2022年高中化學(xué) 第四章 非金屬及其化合物 第1節(jié) 無機非金屬材料的主角——硅學(xué)案 新人教版必修1

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1、2022年高中化學(xué) 第四章 非金屬及其化合物 第1節(jié) 無機非金屬材料的主角——硅學(xué)案 新人教版必修1 1．了解SiO2的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途。(重點) 2．了解硅酸的制備和化學(xué)性質(zhì)。 3．了解硅酸鹽的性質(zhì)及組成的表示方法。 4．了解硅的性質(zhì)和用途。(重點) 5．了解幾種重要無機非金屬材料的生產(chǎn)及用途。 二氧化硅和硅酸 [基礎(chǔ)·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)結(jié)構(gòu) SiO2晶體是由Si和O按原子數(shù)之比為1∶2的比例組成

2、的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。每個硅原子周圍結(jié)合4個O原子，每個O周圍結(jié)合2個Si原子。 (3)物理性質(zhì) 熔點高；硬度大；溶解性：不溶于水。 (4)化學(xué)性質(zhì)(寫出有關(guān)化學(xué)方程式) (5)用途 ①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石英和瑪瑙制作飾物和工藝品。 ④實驗室中使用石英坩堝。 教材整理2　硅酸(H2SiO3) 1．物理性質(zhì) 硅酸是一種難溶于水的白色膠狀物。 2．化學(xué)性質(zhì) (1)弱酸性 向Na2SiO3溶液中通入CO2，生成白色沉淀，反應(yīng)的化學(xué)方程式為Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2S

3、iO3↓。 結(jié)論：H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。 (2)不穩(wěn)定性 H2SiO3不穩(wěn)定，受熱易分解，反應(yīng)的化學(xué)方程式為H2SiO3H2O＋SiO2。 3．制備 Na2SiO3溶液中加入鹽酸，反應(yīng)的化學(xué)方程式為Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(膠體)。 4．存在及用途 (1)濃度小且邊加邊振蕩時，形成硅酸溶膠(膠體)；濃度大時，形成硅酸凝膠。 (2)硅膠 硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水得到的硅酸干凝膠，稱為“硅膠”，具有很強的吸水性，常用作干燥劑或催化劑的載體。 [探究·升華] [思考探究] 探究1　SiO2的主要性質(zhì)及應(yīng)用 (1)為什么實驗室盛放NaOH

4、溶液的試劑瓶要用橡膠塞而不能用玻璃塞？(玻璃的成分中含有SiO2) 【提示】　當(dāng)玻璃瓶配玻璃塞時，瓶口內(nèi)壁和瓶塞外壁都進行了磨砂處理。玻璃中含SiO2，磨砂玻璃遇到強堿如NaOH溶液時，SiO2與NaOH反應(yīng)生成Na2SiO3，使試劑瓶受腐蝕。Na2SiO3溶液有良好的黏結(jié)性，它易使瓶口與瓶塞黏在一起而難以開啟。故使用橡膠塞而不能使用玻璃塞。 (2)實驗室能否用玻璃瓶保存氫氟酸？為什么？寫出反應(yīng)方程式。 【提示】　不能。因為氫氟酸腐蝕玻璃，和玻璃中的成分SiO2反應(yīng)。 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 (3)寫出SiO2、CO2與CaO反應(yīng)的化學(xué)方程式。 【提示】　Si

5、O2＋CaOCaSiO3、 CO2＋CaO===CaCO3。 探究2　硅酸的制備實驗探究 實驗 操作 實驗 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，有透明膠狀物生成 結(jié)論 Na2SiO3溶液呈堿性；滴加稀鹽酸后反應(yīng)的化學(xué)方程式為Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(膠體) 向Na2SiO3溶液中通入CO2氣體，現(xiàn)象是__________，其離子方程式為____________，然后改加NaOH溶液，反應(yīng)的離子方程式為____________。 【提示】　生成白色沉淀　SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO　 H2SiO3

