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

1、專題 19 無機非金屬材料的主角 - 硅 【知識回放】 1 碳和硅在自然界中以什么形式存在？ 2 CO 的物理性質(zhì)：是一種 _色_體，_溶于水，固態(tài) CO俗稱 _ 。 3 .完成以下方程式： (1) CQ + H 20 T (2) CQ + NaOH T (3) CO + CaO T 4 請寫出硅原子和碳原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖。 高溫 5根據(jù) NaCO+ SiO2 NsfSiO3 + COf能說明硅酸酸性比碳酸強嗎？ 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、 2 無色無味 氣體能干冰 3 ( 1) CO + H 2O = H2CO (2) CO + 2NaOH = NazCO+HzO (3) CO + CaO = CaCO 3 5. 上述反應(yīng)不是在濬液中而是在高溫熔融狀態(tài)下曲亍創(chuàng) 5 的沸點很高其化學(xué)反應(yīng)可臥看作是分兩步 W-2BI -W-3P 網(wǎng)血 WISE. 進行的：TfeCS N3+ , XaiO+SiQ!=Na2SiOb 故該反應(yīng)不能用于比較酸性強弱，但可 以說明 NSiQj的熱穩(wěn)定性比 N 出 CO強,其反應(yīng)原理可理解為用難揮發(fā)的物質(zhì)制易揮發(fā)的物質(zhì)“若在水濬 滋中，則可以發(fā)生如下反應(yīng)：NSiOi + C02 + IbOffcSiOil

3、+ NaiCOi,根據(jù)鹽與酸反應(yīng)能生成苴對應(yīng)的 酸，則生成的釀比參加反應(yīng)的酸的酸性弱，所兒此反應(yīng)能說明硅酸酸性比碳酸弱。 6. 這種說法不正確。SiCh 雖然能與氫氟釀反區(qū) 但產(chǎn)物SJF#不是鹽，所以 96 只是釀性氧化物。 【新知精講】2 4.用途 (1) 以 SiQ 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。 HSiOs （弱酸） 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)

4、 3.化學(xué)性質(zhì) SiO3 熔點 硬度 溶解性 高 大 不溶于水 竺遼不與水、一般的酸反應(yīng) 與60 反應(yīng) 高粗 - Si02+6OCaSi6 與 NaOH 化物的性質(zhì)反應(yīng) * S ilh+2NaOH NajSiO+H 童氟醴反應(yīng) * SiOj+4HF Si?J+2HjO 3 向 Na2SiQ 溶液中通入 CO,反應(yīng)的化學(xué)方程式為 Na2SiO3+CO+H2O=bSiO3(膠體)+Na2CO 或 NstSiO3+2CO+2HO=HSiO3(膠體)+2NaHCO。 結(jié)論:H2SQ3酸性比 HbCQ 酸性弱。 (2) 不穩(wěn)定性。 H2SiO3受熱易分解，化學(xué)方程式為 H2SQ3 SiO2+H2Oo 2

5、. 硅酸的制備 (1) Na 2SiO3 溶液與 CO 的反應(yīng)：Na2SiO3+CO+HO=HSiO3(膠體)+Na2CO NazSiOs與鹽酸的反應(yīng)：Na2SiO3+2HCI=HSiO3(膠體)+2NaCI。 3. 硅酸的存在及用途 (1) 濃度小時：形成硅酸溶膠。 (2) 濃度大時：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

6、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：Na2O- SQ2； 長石 KAISi 3Q：K2O Al 2Q 6SQ20 4. 最常見的硅酸鹽 NazSiOs NaaSiO3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 4 玻璃 純堿、石灰石和石英 玻璃窯 陶瓷 黏土 一 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 C保持 良好

7、的彈性 制造火箭、導(dǎo)彈、飛機的零件 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 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。 【科學(xué)探究】 探究一二氧化硅的性質(zhì) 冋題導(dǎo)引 一射一 1 0 -O- 1 0 il o SI -O-3-QSI 1 1 1 0 a i

8、 1 -5-QSi I 1 二氧化硅的平面結(jié)構(gòu) 5 1. 實驗室保存 NaOH 溶液時為何不能使用玻璃塞 ？6 提示因 NaOH 會與玻璃的主要成分 Si02反應(yīng)，生成的 NatSiQ 溶液會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)，SiO 2屬于兩性氧化物嗎？ 提示不屬于。兩性氧化物指既能與酸又能與堿反應(yīng)生成鹽不詠的氧化物.SQ能與氫氟酸反應(yīng)但并不 生成鹽和水這只是 S1O2 的一個特性目屬于典型的酸性氧化物. 探究二硅酸的性質(zhì)和制備 問題導(dǎo)引* 1 硅酸的制備 怙1 實驗操作 - 實驗現(xiàn)象 滴加酚酞溶液后溶液呈紅色 5 滴加稀鹽酸后溶液變?yōu)闊o色，有

