高中化學(xué)必修1學(xué)案專題3第三單元第1課時硅酸鹽和硅單質(zhì)

第三單元含硅礦物與信息材料第1課時硅酸鹽和硅單質(zhì)一、硅酸鹽1．概念：硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。2．硅酸鹽的性質(zhì)硅酸鹽是一類結(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：Na2O·SiO2；鉀長石：KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2。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6.其他含硅的物質(zhì)二、硅單質(zhì)1．物理性質(zhì)晶體硅是有金屬光澤的灰黑色固體，熔點(diǎn)高、硬度大、有脆性。晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料。2．化學(xué)性質(zhì)(1)穩(wěn)定性：常溫下硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，只能與氟氣(F2)、氫氟酸(HF)和強(qiáng)堿溶液反應(yīng)?；瘜W(xué)方程式分別為：Si＋2F2=SiF4，Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)還原性：在加熱條件下，硅能與一些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(高溫))SiCl4，Si＋O2eq\o(=,\s\up17(△))SiO2，Si＋Ceq\o(=,\s\up17(高溫))SiC。3．工業(yè)制法(1)制粗硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高溫))Si(粗)＋2CO↑(2)粗硅提純：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(△))SiCl4，SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up17(高溫))Si(純)＋4HCl4．用途(1)用做半導(dǎo)體材料，制造集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件。(2)制合金，如含硅4%的鋼可制成變壓器的鐵芯，含硅15%的鋼可制造耐酸設(shè)備等。(3)制造光電池，將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。(1)將上述復(fù)雜硅酸鹽改寫成氧化物的形式：①KAlSi3O8_____________________________________；②Al2(Si2O5)(OH)4_______________________________。(2)上述反應(yīng)能夠發(fā)生的原因是______________________?！舅悸贩治觥坑醚趸镄问奖硎竟杷猁}的方法及注意事項：(1)方法：找出組成元素；寫成氧化物的形式；注意原子守恒；檢查有無遺漏。(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?jǐn)?shù)，擴(kuò)大倍數(shù)化為整數(shù)。(4)氧化物之間用“·”隔開?！窘馕觥?1)將復(fù)雜硅酸鹽化學(xué)式改寫成氧化物形式時，只需將除O以外所有的元素寫成其常見氧化物形式，并用“·”將它們合起來，但應(yīng)注意各種原子個數(shù)比符合原來的組成，在某種(或幾種)氧化物前加合適的化學(xué)計量數(shù)。(2)分析反應(yīng)前后物質(zhì)的種類，可知屬于酸與鹽發(fā)生的反應(yīng)，是由于酸性H2CO3>H2SiO3，發(fā)生了較強(qiáng)酸制較弱酸的反應(yīng)?！敬鸢浮?1)①K2O·Al2O3·6SiO2②Al2O3·2SiO2·2H2O(2)較強(qiáng)酸制較弱酸用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成，其中正確的是(D)A．鈣沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示為Al2O3·CaO·3SiO2·3H2OB．鎂橄欖石(Mg2SiO4)，表示為MgO·eq\f(1,2)SiO2C．鉀云母(K2Al6Si6H4O24)，表示為K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2D．高嶺石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示為Al2O3·2SiO2·2H2O解析：根據(jù)硅酸鹽改寫氧化物的要求可以判斷，A中Al2O3和CaO的排列順序有誤，B中化學(xué)計量數(shù)出現(xiàn)eq\f(1,2)，C正確的寫法應(yīng)為K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O，D的寫法完全符合上述要求。1．硅與NaOH溶液反應(yīng)的原理是什么？提示：在硅與NaOH溶液的反應(yīng)中，還原劑是硅，氧化劑是水，該反應(yīng)可理解為分兩步進(jìn)行。首先，硅與水反應(yīng)生成H2SiO3和H2：Si＋3H2O=H2SiO3＋2H2↑；然后，H2SiO3與NaOH反應(yīng)：H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。當(dāng)標(biāo)電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目時，應(yīng)表示為2．