新课标同步导学高一化学课件：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 85页

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 虽然相隔千山万水，我们的心时刻连在一起，通过手机、互联网我可以随时随地聆听到你的声音，看到你的音容笑貌。现代化的通讯方式是通过什么传递信号的呢？制备这种物质的主要原料是什么呢？电脑芯片的主要成分又是什么？ 1 ．了解硅及其化合物的主要性质。 2 ．认识硅及其化合物在生产、信息技术、材料科学等领域的应用。 3 ．体会化学的创造性与实用性。 1 ． 二氧化硅 (1) 存在 存在形态有 _____ 形和 _______ 两大类，水晶、 玛瑙的主要成分是 _______________ 。 二氧化硅和硅酸 结晶 无定形 结晶的二氧化硅 (2) 物理性质 (3) 化学性质 熔点 硬度 溶解性 ___ ___ ________ 高 大 不溶于水 (4) 用途 ①沙子是基本的建筑材料。 ②纯净的 SiO 2 是现代光学及光纤制品的基本 原料，可以制作 _________ 。 ③ _____ 和 _____ 制作饰物和工艺品。 光导纤维 石英 玛瑙 2 ． 硅酸 (1) 硅酸的性质 ①弱酸性 向 Na 2 SiO 3 溶液中通入 CO 2 ，反应的化学方程 式为 ______________________________________ 。 结论： H 2 SiO 3 酸性比 H 2 CO 3 酸性 ___ 。 Na 2 SiO 3 ＋ CO 2 ＋ H 2 O===H 2 SiO 3 ↓＋ Na 2 CO 3 弱 ②不稳定性 H 2 SiO 3 受热易分解，反应方程式为： _____________________ 。 (2) 硅酸的制备 可溶的硅酸盐与较强的酸反应可制得硅酸， Na 2 SiO 3 与盐酸反应的化学方程式为 _________________________________ 。 Na 2 SiO 3 ＋ 2HCl===H 2 SiO 3 ↓＋ 2NaCl (3) 硅酸的存在及用途 ①浓度小时：形成 _________ ②浓度大时：形成 _________ ③硅胶 硅酸凝胶经干燥脱水得到的 ___________ ，称 为“ _____ ”，具有强的 ______ ，常用作 _______ 或 _______ 的载体。 硅酸溶胶 硅酸凝胶 硅酸干凝胶 硅胶 吸水性 干燥 剂 催化剂 CO 2 SiO 2 构成 CO 2 分子 硅原子，氧原子，无 SiO 2 分子 物理 性质 气体，熔、沸点低，溶于水 固体，熔、沸点高，硬度大，不溶于水 与碱性氧化物反应 CaO ＋ CO 2 ===CaCO 3 CaO ＋ SiO 2 CaSiO 3 与碱的反应 2NaOH ＋ CO 2 ===Na 2 CO 3 ＋ H 2 O SiO 2 ＋ 2NaOH ===Na 2 SiO 3 ＋ H 2 O [ 温馨提示 ] 　 (1)SiO 2 与碳酸盐反应，生成 CO 2 ，是因为生成的 CO 2 是气体，可以脱离反应体系，并不能说明 H 2 SiO 3 的酸性比 H 2 CO 3 的酸性强，相反 H 2 CO 3 的酸性反而比硅酸的酸性强。 (2) 虽然 SiO 2 既能与 NaOH 反应，又能与氢氟酸反应，但 SiO 2 不是两性氧化物而属于酸性氧化物。 1 ．下列关于二氧化硅的叙述中，不正确的是 ( 　　 ) A ．在固态和液态时，导电性都很弱 B ．能跟强碱反应，但不能与水反应 C ．硅与碳最外层虽均有 4 个电子，但 SiO 2 的物理性质与 CO 2 的物理性质不同，化学性质类似 D ．既是酸性氧化物，又是碱性氧化物 解析： 　 A 项正确， SiO 2 在固态和液态时无自由移动的电子和离子存在，导电性弱； SiO 2 属于酸性氧化物，能和碱反应，不和 H 2 O 反应，和大多数酸不反应，只和唯一的弱酸 ( 氢氟酸 ) 反应，表现一定的特性，所以 B 项正确， D 项错误； Si 与 C 虽然最外层电子数相同，但由于 SiO 2 和 CO 2 的结构差别较大，故物理性质差别较大，化学性质类似， C 项正确。 答案： 　 D 1 ． 概念： 硅酸盐是由 _____________ 组成的 化合物的总称。 2 ． 硅酸盐的性质 硅酸盐是一类结构复杂的固态物质，大多 _____ 于水，化学性质很 _____ 。 硅、氧和金属 不溶 稳定 3 ． 硅酸盐组成的表示 通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表 示其组成。 