6、＋2OH－===SiO＋2H2O [認知升華] 升華1　SiO2和CO2的比較 SiO2 CO2 不 同 點 熔、沸點 高 低 狀態(tài) 無色晶體 氣態(tài) 與水反應(yīng) 不反應(yīng) CO2＋H2OH2CO3 與酸反應(yīng) 只與氫氟酸反應(yīng) 不反應(yīng) 相 同 點 與堿性氧 化物反應(yīng) CaO＋SiO2CaSiO3 CO2＋CaO===CaCO3 與堿反應(yīng) SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O 與某些 鹽反應(yīng) SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2

7、↑ CO2＋H2O＋Na2CO3===2NaHCO3 CO2＋H2O＋Na2SiO3=== H2SiO3↓＋Na2CO3 與碳反應(yīng) SiO2＋2CSi＋2CO↑ CO2＋C2CO 升華2　硅酸的主要性質(zhì)及應(yīng)用 (1)硅酸是中學(xué)化學(xué)中惟一一個不溶于水的酸，硅酸酸性很弱、不能使酸堿指示劑變色。 (2)實驗室制取硅酸的方法是可溶性硅酸鹽與酸反應(yīng)。 (3)硅酸的性質(zhì)：①具有酸性，酸性比碳酸弱；②受熱易分解。 (4)硅酸濃度小時可形成硅酸溶膠，濃度大時可形成硅酸凝膠。硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水得到硅膠(或硅酸干凝膠)，具有較強的吸水性，常用作干燥劑及催化劑載體。 [題組·沖關(guān)] 題組1　S

8、iO2的性質(zhì)與應(yīng)用 1．關(guān)于二氧化硅，下列敘述不正確的是(　　) 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質(zhì)上有很大差別 C．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反應(yīng)生成酸 D．二氧化硅是一種酸性氧化物，它不跟任何酸起反應(yīng) 【解析】　水晶的主要成分為SiO2，A項正確；CO2是由分子構(gòu)成的，而SiO2是Si和O按1∶2組成的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，二者物理性質(zhì)差別較大，B項正確；SiO2不溶于水也不與水反應(yīng)，C項正確；SiO2可以與氫氟酸反應(yīng)，D項錯誤。 【答案】　D 2．下列說法不正確的是(　　) A．因SiO2不溶于水，故SiO2不是酸性氧化物 B．在反

9、應(yīng)SiO2＋2CSi＋2CO↑中SiO2作氧化劑 C．SiO2是一種空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，熔點高、硬度大 D．氫氟酸能夠刻蝕玻璃，故不能用玻璃瓶來盛裝氫氟酸 【解析】　A項，SiO2不溶于水，但它能與堿反應(yīng)生成硅酸鹽和水，是酸性氧化物，錯誤；B項，在該反應(yīng)中SiO2被C還原為Si，SiO2作氧化劑，正確；C項，由于SiO2是一種空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，故熔點高，硬度大，正確；D項，SiO2能與氫氟酸反應(yīng)，故常用氫氟酸刻蝕玻璃，不能用玻璃瓶盛裝氫氟酸，正確。 【答案】　A 題組2　H2SiO3的性質(zhì)、制備與應(yīng)用 3．下列關(guān)于硅酸的說法正確的是(　　) A．硅酸可以通過SiO2和水

10、的化合反應(yīng)直接制得 B．用反應(yīng)Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓制取硅酸是利用了可溶性酸制難溶性酸的性質(zhì) C．因為硅酸難溶于水，所以它不能與NaOH溶液反應(yīng) D．硅膠可用作袋裝食品的干燥劑 【解析】　SiO2不能與水反應(yīng)生成硅酸，A錯誤；B中反應(yīng)是利用了強酸制弱酸的性質(zhì)，B錯誤；硅酸雖難溶于水，但可與強堿溶液反應(yīng)生成硅酸鹽，C錯誤。 【答案】　D 4．碳酸的酸性比硅酸強，某化學(xué)課外小組搜集了大量的證據(jù)證明硅酸的酸性弱于碳酸酸性。其中能證明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的實驗事實是(　　) A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2難溶于水 B．CO2通入可溶性硅酸鹽中析出