硅的還原性比碳強(qiáng)，這和碳能置換出SiO2中的硅是否矛盾？提示：兩者并不矛盾，碳和硅位于元素周期表中的第ⅣA族，碳的原子半徑比硅的小，失去電子的能力比硅弱，所以硅的還原性比碳的強(qiáng)。而反應(yīng)2C＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))Si＋2CO↑是在高溫條件下進(jìn)行的，且生成物CO為氣體，從反應(yīng)體系逸出，有利于反應(yīng)向右進(jìn)行?！纠?】晶體硅是一種重要的非金屬材料。制備純硅的主要步驟如下：①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅；②粗硅與干燥的HCl氣體反應(yīng)制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(=,\s\up17(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3與過量H2在1000～1100℃已知SiHCl3能與H2O劇烈反應(yīng)，在空氣中易自燃。請回答下列問題。(1)第①步制備粗硅的化學(xué)方程式為________。(2)用SiHCl3與過量H2反應(yīng)制備純硅的裝置如圖所示(熱源及夾持裝置均已略去)：①裝置B中的試劑是________，裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是________。②反應(yīng)一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是________，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是________，裝置D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為________。③為保證制備純硅實(shí)驗(yàn)的成功，操作的關(guān)鍵是檢查實(shí)驗(yàn)裝置氣密性，控制好反應(yīng)溫度以及________?！舅悸贩治觥坷斫忸}給信息→書寫相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式→結(jié)合“SiHCl3能與H2O劇烈反應(yīng)，在空氣中易自燃”等信息→分析實(shí)驗(yàn)裝置各部分的作用及實(shí)驗(yàn)操作步驟。【解析】(1)在高溫條件下，用C還原SiO2生成Si和CO。(2)因?yàn)橛蒢n、稀硫酸制得的H2中會混有少量H2O，而SiHCl3能與H2O劇烈反應(yīng)，所以要對H2進(jìn)行干燥，根據(jù)裝置應(yīng)選擇液態(tài)干燥劑——濃硫酸。裝置C用水浴加熱SiHCl3使其汽化，和H2進(jìn)入裝置D反應(yīng)，因?yàn)镾iHCl3與H2在1000～1100℃下反應(yīng)，溫度很高，普通玻璃會軟化，因此不能使用普通玻璃管。因?yàn)镾iHCl3在空氣中易自燃，實(shí)驗(yàn)中還要注意先通一段時間H2【答案】(1)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高溫))Si＋2CO↑(2)①濃硫酸使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化②有固體物質(zhì)生成在此反應(yīng)溫度下，普通玻璃會軟化SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1000～1100℃))Si＋3HCl③排盡裝置中的空氣硅單質(zhì)及其化合物應(yīng)用范圍很廣。請回答下列問題：(1)制備硅半導(dǎo)體材料必須先得到高純硅，三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法，生產(chǎn)過程示意圖如下：①寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學(xué)方程式：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。②整個制備過程必須嚴(yán)格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，寫出配平的化學(xué)反應(yīng)方程式：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑；H2還原SiHCl3過程中若混入O2，可能引起的后果是高溫下H2與O2混合發(fā)生爆炸。(2)下列有關(guān)硅材料的說法正確的是A、B、C(填字母)。A．碳化硅硬度大，可用于生產(chǎn)砂紙、砂輪等B．氮化硅硬度大、熔點(diǎn)高，可用于制作高溫陶瓷和軸承C．高純度的二氧化硅可用于制造高性能通訊材料——光導(dǎo)纖維D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點(diǎn)很高E．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：(1)①H2還原SiHCl3可制備Si，化學(xué)方程式為SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。②SiHCl3和H2O反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和H2；用H2還原SiHCl3過程中若混入O2，則高溫下H2與O2反應(yīng)發(fā)生爆炸。(2)A項，碳化硅硬度很大，可用于生產(chǎn)砂紙、砂輪等。