9、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 HSiOs? 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 HO 反應(yīng)制取 fSiOs,可用 NazSiOs 與酸反應(yīng)制取。 ,- . 冋 fnn . . 2. 已知 SiO2+NaCO NazSiO3+CO f ，產(chǎn)物中 CO 為氣體，生成后脫離反應(yīng)體系，使反應(yīng)能向右進行到底。 探究三硅酸鹽的組成和性質(zhì) 冋題導(dǎo)引八 * 這能否證明硅酸的酸性比碳酸強 提示不能。該反應(yīng)是在高溫下進行 常見的硅酸鹽礦物 7 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

10、酸鹽是二氧化硅和金屬氧化物的混合8 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)，分析在實驗室里如何保存 NSiO3溶液？如果敞口放置一段時間，溶液會出現(xiàn)什么現(xiàn) 象？ 提示由于 NfcSiO 滾浹能與空氣中的 OCh反應(yīng)而變鹿故 NaiSi5 要密封保存并放在帶橡膠塞的玻璃瓶 中?；瘜W(xué)方程式為 NaaSiO+HaQ+WiNaiCOi+HiSiOifSk 體)廊乩敞口放置的N毗沁濤液會出現(xiàn)日色膠 狀沉淀。 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

11、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。 【重點突破】 I.SiO 2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 H20 反應(yīng)生成 HSiOs。 (2) 非金屬氧化物的熔點一般較低，但二氧化硅的熔點很高。 酸性氧化物一般不與酸反應(yīng) ，但 SiO2可以與氫氟酸反應(yīng):SiO 2+4HF=SiF4 f +2H2Q 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(SiO 2) 類別 均為酸性氧化物 結(jié)構(gòu)特點 由二氧化碳分子構(gòu)成

12、 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，熔點和沸點 低，可溶于水 常溫為堅硬難熔的固體，不溶于水 化學(xué)性質(zhì) 與水反應(yīng) CO 與 H2O 反應(yīng)生成 HCO 不反應(yīng) 9 與酸反應(yīng) 不反應(yīng) 只與氫氟酸反應(yīng):SiO 2+4HF=SiF4 f +2H2O 與 NaOH 反應(yīng) CO 少量:CO2+2NaOH= NQCO+H2O CO 過量： CO+NaOH=NaHCO SiO2+2NaOH=N2SiOs+HO 與 CaO 反應(yīng) CQ+CaO=CaCO a itzi SiO2+Ca CaSiQ 3. 硅酸的性質(zhì)與制備 .氧化硅對應(yīng)的水化物是硅酸。 性質(zhì)： 硅酸為白色

13、固體，難溶于水。 酸性極弱,比碳酸還弱,不能使指示劑變色,只能與強堿反應(yīng),例如 HbSiO3+2NaOH=NSiO3+2HQ 硅酸不穩(wěn)定,受熱易分解,化學(xué)方程式為 SiO3SiO2+FbO。 制備： 由于二氧化硅不能與水化合，所以制備硅酸時只能使用間接的方法 ，如向 NazSiOs溶液中滴加鹽酸或通入 CQ 氣體等，利用的原理都是：強酸+弱酸鹽 -弱酸+強酸鹽。女口 ：CO2+Ns2SiO3+H2O=hSiO3（膠體）+NazCO。 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，改寫時的規(guī)律為： 氧化物的排列順序：活潑金屬氧化物一一較活 書寫形

14、式“潑金屬氧化物二氧化硅水 氧化物之間以“”隔開 - k心、十拓:配置原則：各元素原子總個數(shù)比符合原來的組成 化學(xué)計量數(shù) 2 - 若出現(xiàn)分?jǐn)?shù)應(yīng)化為整數(shù) 例如:鈉長石 NaAISi 3Q 不能寫成 1/2NazO- 1/2A1 2Q 3SiOz,應(yīng)寫成 NaO Al 2Q 6SQ2。 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 硅還原性強于碳 碳和二氧化硅在高溫下反應(yīng) ：2C+SiO2 Si+2COf 10 非金屬單質(zhì)與強堿溶液一般不產(chǎn)生 H2 硅與氫氧化鈉溶液反應(yīng)產(chǎn)生 H： Si+2NaOH+HO=Na6iO3+2H f 非金屬一般不與非氧化性酸反應(yīng) 硅和氫氟酸反應(yīng)：Si+4H

15、F=SiF 4 f +2H2T 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+SiQ 廠 2COT +Si（粗硅） 純硅的制取。 【典題探究】 A 蓋滬 Si（粗硅）+2Cl 2匚 SiCI 4 SiCl 4+2H2 丄壬 Si（純硅）+4HCl 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能跟強堿反應(yīng)，但不能與水反應(yīng) 硅與碳最外層都有 4 個電子，故 SiO2的物理 性質(zhì)與 CO 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 CQ 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，SiO2區(qū)別于

