2018年秋高中化學(xué) 初高中銜接 專題19 無機(jī)非金屬材料的主角——硅學(xué)案.doc

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專題19 無機(jī)非金屬材料的主角硅【知識(shí)回放】1碳和硅在自然界中以什么形式存在？2CO2的物理性質(zhì)：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(jié)構(gòu)示意圖。5根據(jù)Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2能說明硅酸酸性比碳酸強(qiáng)嗎？6由于SiO2既可與堿反應(yīng)，也可與氫氟酸反應(yīng)，所以SiO2為兩性氧化物，這種說法是否正確?【答案】1碳在自然界中有游離態(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(jié)晶形和無定形兩大類,水晶、瑪瑙的主要成分是結(jié)晶的二氧化硅。2.物理性質(zhì)熔點(diǎn)硬度溶解性高大不溶于水3.化學(xué)性質(zhì)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(xiàn)代光學(xué)及光纖制品的基本原料,可以制作光導(dǎo)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(zhì)(1)弱酸性。向Na2SiO3溶液中通入CO2,反應(yīng)的化學(xué)方程式為Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(膠體)+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O=H2SiO3(膠體)+2NaHCO3。結(jié)論:H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。(2)不穩(wěn)定性。H2SiO3受熱易分解,化學(xué)方程式為H2SiO3SiO2+H2O。2.硅酸的制備(1)Na2SiO3溶液與CO2的反應(yīng):Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(膠體)+Na2CO3。(2)Na2SiO3與鹽酸的反應(yīng):Na2SiO3+2HCl=H2SiO3(膠體)+2NaCl。3.硅酸的存在及用途(1)濃度小時(shí):形成硅酸溶膠。(2)濃度大時(shí):形成硅酸凝膠。 (3)硅膠。硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水得到的硅酸干凝膠,稱為“硅膠”,具有很強(qiáng)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(zhì)硅酸鹽是一大類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)物質(zhì),大多不溶于水,化學(xué)性質(zhì)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:Na2OSiO2;長石KAlSi3O8:K2OAl2O36SiO2。4.最常見的硅酸鹽Na2SiO3Na2SiO3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(chǎn)品硅酸鹽產(chǎn)品原料主要設(shè)備水泥石灰石、黏土水泥回轉(zhuǎn)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(zhì)物質(zhì)性質(zhì)用途SiC俗稱金剛砂,具有金剛石結(jié)構(gòu),硬度很大砂紙、砂輪的磨料含4%硅的硅鋼很高的導(dǎo)磁性變壓器鐵芯硅橡膠既耐高溫又耐低溫,在-60250 保持良好的彈性制造火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)的零件和絕緣材料等人工制造的分子篩(鋁硅酸鹽)有均勻微孔結(jié)構(gòu)作吸附劑和催化劑四、硅單質(zhì)1.種類：單質(zhì)硅有晶體和無定形兩類。2.結(jié)構(gòu)：晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石相似。3.性質(zhì)(1)物理性質(zhì):色、態(tài)光澤熔點(diǎn)硬度質(zhì)地導(dǎo)電性灰黑色固體金屬光澤高大脆半導(dǎo)體(2)化學(xué)性質(zhì):在常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑,但能與氫氟酸、強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)。4.用途(1)半導(dǎo)體材料,如硅芯片等。(2)新型能源,如光電池等?！究茖W(xué)探究】探究一 二氧化硅的性質(zhì)問題導(dǎo)引二氧化硅的平面結(jié)構(gòu)1.實(shí)驗(yàn)室保存NaOH溶液時(shí)為何不能使用玻璃塞?提示因NaOH會(huì)與玻璃的主要成分SiO2反應(yīng),生成的Na2SiO3溶液會(huì)使瓶塞與瓶口黏連在一起。2.SiO2既能與NaOH溶液反應(yīng),也能與氫氟酸反應(yīng),SiO2屬于兩性氧化物嗎?探究二 硅酸的性質(zhì)和制備 問題導(dǎo)引硅酸的制備實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(yīng)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(yīng)制取H2SiO3,可用Na2SiO3與酸反應(yīng)制取。