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高一化学 无机非金属材料的主角——硅 教案

高一化学无机非金属材料的主角——硅 教案

 


1.了解SiO2的结构、性质和用途。(重点)

2.了解硅酸的制备和化学性质。

3.了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。

4.了解硅的性质和用途。(重点)

5.了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。



 二氧化硅和硅酸

[基础·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的存在形式有结晶形和无定形两大类,水晶、玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。

(2)结构

SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为1∶2的比例组成的立体网状结构的晶体。每个硅原子周围结合4个O原子,每个O周围结合2个Si原子。

(3)物理性质

熔点高;硬度大;溶解性:不溶于水。

(4)化学性质(写出有关化学方程式)


(5)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石英和玛瑙制作饰物和工艺品。

④实验室中使用石英坩埚。

教材整理2 硅酸(H2SiO3)

1.物理性质

硅酸是一种难溶于水的白色胶状物。

2.化学性质

(1)弱酸性

向Na2SiO3溶液中通入CO2,生成白色沉淀,反应的化学方程式为Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓。

结论:H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。

(2)不稳定性

H2SiO3不稳定,受热易分解,反应的化学方程式为H2SiO3△(=====)H2O+SiO2。

3.制备

Na2SiO3溶液中加入盐酸,反应的化学方程式为Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3(胶体)。

4.存在及用途

(1)浓度小且边加边振荡时,形成硅酸溶胶(胶体);浓度大时,形成硅酸凝胶。

(2)硅胶

硅酸凝胶经干燥脱水得到的硅酸干凝胶,称为“硅胶”,具有很强的吸水性,常用作干燥剂或催化剂的载体。

[探究·升华]

[思考探究]

探究1 SiO2的主要性质及应用

(1)为什么实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶要用橡胶塞而不能用玻璃塞?(玻璃的成分中含有SiO2)

【提示】 当玻璃瓶配玻璃塞时,瓶口内壁和瓶塞外壁都进行了磨砂处理。玻璃中含SiO2,磨砂玻璃遇到强碱如NaOH溶液时,SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3,使试剂瓶受腐蚀。Na2SiO3溶液有良好的黏结性,它易使瓶口与瓶塞黏在一起而难以开启。故使用橡胶塞而不能使用玻璃塞。

(2)实验室能否用玻璃瓶保存氢氟酸?为什么?写出反应方程式。

【提示】 不能。因为氢氟酸腐蚀玻璃,和玻璃中的成分SiO2反应。

SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。

(3)写出SiO2、CO2与CaO反应的化学方程式。

【提示】 SiO2+CaO△(=====)CaSiO3、

CO2+CaO===CaCO3。

探究2 硅酸的制备实验探究

实验

操作


实验

现象

滴加酚酞溶液后溶液呈红色,滴加稀盐酸后溶液变为无色,有透明胶状物生成

结论

Na2SiO3溶液呈碱性;滴加稀盐酸后反应的化学方程式为Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3(胶体)

向Na2SiO3溶液中通入CO2气体,现象是__________,其离子方程式为____________,然后改加NaOH溶液,反应的离子方程式为____________。

【提示】 生成白色沉淀 SiO3(2-)+CO2+H2O===H2SiO3↓+CO3(2-) 

H2SiO3+2OH-===SiO3(2-)+2H2O

[认知升华]

升华1 SiO2和CO2的比较

 

SiO2

CO2

熔、沸点

状态

无色晶体

气态

与水反应

不反应

CO2+H2OH2CO3

与酸反应

只与氢氟酸反应

不反应

与碱性氧

化物反应

CaO+SiO2高温(=====)CaSiO3

CO2+CaO===CaCO3

与碱反应

SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O

CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O

与某些

盐反应

SiO2+Na2CO3高温(=====) Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3高温(=====)CaSiO3+CO2↑

CO2+H2O+Na2CO3===2NaHCO3 CO2+H2O+Na2SiO3=== H2SiO3↓+Na2CO3

与碳反应

SiO2+2C高温(=====)Si+2CO↑

CO2+C△(=====)2CO

升华2 硅酸的主要性质及应用

(1)硅酸是中学化学中惟一一个不溶于水的酸,硅酸酸性很弱、不能使酸碱指示剂变色。

(2)实验室制取硅酸的方法是可溶性硅酸盐与酸反应。

(3)硅酸的性质:①具有酸性,酸性比碳酸弱;②受热易分解。

(4)硅酸浓度小时可形成硅酸溶胶,浓度大时可形成硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水得到硅胶(或硅酸干凝胶),具有较强的吸水性,常用作干燥剂及催化剂载体。