11、硅酸沉淀 C．高溫下SiO2與碳酸鈣、碳酸鈉等固體反應(yīng)生成CO2 D．氯化氫通入可溶性碳酸鹽溶液中放出氣體，通入可溶性硅酸鹽溶液中生成沉淀 【解析】　根據(jù)強酸制弱酸的原理，CO2通入可溶性硅酸鹽中析出硅酸沉淀，此項實驗事實可證明碳酸的酸性比硅酸強。 【答案】　B 5．為了進一步確認HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性強弱，有人設(shè)計用下圖所示裝置進行一次實驗即可達到目的(不必再選用其他酸性溶液)。 請回答： (1)A中的化學(xué)反應(yīng)方程式可能為__________________________________。 (2)B裝置的作用是______________________

12、_______________________。 (3)C中的現(xiàn)象有_____________，反應(yīng)離子方程式為__________________。 (4)根據(jù)實驗，三種酸的強弱順序為_____________，其依據(jù)為__________ ______________________________________________________________。 【答案】　(1)CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O (2)除去CO2中的HCl，防止HCl與Na2SiO3反應(yīng) (3)產(chǎn)生白色膠狀沉淀　CO2＋H2O＋SiO===H2SiO3(膠體)＋CO (

13、4)HCl>H2CO3>H2SiO3　強酸制弱酸 硅酸鹽和硅單質(zhì) [基礎(chǔ)·初探] 教材整理1　硅酸鹽 1．硅酸鹽的組成與表示 (1)定義：由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。 (2)性質(zhì)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多不溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。 (3)表示：通常以二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示其組成。例如， ①Na2SiO3：Na2O·SiO2。 ②長石(KAlSi3O8)：K2O·Al2O3·6SiO2。 ③鎂橄欖石(Mg2SiO4)：2MgO·SiO2。 【特別提醒】　以氧化物形式表示硅酸鹽組成的方法 (1)方法：找出組成元素；寫出氧化物的形式；注意原子守恒；檢查有無遺漏。

14、(2)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。 (3)氧化物前化學(xué)計量數(shù)配置原則：除氧元素外，其他元素按配置前后原子個數(shù)守恒原則配置化學(xué)計量數(shù)，如果出現(xiàn)分數(shù)，擴大倍數(shù)化為整數(shù)。 (4)氧化物之間用“·”隔開。 2．最簡單的硅酸鹽——Na2SiO3 3．三種常見的硅酸鹽產(chǎn)品——無機非金屬材料 產(chǎn)品 原料 主要設(shè)備 主要成分 水泥 石灰石、黏土 水泥 回轉(zhuǎn)窯 硅酸二鈣2CaO·SiO2 硅酸三鈣3CaO·SiO2 鋁酸三鈣3CaO·Al2O3 玻璃 純堿、石灰 石和石英砂 玻璃窯 Na2O·CaO·6SiO2 陶瓷 黏土 —

15、 — 4．其他含硅物質(zhì) (1)SiC：俗稱金剛砂，類似金剛石的結(jié)構(gòu)和性能。 (2)含4%硅的硅鋼具有導(dǎo)磁性，用作變壓器鐵芯。 (3)硅橡膠：耐高溫又耐低溫。 (4)人造分子篩：作吸附劑和催化劑。 教材整理2　硅單質(zhì) 1．種類及結(jié)構(gòu) 單質(zhì)硅分為晶體和無定形兩種，晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石類似。 2．性質(zhì) (1)物理性質(zhì) 色、態(tài) 光澤 熔點 硬度 質(zhì)地 導(dǎo)電性 灰黑色固體光澤 金屬 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，但能與氟氣、HF、 NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)。 3．用途 (1)半導(dǎo)體材料，如硅芯片等。 (2)新型能源，如光電池

16、等。 【特別提醒】　硅單質(zhì)性質(zhì)的特殊性 (1)一般情況下，非金屬元素單質(zhì)熔、沸點低，硬度小，但晶體硅和金剛石熔、沸點高，硬度大，其中金剛石為自然界中硬度最大的物質(zhì)。 (2)一般情況下，非金屬單質(zhì)為絕緣體，但硅為半導(dǎo)體，石墨為電的良導(dǎo)體。 (3)Si的還原性大于C，但單質(zhì)C在高溫下能從SiO2中還原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑。 (4)非金屬單質(zhì)與堿反應(yīng)一般既作氧化劑又作還原劑，且無氫氣放出，但硅與堿溶液反應(yīng)只作還原劑，且反應(yīng)能放出氫氣：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 (5)非金屬單質(zhì)一般不與非氧化性酸反應(yīng)，但硅能與氫氟酸反應(yīng)：Si＋4HF===Si