例如： Na 2 SiO 3 ： ___________ ； 长石 KAlSi 3 O 8 ： ________________ ； 4 ． 最常见的硅酸盐 ——Na 2 SiO 3 Na 2 SiO 3 的水溶液俗称 _______ ，能制备硅胶和 ___________ 。 Na 2 O·SiO 2 K 2 O·Al 2 O 3 ·6SiO 2 水玻璃 木材防火剂 5 ． 三种常见的硅酸盐产品 硅酸盐产品 原料 主要设备 主要成分 水泥 _____________ ___________ 硅酸二钙： 2CaO·SiO 2 硅酸三钙： 3CaO·SiO 2 铝酸三钙： 3CaO·Al 2 O 3 玻璃 _____________________ 玻璃窑 Na 2 O·CaO·6SiO 2 陶瓷 _____ 石灰石、 黏土 水泥回 转窑 纯碱、 石灰石 和石英 黏土 6. 其他含硅的物质 物质 性质 用途 SiC 俗称 ______ ，具 有 ________ 结构， 硬度很大 砂纸，砂轮 的磨料 含 4% 硅 的硅钢 很高的 _______ 变压器铁芯 硅橡胶 既耐 ____ ，又耐 _____ ，在－ 60 ～ 250 ℃ 保持良好 的弹性 制火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料 人工制造分子筛 ( 铝硅酸盐 ) 有均匀微孔结构 作吸附剂和 催化剂 金刚砂 金刚石 导磁性 高温 低温 　硅酸盐的氧化物形式的改写 　硅酸盐由于组成比较复杂，通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为： [ 温馨提示 ] 　 (1) 写成氧化物形式，是为了简化对硅酸盐组成的表示方法，实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的。 (2) 在改写时各元素的化合价不能改变。 2 ．三硅酸镁常被用来治疗胃酸过多和胃溃疡，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。把三硅酸镁 Mg 2 Si 3 O 8 ·nH 2 O 改写成氧化物的形式为 ____________________________ ，它中和胃酸的化学方程式是 ____________________________ 。 解析： 　将复杂的硅酸盐改写成氧化物的形式，在研究反应实质时可起到化繁为简的作用。 答案： 　 2MgO·3SiO 2 ·nH 2 O 　 2MgO·3SiO 2 ·nH 2 O ＋ 4HCl===2MgCl 2 ＋ 3SiO 2 ＋ (n ＋ 2)H 2 O 1 ． 种类： 单质硅有 _____ 和 _______ 两类。 2 ． 结构： 晶体硅的结构与 _______ 相似。 晶体 无定形 金刚石 3 ． 性质 (1) 物理性质 (2) 化学性质：在常温下化学性质不活泼，但 能与 _____________ 发生反应。 色、态 光泽 熔点 硬度 质地 导电性 ____________ __________ ___ ___ ___ ______ 氢氟酸、强碱 灰黑色 固体 金属 光泽 高 大 脆 半导体 4 ． 用途 (1)___________ ， 如硅芯片等。 (2)_________ ，如光电池等。 半导体材料 新型能源 　单质硅的化学性质 1 ． 在常温下，能与 F 2 、氢氟酸和强碱溶液反应 (1) 与氟气反应： Si ＋ 2F 2 ===SiF 4 (2) 与氢氟酸反应： Si ＋ 4HF===SiF 4 ↑＋ 2H 2 ↑ (3) 与 NaOH 溶液反应： Si ＋ 2NaOH ＋ H 2 O===Na 2 SiO 3 ＋ 2H 2 ↑ 3 ． ( 厦门市检测 ) 有科学家认为：硅是“ 21 世纪的能源”、“未来的石油”，下列有关硅可能成为新型能源的叙述中不正确的是 ( 　　 ) A ．自然界存在大量硅单质 B ．自然界的硅易开采，且可再生 C ．硅燃料便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是优质燃料 D ．硅燃料燃烧放出的热量多，其燃烧产物对环境的污染容易有效地控制 解析： 　在自然界中硅全部以化合态形式存在，故 A 不正确；自然界中硅含量丰富，硅燃料便于运输、贮存，且燃烧放出热量多，这是可能成为新型能源的依据。 答案： 　 A 下列关于二氧化硅的叙述中，正确的是 ( 　　 ) A ．二氧化硅不溶于水，也不与水反应生成对应的酸 B ．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应 C ．