) 360 g1 00010 3 g 478 g 753.110 3 g 753.1 kg, V(CO2) 44.8 L 1 00010 3 g 478 g 9.3710 4 L, 答案 (1)1 16,(2)Na 2CO3: 221.8 kg ;CaCO 3:209 kg ;SiO2:753.1 kg,9.3710 4 第 1 课时二氧化硅和硅酸盐 用心 爱心 专心8 【考点讲练】 知识点一SiO2的性质和用途 1下列说法正确的是( ) A二氧化硅是酸性氧化物,它可以跟碱反应,但不能与任何酸反应 B根据反应SiO2CaCO 3高温 ,CaSiO3CO2可推知硅酸的酸性比碳酸强 C二氧化碳
22、通入硅酸钠溶液中可以制得澄清的硅酸溶液 D二氧化硅常被用来制造光导纤维 答案D 解析二氧化硅是酸性氧化物,但它可以与氢氟酸发生反应。SiO24HFSiF4 2H2O ; 反应 SiO2CaCO 3 高温 ,CaSiO3CO2只有在高温下才能进行,由于CO 2是气体,生成后脱离反应体系使反应得以继续进行, 但这不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强;只要比较硅酸和碳酸的酸性强弱就是要比较它们在水溶液中电 离出 H 的难易程度,如 CO2H2ONa2SiO3Na2CO3H2SiO3,符合强酸制弱酸的规律,也可说明碳酸的酸性 比硅酸的强,但由于硅酸难溶于水,不能得到溶液;SiO2是光导纤维的主要成分,光导
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