17、F4↑＋2H2↑。 [題組·沖關(guān)] 題組1　硅酸鹽的組成、性質(zhì)和應(yīng)用 1．下列關(guān)于硅酸鹽的說法中正確的是(　　) A．硅酸鹽都難溶于水 B．Na2SiO3是一種最簡單的硅酸鹽，其水溶液可用作黏合劑 C．硅酸鹽通常可用氧化物的形式表示，說明硅酸鹽就是由各種氧化物組成的 D．硅酸鹽工業(yè)使用的每一種原料都含有硅 【解析】　A項，Na2SiO3可溶于水，錯誤；C項，硅酸鹽可用氧化物的形式表示，但不是由各種氧化物組成，錯誤；D項，所用原料可能不含硅，錯誤。 【答案】　B 2．用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成，其中正確的是(　　) A．鈣沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，

18、表示為Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O B．鎂橄欖石(Mg2SiO4)，表示為MgO·SiO2 C．鉀云母(K2Al6Si6H4O24)，表示為K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2 D．高嶺石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示為Al2O3·2SiO2·2H2O 【解析】　A項，Ca(Al2Si3O10)·3H2O應(yīng)表示為CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O(排序錯)；B項，Mg2SiO4應(yīng)表示為2MgO·SiO2(不能在系數(shù)中出現(xiàn)分數(shù))；C項，K2Al6Si6H4O24應(yīng)表示為K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O(排序錯)。 【答案】　D 3．下列關(guān)于

19、水玻璃的性質(zhì)和用途的敘述中正確的是(　　) A．它是一種純凈物，既不燃燒也不易腐蝕 B．水玻璃是生產(chǎn)玻璃的主要原料之一 C．木材、織物浸過水玻璃后具有防腐性能且不易燃燒 D．水玻璃的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中不易變質(zhì) 【解析】　水玻璃是硅酸鈉的水溶液，A錯誤；水玻璃易與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，D錯誤。 【答案】　C 題組2　硅單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)及綜合應(yīng)用 4．硅及其化合物的應(yīng)用范圍很廣。下列說法正確的是(　　) A．硅是人類將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的常用材料 B．粗硅制備單晶硅不涉及氧化還原反應(yīng) C．反應(yīng)：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si為還原劑，N

20、aOH和H2O為氧化劑 D．鹽酸可以與硅反應(yīng)，故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅 【解析】　C項只有H2O是氧化劑；D項鹽酸與Si不反應(yīng)，氫氟酸才可。 【答案】　A 5．下圖中的每一方格表示相關(guān)的一種反應(yīng)物或生成物。其中，B是一種單質(zhì)，其余物質(zhì)也都是含B元素的化合物。C是一種鈉鹽，E是C對應(yīng)的酸，B的結(jié)構(gòu)類似金剛石，D為B的氧化物(其他不含B元素的反應(yīng)產(chǎn)物以及各步反應(yīng)添加的必要試劑和反應(yīng)條件已被略去)。請?zhí)顚懣瞻祝? (1)A、D、E的化學(xué)式分別為________、________、________。 (2)A和B的相互轉(zhuǎn)化在工業(yè)上有什么實際意義？ ________________

21、__________________________________________。 (3)寫出D→C反應(yīng)的化學(xué)方程式：___________________________________ ______________________________________________________________。 (4)寫出E→D反應(yīng)的化學(xué)方程式：_______________________________ ___________________________________________________________。 【解析】　本題的突破口是：“B是一種單質(zhì)”，“B的結(jié)構(gòu)類似金剛石”。據(jù)此，容易推斷出B是晶體硅。硅與氯氣在加熱條件下生成SiCl4，因此，A為SiCl4，SiCl4可以被氫氣還原得純凈的硅。根據(jù)D為B的氧化物且能轉(zhuǎn)化成B(Si)，可知D為SiO2，由此可知其他答案。 【答案】　(1)SiCl4　SiO2　H2SiO3 (2)粗硅提純 (3)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (4)H2SiO3SiO2＋H2O 【題后歸納】　Si的制備與提純 SiO2粗SiSiCl4Si