2.已知SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2,這能否證明硅酸的酸性比碳酸強(qiáng)?提示不能。該反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行,產(chǎn)物中CO2為氣體,生成后脫離反應(yīng)體系,使反應(yīng)能向右進(jìn)行到底。探究三 硅酸鹽的組成和性質(zhì)問題導(dǎo)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(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)合硅酸鹽的性質(zhì),分析在實(shí)驗(yàn)室里如何保存Na2SiO3溶液?如果敞口放置一段時(shí)間,溶液會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象?探究四 硅單質(zhì)的性質(zhì)和用途問題導(dǎo)引太陽能汽車單質(zhì)硅在常溫下化學(xué)性質(zhì)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(diǎn)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(diǎn)突破】1.SiO2的特性(1)酸性氧化物一般能與水反應(yīng)生成對應(yīng)的酸,但SiO2不溶于H2O,不能直接與H2O反應(yīng)生成H2SiO3。(2)非金屬氧化物的熔點(diǎn)一般較低,但二氧化硅的熔點(diǎn)很高。(3)酸性氧化物一般不與酸反應(yīng),但SiO2可以與氫氟酸反應(yīng):SiO2+4HF=SiF4+2H2O。2.CO2與SiO2的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的異同二氧化碳(CO2)二氧化硅(SiO2)類別均為酸性氧化物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由二氧化碳分子構(gòu)成由氧原子與硅原子構(gòu)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),無SiO2分子物理性質(zhì)常溫為無色氣體,熔點(diǎn)和沸點(diǎn)低,可溶于水常溫為堅(jiān)硬難熔的固體,不溶于水與水反應(yīng)CO2與H2O反應(yīng)生成H2CO3不反應(yīng)化學(xué)性質(zhì)與酸反應(yīng)不反應(yīng)只與氫氟酸反應(yīng):SiO2+4HF=SiF4+2H2O與NaOH反應(yīng)CO2少量:CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2過量:CO2+NaOH=NaHCO3SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O與CaO反應(yīng)CO2+CaO=CaCO3SiO2+CaOCaSiO33.硅酸的性質(zhì)與制備二氧化硅對應(yīng)的水化物是硅酸。(1)性質(zhì):硅酸為白色固體,難溶于水。酸性極弱,比碳酸還弱,不能使指示劑變色,只能與強(qiáng)堿反應(yīng),例如H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O。硅酸不穩(wěn)定,受熱易分解,化學(xué)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(shí)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(qiáng)酸+弱酸鹽弱酸+強(qiáng)酸鹽。如:CO2+Na2SiO3+H2O=H2SiO3(膠體)+Na2CO3。硅酸鹽的氧化物形式的改寫硅酸鹽由于組成比較復(fù)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(shí)的規(guī)律為:書寫形式化學(xué)計(jì)量數(shù)例如:鈉長石NaAlSi3O8不能寫成1/2Na2O1/2Al2O33SiO2,應(yīng)寫成Na2OAl2O36SiO2。4.硅單質(zhì)性質(zhì)的特殊性物質(zhì)一般規(guī)律硅單質(zhì)的特性Si硅還原性強(qiáng)于碳碳和二氧化硅在高溫下反應(yīng):2C+SiO2Si+2CO非金屬單質(zhì)與強(qiáng)堿溶液一般不產(chǎn)生H2硅與氫氧化鈉溶液反應(yīng)產(chǎn)生H2:Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2非金屬一般不與非氧化性酸反應(yīng)硅和氫氟酸反應(yīng):Si+4HF=SiF4+2H2一般非金屬單質(zhì)為絕緣體硅為半導(dǎo)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(guān)于二氧化硅的敘述不正確的是()水晶的主要成分是SiO2能跟強(qiáng)堿反應(yīng),但不能與水反應(yīng)硅與碳最外層都有4個(gè)電子,故SiO2的物理性質(zhì)與CO2類似既屬于酸性氧化物,又屬于堿性氧化物A.B. C.D.【答案】:B【解析】:SiO2區(qū)別于CO2的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),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(yīng)B.