二氧化硅在高温下与碳酸钠发生反应生成硅酸钠，产生 CO 2 ，说明硅酸的酸性强于碳酸，这就是用较强的酸制较弱的酸 D ．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差异 解析： 　 SiO 2 是由 Si 和 O 按 1∶2 的比例所组成的立体网状结构的晶体，不存在 SiO 2 分子，而二氧化碳则是由碳、氧原子结合成的分子，在组成物质的微粒及微粒间的相互作用方面有很大的区别，这些结构上的区别反映在性质上就是物理性质有很大差别，二氧化硅在常温下为固体，熔点、沸点高，硬度大，不溶于水及一般溶剂，而二氧化碳在常温下为气体，熔点、沸点低，可溶于水形成碳酸。二氧化硅为酸性氧化物。因为二氧化硅可与碱溶液反应，生成盐和水，二氧化硅不能与一般的酸反应，但它可与氢氟酸反应，化学方程式为： 答案： 　 AD [ 思考感悟 ] 　解答该类题时要注意以下两个易出错的问题： (1)SiO 2 既能与 NaOH 溶液反应，也能与氢氟酸反应，但 SiO 2 不属于两性氧化物而属于酸性氧化物。 (2)SiO 2 和 CO 2 的物理性质差别很大，是由于二者结构上的差别造成的， SiO 2 是立体网状结构的晶体，不存在 SiO 2 分子，而 CO 2 是由碳、氧原子结合成的分子，微粒间的作用力远小于 SiO 2 。 1 ．下列试剂可用带磨口玻璃塞的玻璃试剂瓶保存的是 ( 　　 ) A ．氢氟酸　　　　　 B ．硫酸 C ．碳酸钠溶液 ( 具有碱性 ) D ．氢氧化钠溶液 解析： 　 玻璃的成分中含 SiO 2 ， SiO 2 可与 Na 2 CO 3 、 NaOH 反应生成 Na 2 SiO 3 而将瓶塞和瓶壁粘结在一起，故盛放 Na 2 CO 3 溶液、 NaOH 溶液的试剂瓶应用橡胶塞 ( 或软木塞 ) ；氢氟酸可腐蚀玻璃，故氢氟酸应用塑料瓶盛放而不能用玻璃瓶。 答案： 　 B 为确认 HCl 、 H 2 CO 3 、 H 2 SiO 3 的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的 ( 不必选其他酸性物质 ) 。请据此回答： (1) 锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为 ________ 。 (2) 装置 B 所盛的试剂是 ________________ ，其作用是 __________________ 。 (3) 装置 C 所盛试剂是 __________________ ， C 中反应的离子方程式是 ____________________________ 。 (4) 由此可得出的结论是：酸性 ________>________>________ 。 解析： 　根据强酸＋弱酸盐 ― → 弱酸＋强酸盐分析可知，分液漏斗中盛装盐酸， A 中盛放 Na 2 CO 3 ，根据 Na 2 CO 3 ＋ 2HCl===2NaCl ＋ H 2 O ＋ CO 2 ↑ 可以知道酸性 HCl 强于 H 2 CO 3 ，然后将生成的 CO 2 通入 Na 2 SiO 3 溶液中，反应为 Na 2 SiO 3 ＋ CO 2 ＋ H 2 O===H 2 SiO 3 ↓ ＋ Na 2 CO 3 ，由此判断酸性 H 2 CO 3 >H 2 SiO 3 ，但需注意的是 A 中反应会有 HCl 气体逸出，故通入 Na 2 SiO 3 溶液前需将 HCl 吸收，但不能吸收 CO 2 ，故可选用饱和 NaHCO 3 溶液。 2 ．下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．硅酸不溶于水，因此不与 NaOH 溶液反应 解析： 　硅酸不溶于水，但与 NaOH 反应： H 2 SiO 3 ＋ 2NaOH===Na 2 SiO 3 ＋ 2H 2 O 。 B 项中该反应之所以能发生是高温条件下 CO 2 以气体形式逸出，使反应进行得较彻底，是利用 SiO 2 、 CO 2 沸点的不同，而不是利用硅酸、碳酸酸性的强弱。 C 项符合 “ 强酸制弱酸 ” 的一般规律。 SiO 2 不溶于水，也不能与水反应，则 D 项错误。 答案： 　 C 矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的，此处所指的风化作用是指矿物与水和 CO 2 同时作用的过程。