[题组·冲关]

题组1 SiO2的性质与应用

1.关于二氧化硅,下列叙述不正确的是(  )

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质上有很大差别

C.二氧化硅不溶于水,也不能跟水起反应生成酸

D.二氧化硅是一种酸性氧化物,它不跟任何酸起反应

【解析】 水晶的主要成分为SiO2,A项正确;CO2是由分子构成的,而SiO2是Si和O按1∶2组成的空间立体网状结构的晶体,二者物理性质差别较大,B项正确;SiO2不溶于水也不与水反应,C项正确;SiO2可以与氢氟酸反应,D项错误。

【答案】 D

2.下列说法不正确的是(  )

A.因SiO2不溶于水,故SiO2不是酸性氧化物

B.在反应SiO2+2C高温(=====)Si+2CO↑中SiO2作氧化剂

C.SiO2是一种空间立体网状结构的晶体,熔点高、硬度大

D.氢氟酸能够刻蚀玻璃,故不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸

【解析】 A项,SiO2不溶于水,但它能与碱反应生成硅酸盐和水,是酸性氧化物,错误;B项,在该反应中SiO2被C还原为Si,SiO2作氧化剂,正确;C项,由于SiO2是一种空间立体网状结构的物质,故熔点高,硬度大,正确;D项,SiO2能与氢氟酸反应,故常用氢氟酸刻蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛装氢氟酸,正确。

【答案】 A

题组2 H2SiO3的性质、制备与应用

3.下列关于硅酸的说法正确的是(  )

A.硅酸可以通过SiO2和水的化合反应直接制得

B.用反应Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓制取硅酸是利用了可溶性酸制难溶性酸的性质

C.因为硅酸难溶于水,所以它不能与NaOH溶液反应

D.硅胶可用作袋装食品的干燥剂

【解析】 SiO2不能与水反应生成硅酸,A错误;B中反应是利用了强酸制弱酸的性质,B错误;硅酸虽难溶于水,但可与强碱溶液反应生成硅酸盐,C错误。

【答案】 D

4.碳酸的酸性比硅酸强,某化学课外小组搜集了大量的证据证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性。其中能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是(  )

A.CO2溶于水形成碳酸,SiO2难溶于水

B.CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀

C.高温下SiO2与碳酸钙、碳酸钠等固体反应生成CO2

D.氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出气体,通入可溶性硅酸盐溶液中生成沉淀

【解析】 根据强酸制弱酸的原理,CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀,此项实验事实可证明碳酸的酸性比硅酸强。

【答案】 B

5.为了进一步确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱,有人设计用下图所示装置进行一次实验即可达到目的(不必再选用其他酸性溶液)。


请回答:

(1)A中的化学反应方程式可能为__________________________________。

(2)B装置的作用是_____________________________________________。

(3)C中的现象有_____________,反应离子方程式为__________________。

(4)根据实验,三种酸的强弱顺序为_____________,其依据为__________

______________________________________________________________。

【答案】 (1)CaCO3+2HCl===CaCl2+CO2↑+H2O

(2)除去CO2中的HCl,防止HCl与Na2SiO3反应

(3)产生白色胶状沉淀 CO2+H2O+SiO3(2-)===H2SiO3(胶体)+CO3(2-)

(4)HCl>H2CO3>H2SiO3 强酸制弱酸


硅酸盐和硅单质

[基础·初探]

教材整理1 硅酸盐

1.硅酸盐的组成与表示

(1)定义:由硅、氧和金属组成的化合物的总称。

(2)性质:结构复杂,大多不溶于水,化学性质稳定。

(3)表示:通常以二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。例如,

①Na2SiO3:Na2O·SiO2。

②长石(KAlSi3O8):K2O·Al2O3·6SiO2。

③镁橄榄石(Mg2SiO4):2MgO·SiO2。

【特别提醒】 以氧化物形式表示硅酸盐组成的方法

(1)方法:找出组成元素;写出氧化物的形式;注意原子守恒;检查有无遗漏。

(2)氧化物的顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。

(3)氧化物前化学计量数配置原则:除氧元素外,其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置化学计量数,如果出现分数,扩大倍数化为整数。

(4)氧化物之间用“·”隔开。

2.最简单的硅酸盐——Na2SiO3

 