根據(jù)SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2的反應(yīng),可推知硅酸酸性比碳酸酸性強(qiáng)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(qiáng)弱;C項(xiàng)符合“強(qiáng)酸制弱酸”的一般規(guī)律;SiO2不溶于水,也不能與水反應(yīng),D錯(cuò)誤。典例3在無機(jī)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:高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅;粗硅與干燥的HCl氣體反應(yīng)制得SiHCl3:Si+3HClSiHCl3+H2;SiHCl3與過量H2在1 0001 100 反應(yīng)制得純硅。請回答下列問題:(1)第步制備粗硅反應(yīng)的化學(xué)方程式為 。(2)粗硅與HCl反應(yīng)完全后,經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點(diǎn)33.0 )中含有少量SiCl4(沸點(diǎn)57.6 )和HCl(沸點(diǎn)-84.7 ),提純SiHCl3采用的方法為 。(3)從基本反應(yīng)類型角度分類,步驟中發(fā)生的反應(yīng)屬于 。(4)為鑒定產(chǎn)品硅中是否含微量鐵單質(zhì),將試樣用稀鹽酸溶解,取上層清液后需再加入的試劑是 (填寫字母代號(hào)) 。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(yīng)(4)AC典例4用地殼中某主要元素生產(chǎn)的多種產(chǎn)品在現(xiàn)代高科技中占有重要位置,足見化學(xué)對現(xiàn)代物質(zhì)文明的重要作用。例如:(1)計(jì)算機(jī)芯片的主要成分是 ;(2)光導(dǎo)纖維的主要成分是 ;(3)目前應(yīng)用最多的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化材料是 ;(4)常用作吸附劑、干燥劑或催化劑載體的物質(zhì)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.CaOMgOSiO2H2O B.2CaO5MgO8SiO2H2OC.2CaOMgOSiO22H2O D.5CaO2MgO8SiO2H2O【答案】:B【解析】:根據(jù)昆侖玉的化學(xué)式,將Ca、Mg、Si、H分別寫成氧化物的形式,再調(diào)整各氧化物前的計(jì)量數(shù)并使其原子組成與昆侖玉的化學(xué)式一致,可得昆侖玉用氧化物的形式表示為2CaO5MgO8SiO2H2O。 典例6(雙選)下列關(guān)于二氧化硅的說法中,錯(cuò)誤的是()A.二氧化硅也叫做硅酸酐B.二氧化硅分子由一個(gè)硅原子和兩個(gè)氧原子構(gòu)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(yīng),又能與燒堿反應(yīng),所以它是兩性氧化物【答案】:BD【解析】:A.酸酐與對應(yīng)的酸中元素化合價(jià)相同,SiO2和H2SiO3的化合價(jià)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12的比例所組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并不存在SiO2分子,錯(cuò)誤C二氧化硅難溶于水,且不與水反應(yīng),無法直接與水反應(yīng)制取硅酸, 正確SiO2與氫氟酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2+4HF=SiF4+2H2O,SiO2與氫氟酸反應(yīng)只是一種特殊情況,所以不能說SiO2是兩性氧化物，錯(cuò)誤。典例7在一定條件下,既能與CO2反應(yīng),又能與SiO2反應(yīng)的物質(zhì)是()NaHCO3溶液濃硫酸NaOH溶液碳A. B. C.D.【答案】:D典例8能證明碳酸比硅酸酸性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)是（ ）A.CO2溶于水生成碳酸而SiO2卻不溶于水B.高溫時(shí)發(fā)生反應(yīng):Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2C.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(qiáng)酸制取弱酸的反應(yīng)原理,CO2溶于水形成碳酸,碳酸與Na2SiO3溶液反應(yīng)得到硅酸膠體,從而證明碳酸的酸性強(qiáng)于硅酸。典例9長石(KAlSi3O8)風(fēng)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(fù)雜硅酸鹽改寫成氧化物形式。KAlSi3O8 ;Al2Si2O5(OH)4 ;(2)上述反應(yīng)能夠發(fā)生的原因是 ?！敬鸢浮? (1)K2OAl2O36SiO2Al2O32SiO22H2O(2)較強(qiáng)的酸能制較弱的酸(2)分析反應(yīng)前后物質(zhì)的種類,可知屬于酸與鹽發(fā)生的復(fù)分解反應(yīng),是由于酸性:H2CO3H2SiO3,發(fā)生了較強(qiáng)的酸制取較弱的酸的反應(yīng)。易錯(cuò)警示長石:KAlSi3O8不能寫成K2OAl2O33SiO2,應(yīng)寫成K2OAl2O36SiO2,即原子個(gè)數(shù)比不變。