例如长石 (KAlSi 3 O 8 ) 风化生成黏土 [Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 ] ，此时反应的离子方程式为： (1) 将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式： ① KAlSi 3 O 8 ： _________________________________ ； ② Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 ： _________________________________ 。 (2) 上述反应能够发生的原因是 ________________________________ 。 解析： 　 (1) 将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物时，需将除 O 以外所有的元素写出其常见氧化物，并用 “ · ” 将它们合起来，但需注意各种原子个数比符合原来的组成，并在某种 ( 或几种 ) 氧化物前加合适的化学计量数。 ① K 2 O·Al 2 O 3 ·6SiO 2 ② Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O (2) 分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的复分解反应，由于 H 2 CO 3 酸性强于 H 2 SiO 3 ，发生了 “ 较强的酸制较弱的酸 ” 的反应。 答案： 　 (1) ① K 2 O·Al 2 O 3 ·6SiO 2 ② Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O (2)H 2 CO 3 的酸性比 H 2 SiO 3 的酸性强，由较强的酸可制得较弱的酸 [ 思考感悟 ] 　解答此类题目的三个步骤： 答案： 　 D 下列关于硅的说法不正确的是 ( 　　 ) A ．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体 B ．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料 C ．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应 D ．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 思路点拨： 　 解析： 　硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料；硅的化学性质稳定、常温下可与 F 2 、 HF 、强碱溶液反应，加热和高温下可与 O 2 、 Cl 2 等非金属发生反应。 答案： 　 C (6)SiO 2 是熔点最高的非金属氧化物， H 2 SiO 3 是常温下呈固态的酸。 (7) 硅酸钠叫泡花碱，但它是盐，水溶液俗称水玻璃，但它和玻璃的成分并不相同。 (8) 硅与烧碱溶液反应的实质和铝与烧碱溶液反应的实质相似，其中的氧化剂都是水。 (9) 硅具有 “ 亲氟 ” 性： Si ＋ 2F 2 ===SiF 4 　 Si ＋ 4HF===SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 ↑ SiO 2 ＋ 4HF===SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 O 下列有关叙述错误的是 ( 　　 ) A ． 2 个反应都是氧化还原反应 B ． 2 个反应都是置换反应 C ．反应①中 Si 是还原剂 D ．上述 2 个反应互为可逆反应 解析： 　 由题给方程式可知，①、②两个反应都是置换反应，置换反应都为氧化还原反应，①中氢元素化合价由＋ 1 → 0 ， HCl 为氧化剂， Si 为还原剂， A 、 B 、 C 项正确；可逆反应的反应条件必须相同，而①、②反应条件不同，不是可逆反应， D 项错误。 答案： 　 D 热点实验　晶体硅的制备的方法探究 [ 探究举例 ] 　晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下： ①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅； (3) 用 SiHCl 3 与过量 H 2 反应制备纯硅的装置如下图所示 ( 热源及夹持装置略去 ) ： ①装置 B 中的试剂是 ____________________ 。装置 C 中的烧瓶需要加热，其目的是 ________________________ 。 ②反应一段时间后，装置 D 中观察到的现象是 ______________________ ，装置 D 不能采用普通玻璃管的原因是 ______________________ ，装置 D 中发生反应的化学方程式为 ______________________ 。 ③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及 ______________________________________________________ 。 ④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂 ( 填写字母代号 ) 是 ________ 。 a ．碘水　 b ．氯水　 c ． NaOH 溶液　 d ． KSCN 溶液　 e ． Na 2 SO 3 溶液 解析： 　 由于 SiHCl 3 极易自燃、极易和水反应，因此用一般的化学方法难以提纯，又由于 SiHCl 3 的沸点和所含杂质的沸点相差较大，故可以采用分馏 ( 或蒸馏 ) 的方法。 由 (3) 中实验装置图可以看出 A 为制取氢气的装置， B 为干燥氢气的装置。由 SiHCl 3 的沸点可知其在常温下为液态，对 C 装置加热可以使其汽化，以保证它和氢气充分接触并进入 D 中，在较高温度下反应得到单质硅。由于是对微量铁单质的检验，三价铁离子遇 KSCN 溶液变色最为灵敏，所以应把铁转 变为三价铁离子。 1 ． NaOH 、 KOH 等碱溶液可以贮存在下列哪种试剂瓶中 ( 　　 ) A B C D 解析： 　碱可以与玻璃中的 SiO 2 反应，因此碱液只能贮存在带橡胶塞的细口瓶中。 答案： 　 B 2 ．关于地壳中含量占第一位与第二位的元素之间形成的化合物，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．可溶于水，显酸性 B ．化学性质不活泼 C ．是酸性氧化物，不溶于任何酸 D ．熔沸点较低，物理性质类似于 CO 2 解析： 　 Si 与 O 元素形成的化合物是 SiO 2 ，其熔沸点高，不溶于水，只与氢氟酸反应，物理性质与 CO 2 有很大差异。 答案： 　 B 3. 奥运金牌“金镶玉”环形玉璧由昆仑玉制成，昆仑玉的成分可简单看成是 Ca 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 ，则其用二氧化硅和金属氧化物的形式可表示为 ( 　　 ) A ． CaO·MgO·SiO 2 ·H 2 O B ． 2CaO·5MgO·8SiO 2 ·H 2 O C ． 2CaO·MgO·SiO 2 ·2H 2 O D ． 5CaO·2MgO·8SiO 2 ·H 2 O 答案： 　 B 4 ．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是 ( 　　 ) ①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素　 ②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品　③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维　④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料 A ．①②　　 B ．②③ C ．①④ D ．③④ 解析： 　 光导纤维的成分是 SiO 2 ，③错；水晶的成分是 SiO 2 ，而不属于硅酸盐，②错。故 C 项正确。 答案： 　 C 5 ．已知 A 是一种装饰品的主要成分，根据下图转化关系，回答下列问题。 (1)A 用途 ______________( 任写一种 ) ， B 是 ________ ， D 是 ________ 。 (2) 写出化学方程式 ① _________________________________ 。 ④ _________________________________ 。 (3) 写出离子方程式 ② _________________________________ 。 ③ _________________________________ 。 ⑤ _________________________________ 。 解析： 　由 A 是一种装饰品的主要成分，与纯碱反应， A 可能是 SiO 2 ， SiO 2 与纯碱反应生成 Na 2 SiO 3 和 CO 2 ，二者在水中可反应生成 H 2 SiO 3 ，而 H 2 SiO 3 受热分解又可生成 SiO 2 ，所以 A 是 SiO 2 ， B 是 Na 2 SiO 3 ， D 是 H 2 SiO 3 。 练规范、练技能、练速度