高中-化学：4无机非金属的主角——硅 52页

1.了解SiO2、H2SiO3的主要性质。 2.了解硅、硅酸盐的主要性质。 3.了解几种重要无机非金属材料的 生产及用途。 4.了解晶体硅的重要用途。 硅在地壳中的含量仅次于 ，硅的氧化物和硅酸盐 约占地壳质量的90%以上；硅原子最外层有 个电子，主 要形成 价的化合物。 氧 4＋4 一、二氧化硅 1．存在 存在形态有 形和 形两大类，水晶、 玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。 2．物理性质 熔点 硬度 溶解性 高 大 不溶于水 无定结晶 3.化学性质 4．用途 (1)沙子是基本的建筑材料。 (2)纯净的SiO2是现代光学及光纤制品 的基本原料，可以制作光导纤维。 (3) 和玛瑙制作饰物和工艺品。石英 保存NaOH溶液时能使用玻璃塞吗？为什么？ 【思考·提示】　不能。因NaOH会与玻璃 的主要成分SiO2反应，生成的Na2SiO3溶液会使 瓶塞与瓶壁粘连在一起。 思考 二、硅酸 1．硅酸的性质 (1)弱酸性 向Na2SiO3溶液中通入CO2，反应的化学 方程式为Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋ Na2CO3。 结论：H2SiO3酸性比H2CO3酸性 。 (2)不稳定性 弱 2．硅酸的制备 可溶的硅酸盐与较强的酸反应可制得硅酸，Na2SiO3与盐酸反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋ 2NaCl。 3．硅酸的存在及用途 (1)浓度小时：形成硅酸溶胶； (2)浓度大时：形成 。 (3)硅胶 硅酸凝胶经干燥脱水得到的硅酸干凝胶称为“ ”， 具有强的 ，常用作干燥剂或催化剂的载体。 硅胶 吸水性 硅酸凝胶 三、硅酸盐 1．概念：硅酸盐是由硅、氧和金属元素 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 多不溶于水，化学性质很 。 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：Na2SiO3： ； 长石KAlSi3O8： ； 4．最常见的硅酸盐——Na2SiO3 Na2SiO3的水溶液俗称 ，能制备硅胶和木 材防火剂。 水玻璃 Na2O·SiO2 K2O·Al2O3·6SiO2 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 石灰石、黏土 水泥回 转窑 硅酸二钙　2CaO·SiO2 硅酸三钙　3CaO·SiO2 铝酸三钙　3CaO·Al2O3 玻璃 纯碱、石灰石、 石英 玻璃窑 Na2O·CaO·6SiO2 陶瓷 黏土 6.其他含硅的物质 物质 性质 用途 SiC 俗称金刚砂，具有 结构，硬度很大 砂纸、砂轮的 磨料 含4%硅的硅钢 很高的导磁性 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 金刚石 低温高温 四、硅单质 1．种类：单质硅有 和 两类。 2．结构：晶体硅的结构与金刚石相似。 3．性质 (1)物理性质： 晶体 无定形 色、态 光泽 熔点 硬度 质地 导电性 灰黑色固体 金属光泽 高 大 脆 半导体 (2)化学性质：在常温下化学性质不活 泼，但能与 、 发生反应。 4．用途 (1)半导体材料，如硅芯片等。 (2)新型能源，如光电池等。 氢氟酸 强碱 CO2和SiO2的比较 CO2 SiO2 不 同 点 熔、沸点 低 高 状态 气态 无色晶体 与水反应 CO2＋H2O H2CO3 不反应 与酸反应 不反应 只与氢氟酸反应SiO2＋ 4HF===SiF4↑＋2H2O 　虽然SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与 氢氟酸反应，但SiO2却不属于两性氧化物而属于 酸性氧化物。 特别提醒 下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是(　 　) A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐 B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸 C．CO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物 D．CO2和SiO2都是由相应的分子组成的 【解析】　虽然SiO2是H2SiO3的酸酐，但CO2可溶于水生成H2CO3， SiO2却不能溶于水生成H2SiO3，B错误；SiO2与CO2都是酸酐，都是酸性氧化 物，A正确，C错误；CO2是由CO2分子构成的，而SiO2则是由硅原子和氧原子 构成的，SiO2中不存在分子，D错误。 【答案】　A 1．下列关于二氧化硅的说法中正确的是(　 　) A．二氧化硅分子由一个硅原子和两个氧 原子构成 B．在二氧化硅晶体中，每个硅原子周围 结合4个氧原子 C．二氧化硅可用来制作干燥剂 D．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任 何酸 解析：选B。SiO2晶体中不存在单个分子，其结构中每个硅原子周围 结合4个氧原子，每个氧原子周围结合2个硅原子，所以硅原子与氧原子的个 数比为1∶ 2，化学式写作SiO2，故A错误，B正确；硅酸在一定条件下制得硅 胶，硅胶可用作干燥剂，C错误。SiO2是酸性氧化物，但常温下可与氢氟酸反 应，D错误。 1．硅酸 二氧化硅对应的水化物是硅酸。 (1)性质 ①硅酸为白色固体，难溶于水。 ②酸性极弱，比碳酸还弱，不能使指示剂发 生变色，只能与强碱反应，例如： H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O ③硅酸不稳定，受热易分解，反应的化学方 程式为： 硅酸与碳酸的对比 (2)制备 由于二氧化硅不能与水化合，所以制备 硅酸时只能使用间接的方法，如向Na2SiO3溶 液中滴加盐酸或通入CO2气体等，利用的原 理都是：强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐。 如：CO2＋Na2SiO3＋H2O===H2SiO3↓＋ Na2CO3 2．碳酸 二氧化碳对应的水化物是碳酸(H2CO3)，碳酸的 酸性很弱(但比H2SiO3强)，且很不稳定。 H2CO3===H2O＋CO2↑ 因此，有关碳酸的化学反应通常用二氧化碳和水 来代替。 为确认HCl、H2CO3、H2SiO3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)由此得到的结论是：酸性：____＞____＞____。 【思路点拨】　解答本题要注意以下两 点： (1)酸性强弱关系比较可利用“强酸＋弱 酸盐―→弱酸＋强酸盐”。 (2)可先制备CO2，再制备H2SiO3，由此 选择合适的药品。 【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Na2CO3，根据Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑可以知道酸 性HCl强于H2CO3，然后将生成的CO2通入Na2SiO3溶液中，反应为Na2SiO3＋CO2＋ H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，由此判断酸性H2CO3＞H2SiO3，但需注意的是A中反应会 有HCl气体逸出，故通入Na2SiO3溶液前需将HCl吸收，但不能吸收CO2，故可选用饱 和NaHCO3溶液。 【答案】　(1)盐酸　(2)饱和NaHCO3溶液　 吸收HCl气体　(3)Na2SiO3溶液　SiO32－＋CO2＋ H2O===H2SiO3↓＋CO32－　(4)HCl　H2CO3　 H2SiO3 2．下列离子方程式书写不正确的是(　　) A．往NaOH溶液中通入少量CO2： CO2＋OH－===HCO3 － B．H2SiO3与NaOH溶液混合： 2OH－＋H2SiO3===2H2O＋SiO32－ C．