3.三种常见的硅酸盐产品——无机非金属材料

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

石和石英砂

玻璃窑

Na2O·CaO·6SiO2

陶瓷

黏土

4.其他含硅物质

(1)SiC:俗称金刚砂,类似金刚石的结构和性能。

(2)含4%硅的硅钢具有导磁性,用作变压器铁芯。

(3)硅橡胶:耐高温又耐低温。

(4)人造分子筛:作吸附剂和催化剂。

教材整理2 硅单质

1.种类及结构

单质硅分为晶体和无定形两种,晶体硅的结构与金刚石类似。

2.性质

(1)物理性质

色、态

光泽

熔点

硬度

质地

导电性

灰黑色固体光泽

金属

半导体

(2)化学性质

在常温下化学性质不活泼,但能与氟气、HF、NaOH溶液发生反应。

3.用途

(1)半导体材料,如硅芯片等。

(2)新型能源,如光电池等。

【特别提醒】 硅单质性质的特殊性

(1)一般情况下,非金属元素单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅和金刚石熔、沸点高,硬度大,其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。

(2)一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体,石墨为电的良导体。

(3)Si的还原性大于C,但单质C在高温下能从SiO2中还原出Si:SiO2+2C高温(=====)Si+2CO↑。

(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂,且无氢气放出,但硅与碱溶液反应只作还原剂,且反应能放出氢气:Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。

(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能与氢氟酸反应:Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。

[题组·冲关]

题组1 硅酸盐的组成、性质和应用

1.下列关于硅酸盐的说法中正确的是(  )

A.硅酸盐都难溶于水

B.Na2SiO3是一种最简单的硅酸盐,其水溶液可用作黏合剂

C.硅酸盐通常可用氧化物的形式表示,说明硅酸盐就是由各种氧化物组成的

D.硅酸盐工业使用的每一种原料都含有硅

【解析】 A项,Na2SiO3可溶于水,错误;C项,硅酸盐可用氧化物的形式表示,但不是由各种氧化物组成,错误;D项,所用原料可能不含硅,错误。

【答案】 B

2.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

B.镁橄榄石(Mg2SiO4),表示为MgO·2(1)SiO2

C.钾云母(K2Al6Si6H4O24),表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2

D.高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4],表示为Al2O3·2SiO2·2H2O

【解析】 A项,Ca(Al2Si3O10)·3H2O应表示为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O(排序错);B项,Mg2SiO4应表示为2MgO·SiO2(不能在系数中出现分数);C项,K2Al6Si6H4O24应表示为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O(排序错)。

【答案】 D

3.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中正确的是(  )

A.它是一种纯净物,既不燃烧也不易腐蚀

B.水玻璃是生产玻璃的主要原料之一

C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧

D.水玻璃的化学性质稳定,在空气中不易变质

【解析】 水玻璃是硅酸钠的水溶液,A错误;水玻璃易与空气中的二氧化碳反应,D错误。

【答案】 C

题组2 硅单质及其化合物的性质及综合应用

4.硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是(  )

A.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料

B.粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应

C.反应:Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑中,Si为还原剂,NaOH和H2O为氧化剂

D.盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅

【解析】 C项只有H2O是氧化剂;D项盐酸与Si不反应,氢氟酸才可。

【答案】 A

5.下图中的每一方格表示相关的一种反应物或生成物。其中,B是一种单质,其余物质也都是含B元素的化合物。C是一种钠盐,E是C对应的酸,B的结构类似金刚石,D为B的氧化物(其他不含B元素的反应产物以及各步反应添加的必要试剂和反应条件已被略去)。请填写空白:


(1)A、D、E的化学式分别为________、________、________。

(2)A和B的相互转化在工业上有什么实际意义?

__________________________________________________________。

(3)写出D→C反应的化学方程式:___________________________________

______________________________________________________________。

(4)写出E→D反应的化学方程式:_______________________________

___________________________________________________________。

【解析】 本题的突破口是:“B是一种单质”,“B的结构类似金刚石”。据此,容易推断出B是晶体硅。硅与氯气在加热条件下生成SiCl4,因此,A为SiCl4,SiCl4可以被氢气还原得纯净的硅。根据D为B的氧化物且能转化成B(Si),可知D为SiO2,由此可知其他答案。

【答案】 (1)SiCl4 SiO2 H2SiO3

(2)粗硅提纯

(3)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O

(4)H2SiO3△(=====)SiO2+H2O

【题后归纳】 Si的制备与提纯

SiO2C粗SiCl2SiCl4H2Si

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