16、 AI2Q 的兩性。 典例 2 F 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+CaCG 丄王 CaSiQ+COf的反應(yīng)，可推知硅酸酸性比碳酸酸性強 C. CQ 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 【解析】璉酸不滾于水擔(dān)與 EaOH 濬液反應(yīng)應(yīng)皿 3HM 皿錯 i 吳;B項中該反應(yīng)之所臥 能發(fā)生是高溫劉牛下 C6以氣體形式逸出，使反應(yīng)進行得較徹底是刊用 SiOzXO.沸點的不同麗不是利用硅 酸、碳酸酸性的強弱;C 項符合“強酸制弱酸”的一般規(guī)律 ;SiO 2不溶于水，也不能與水反應(yīng)，D 錯誤。 典例 3

17、在無機非金屬材料中，硅一直扮演著主要的角色。制備純硅的主要步驟如下 ： 11 咼溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅 ； 粗硅與干燥的 HCI氣體反應(yīng)制得 SiHCI 3： p 300、C SI+3HCI r SiHCl 3+H; SiHCl 3與過量HH在 1 0001 100 C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 _ 。 粗硅與 HCI反應(yīng)完全后，經(jīng)冷凝得到的 SiHCl 3(沸點 33.0 C )中含有少量 SiCI 4(沸點 57.6 C )和 HCI(沸 點-84.7 C),提純 SiHCl 3采用的方法為 _ 。 (3) 從基本反應(yīng)類型角度分類，步驟中

18、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)_ 。 A. 氯水 B.NaOH 溶液 C.KSCN 溶液 D.NazSQ 溶液 a yB 【答案】:(1)SiO 2+2C Si(粗)+2COf (2) 蒸餾(或分餾) (3) 置換反應(yīng) (4) AC 【解析】 g 溫下用碳還原二氧化硅可制得粗硅，同時生成一氧化碳. Q 審離沸蠱不同的液休應(yīng)用蒸鐳威分錮)的方迭乜 (3 涉騷中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為 SRCMHi 1她他弋 十 3HC1J1 于羞換反應(yīng). (4 耀定產(chǎn)品中是否含鐵單質(zhì),用稀鹽酸濬解后生成因含量少

19、應(yīng)將 F 申?；癁?FW+后再檢唸，故選 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) 計算機芯片的主要成分是 _ ; (2) 光導(dǎo)纖維的主要成分是 _ ; 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 。 12 【答案】:(1)硅(或 Si 或單晶硅) (2)二氧化硅(或 SiQ) 硅(或 Si) 硅膠13 【解折】 :晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間是良好的半導(dǎo)體材科正是由于這一性質(zhì)且它的來源極苴豐 議從 20 世紀(jì)中葉開始碓成為信息技術(shù)的關(guān)鍵材料”

20、硅芯片的使用，便計算機的體積大大縮小。二氧化硅制成 的光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)光的能力非常強,抗干擾能力強底量小且細(xì),是一種非常好的通信材札硅是人類將衣陽能轉(zhuǎn) 化為電能的常用材料主要利用其半導(dǎo)體性能光電池是極有發(fā)展前景的新型能源。硅膠多孔，吸附能力強常 用作吸附劑、干燥劑或催化劑載體， 典例 5 CaMgSi 8Q2（OH）2,則其用二氧化硅和金屬氧化物的形式可表示為 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 2CaO 5MgO 8SiQ 2 -H 2Q0 典例 6（雙選） 下列關(guān)于二氧化硅的說法中，錯誤的是（ ） A. 二氧化硅也叫做硅酸酐 B. 二氧化硅分子由一個硅原子和兩個氧

21、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)的酸中元素化合價相同 ，SiQ2和 H2SiQ3的化合價相同，所以 SiQ2盡管難溶于水，但它 仍是硅酸的酸酐，正確 B SiQ2晶體是由 Si 和 Q 按 1 : 2 的比例所組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ，并不存在 SiQ?分子， 錯誤 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SiQ2+4HF=SiF4f +2H2Q，SiQ2與氫氟酸反應(yīng)只是一種特殊情況 ，所以不能說 SiQ?是兩性氧化物，錯誤。 典例 7 在一定條件下，既能與 CQ 反應(yīng)，又能與 SiO2反應(yīng)的物質(zhì)是（ ） NaHC 晞液 濃硫酸 NaQH 溶液 碳 A. B. C. D. 【答案】 :D 典例 8 能證明碳酸比硅酸酸性強的實驗是（ A.CQ 溶于水生成碳酸而 SiO2卻不溶于水 昆侖玉的成分可簡單看成是 A.CaQ- MgQ SiQ 2 -H2Q B.2CaQ - C.2CaQ MgO SiQ 2 - 2H2Q D.5CaQ - 2MgO 8SiQ 2 -H2Q 【答【解析】：根據(jù)昆侖玉的化學(xué)式 ，將