石英砂与烧碱反应制水玻璃： SiO2＋2OH－===SiO32－＋H2O D．往水玻璃中通入二氧化碳： Na2SiO3＋H2O＋CO2===H2SiO3↓＋2Na＋＋CO32－ 解析：选AD。A项中通入少量CO2，应生成Na2CO3，而不是NaHCO3，故错 误。B项中H2SiO3是难溶性酸，在离子方程式中应写化学式，正确。C、D中Na2SiO3 为钠盐，溶于水，写离子形式，所以C项正确，D项错误。 1．硅的化学性质 常温下，硅的化学性质不活泼。加热时可与 一些非金属及其他物质反应。 (1)常温下，除能与氟气、氢氟酸和强碱反应 外，硅不与氧气、氯气、硫酸、硝酸、盐酸等其 他物质发生反应。 ①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4； ②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑； ③与NaOH溶液反应： Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 单质硅的化学性质及制备 (2)加热时，硅能与氧气、氯气等反应，也能 与碳反应。 2．硅的制备 硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个 阶段： 1．Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金 属单质，Al是能与NaOH溶液反应放出H2的金属 单质，推断题中常以此点作为突破口。 特别提醒 (2008年高考广东卷改编题)硅单质及其化合 物应用范围很广。请回答下列问题： (1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅， 三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的 主要方法，生产过程示意图如下： ①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方 程式__________________________________ __________________________________________ _____________________________________。 ②整个制备过程必须严格控制无水无氧。 SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种 物质，写出配平的化学反应方程式________ ____________________；H2还原SiHCl3过程中若 混入O2，可能引起的后果是______________ __________________________________________ ________________。 (2)下列有关硅材料的说法正确的是 ________(填字母)。 A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产砂纸、 砂轮等 B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高 温陶瓷和轴承 C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通 讯材料——光导纤维 D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制 成的，其熔点很高 E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光 液抛光单晶硅 【思路点拨】　解答本题要注意以下三点： (1)注意化学反应发生的条件。 (2)分析题目所给信息：无水无氧。 (3)根据性质分析用途。 ②SiHCl3与H2O反应生成H2SiO3、HCl和 H2；用H2还原SiHCl3过程中若混入O2，则高温 下H2与O2反应发生爆炸。 (2)A项，碳化硅硬度很大，可用于生产砂纸、砂轮等，B项，氮化硅熔点高， 硬度大，可用于制作高温陶瓷或轴承。 ②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑ 高温下H2与O2混合发生爆炸　(2)ABC 3．下列关于硅的说法不正确的是(　　) A．硅是非金属元素，但它的单质是灰黑 色有金属光泽的固体 B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间， 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 何物质起反应 D．当加热到一定温度时，硅能与氧气、 氢气等非金属反应 解析：选C。常温下，硅可与氟气、氢氟酸、强碱溶液等反应；加热和高温 条件下，硅能与氧气、氢气起反应。 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： 1．氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物→ 较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。 2．氧化物之间以“·”隔开。 3．氧化物前的化学计量数配置原则：各元 素原子总个数比符合原来的组成。 硅酸盐的氧化物形式的改写 4．化学计量数配置出现分数时应化为整数。 由于硅酸盐的组成与结构很复杂，为了简 化对硅酸盐组成的表示方法，采用了氧化物法， 实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而 是以种种结构复杂的盐的形式存在的。　 特别提醒 用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中 正确的是(　　) A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示为 Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为 K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2 D．石棉[CaMg3Si4O12]，表示为 CaO·3MgO·4SiO2 【答案】　D 4．钾长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土 [Al2Si2O5(OH)4]时反应的离子方程式为： 2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋2HCO3－＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4 (1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式： ①KAlSi3O8_______________________； ②Al2Si2O5(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，只需将除O以外所有的元素 写成其常见氧化物，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)氧化物前加合适系数。 ①KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2Si2O5(OH)4：Al2O3·2SiO2·2H2O (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 H2CO3酸性强于H2SiO3，发生了较强的酸制较弱的酸的反应。 答案：(1)①K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O (2)H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性强