B項，氮化硅熔點(diǎn)高，硬度大，可用于制作高溫陶瓷和軸承。D項，普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，是由石英砂(SiO2)、石灰石、純堿高溫下反應(yīng)生成的，化學(xué)方程式為Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))CaSiO3＋CO2↑，但玻璃沒有固定的熔點(diǎn)，E項，Si與HCl不反應(yīng)。1．下列關(guān)于硅的說法中，不正確的是(C)A．硅是非金屬元素，它的晶體單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體B．硅的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料C．硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)D．加熱到一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬反應(yīng)解析：硅雖然外形像金屬(有金屬光澤)，但實(shí)際上屬于非金屬；硅既有金屬性，又有非金屬性，其導(dǎo)電性也介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料。硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑(尤其是在常溫下)，但常溫下仍能與氟氣、氫氟酸和NaOH溶液等發(fā)生反應(yīng)，加熱至一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬發(fā)生反應(yīng)。2．下列關(guān)于硅酸鹽的說法正確的是(D)A．硅酸鹽中的陰離子都是SiOeq\o\al(2－,3)B．硅酸鹽都難溶于水C．通常用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成，說明硅酸鹽就是由各種氧化物組成的D．Na2SiO3是一種最簡單的硅酸鹽，其水溶液可用作黏合劑解析：只有很簡單的硅酸鹽中的陰離子才是SiOeq\o\al(2－,3)，A錯；簡單的硅酸鹽可溶于水，B錯；用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成是為了簡化、直觀，并不是說硅酸鹽就是由氧化物組成的，C錯。3．昆侖玉常用于制作獎牌等紀(jì)念品，其主要成分是由“透閃石”和“陽起石”組成的纖維狀微晶結(jié)合體，其中透閃石的化學(xué)成分為Ca2Mg5Si8O22(OH)2。下列有關(guān)說法不正確的是(D)A．Ca2Mg5Si8O22(OH)2屬于硅酸鹽B．昆侖玉是混合物，透閃石中Mg元素與Ca元素的質(zhì)量比是32C．透閃石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定D．透閃石是一種新型無機(jī)非金屬材料，易溶于水解析：Ca2Mg5Si8O22(OH)2是硅、氧、氫、鈣、鎂元素形成的化合物，屬于硅酸鹽，A項正確；昆侖玉由“透閃石”和“陽起石”等組成，是混合物，透閃石中Mg元素與Ca元素的質(zhì)量比為(24×5)(40×2)＝32，B項正確；透閃石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，C項正確；D項，透閃石不易溶于水，D項錯誤。4．三硅酸鎂(Mg2Si3O8·nH2O)難溶于水，在醫(yī)療上可作抗酸劑。它除了可以中和胃液中多余的酸之外，生成的H2SiO3還可覆蓋在潰瘍的表面，緩解刺激。將0.184g三硅酸鎂(Mg2Si3O8·nH2O)加入到50mL0.1mol·L－1鹽酸中，充分反應(yīng)后，濾去沉淀，用0.1mol·L－1NaOH溶液滴定剩余的鹽酸，消耗NaOH溶液30mL，則n為(A)A．6 B．5C．4 D．3解析：由題意知，三硅酸鎂和鹽酸充分反應(yīng)后，剩余的鹽酸n(HCl)＝n(NaOH)＝0.003mol。50mL0.1mol·L－1鹽酸中含0.005mol溶質(zhì)，所以與三硅酸鎂反應(yīng)的鹽酸為0.002mol。由關(guān)系式4HCl～Mg2Si3O8·nH2O知三硅酸鎂的物質(zhì)的量為eq\f(0.002mol,4)＝0.0005mol，三硅酸鎂的摩爾質(zhì)量為eq\f(0.184g,0.0005mol)＝368g·mol－1，則24×2＋28×3＋16×8＋18n＝368，解得n＝6。5．一粗鋁樣品中含鐵和硅兩種雜質(zhì)，取等質(zhì)量的樣品分別投入到足量的鹽酸和足量的稀氫氧化鈉溶液中，放出等量的氫氣，則該粗鋁中鐵和硅的關(guān)系正確的是(C)①物質(zhì)的量之比為21②物質(zhì)的量之比為31③質(zhì)量之比為21④質(zhì)量之比為41A．②④ B．②③C．①④ D．④解析：將含有雜質(zhì)鐵和硅的粗鋁分別投入足量的鹽酸和氫氧化鈉溶液中，產(chǎn)生氫氣。其反應(yīng)情況如下所示：反應(yīng)取相同質(zhì)量的樣品，其中由Al反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的量相等，因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)生氫氣的總量相等，故Si與NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的量必然等于Fe與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的量。解法1：根據(jù)化學(xué)方程式分析。設(shè)反應(yīng)中Si、Fe反應(yīng)產(chǎn)生