学案412 硅酸盐和硅单质.docx
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学案412硅酸盐和硅单质
第2课时 硅酸盐和硅单质
学习目标
核心素养建构
1.了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。
2.认识硅的性质、用途和制法。
3.了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。
[知识梳理]
一、硅酸盐
1.硅酸盐的组成和性质
2.最简单的硅酸盐——Na2SiO3
3.三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、石英砂
玻璃窑
Na2O·CaO·6SiO2
陶瓷
黏土
Al2O3·2SiO2·2H2O
4.特殊功能的含硅物质
(1)金刚砂(SiC)具有类似金刚石的结构,硬度很大,可用作砂纸、砂轮磨料。
(2)硅钢(含Si4%)具有很高的导磁性,主要用作变压器铁芯。
(3)硅橡胶,既耐高温又耐低温,用于制造火箭、导弹的零件。
(4)人造分子筛(具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)主要作吸附剂和催化剂。
【自主思考】
1.制造玻璃时发生以下反应:
Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑。
该反应能否说明H2SiO3的酸性比H2CO3强?
为什么?
提示 SiO2与Na2CO3反应,是在高温下,且生成的产物是CO2气体,可以脱离反应体系,并不能说明H2SiO3酸性强于H2CO3。
二、硅单质
1.形态及结构
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
金属光泽
高
大
脆
良好半导体
(2)化学性质:
在常温下化学性质不活泼,但能与氢氟酸、强碱发生反应。
①Si与NaOH溶液:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
②Si与氢氟酸:
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
3.用途
(1)半导体材料,如硅芯片等。
(2)新型能源,如光电池等。
【自主思考】
2.单质硅在常温下化学性质不活泼,所以硅在自然界中以游离态存在,这种说法是否正确?
提示 错误。
硅是一种亲氧元素,在自然界中总是与氧相互化合,以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。
所以自然界中无游离态的硅存在。
[效果自测]
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)硅酸钠可以改写为Na2O·SiO2,故硅酸钠是混合物,含有Na2O和SiO2。
( )
(2)硅酸钠俗称水玻璃,是一种防火剂。
( )
(3)硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质。
( )
(4)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。
( )
(5)光电池可以将光能直接转化为电能。
( )
答案
(1)×
(2)× (3)√ (4)√ (5)√
2.下列有关硅及其化合物的说法正确的是( )
A.Si用途广泛,是太阳能电池和光导纤维的主要成分
B.SiO2是硅酸的酸酐,只能与NaOH溶液反应,不能与任何酸反应
C.硅酸酸性比碳酸弱,所以SiO2不能跟Na2CO3反应
D.绝大多数硅酸盐难溶于水,组成复杂,通常用氧化物的形式表示其组成
解析 A项,光导纤维的主要成分是SiO2不是Si;B项,SiO2与氢氟酸反应;C项,SiO2在高温下与Na2CO3可以反应。
答案 D
3.材料与化学密切相关,表中对应关系错误的是( )
材料
主要化学成分
A
刚玉、金刚石
三氧化二铝
B
大理石、石灰石
碳酸钙
C
普通水泥、普通玻璃
硅酸盐
D
光导纤维、石英
二氧化硅
答案 A
4.下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是________(填序号)。
(1)硅广泛存在于自然界中,天然单质硅叫硅石。
(2)硅的导电性介于导体与绝缘体之间。
(3)硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质起反应。
(4)硅酸钠可以写成Na2O·SiO2,故硅酸钠是混合物。
(5)水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。
(6)高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。
解析
(1)硅在自然界中只有化合态,没有游离态,硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在,硅石的主要成分是SiO2,
(1)不正确;
(2)正确;(3)硅在常温下能与F2、HF和强碱溶液反应,(3)不正确;(4)Na2SiO3属于纯净物,(4)不正确;(5)水晶的成分是SiO2,(5)不正确;(6)SiO2用于制光导纤维而不是硅。
答案
(2)
探究一、硅及其化合物的特性和制备
【探究讨论】
1.能与NaOH溶液反应产生H2的单质一定是金属Al吗?
提示 Si和Al都能与NaOH溶液反应生成H2。
2.如何利用二氧化硅制取纯硅?
提示 SiO2+2C
Si+2CO↑,Si+2Cl2
SiCl4,SiCl4+2H2
Si+4HCl。
【点拨提升】
1.硅及其化合物特性
(1)Si、SiO2都能与氢氟酸反应。
(2)常见单质中能与NaOH溶液反应产生H2的有金属Al,非金属Si。
(3)粗硅制备时,要隔绝空气,在电炉中进行,且生成的是CO而不是CO2。
(4)硅酸是不溶于水的弱酸。
2.硅单质的化学性质
(1)在常温下,能与F2、氢氟酸和强碱溶液反应
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↑
(2)加热和高温时,能与O2、Cl2、C等反应
①与O2反应:
Si+O2
SiO2
②与Cl2反应:
Si+2Cl2
SiCl4
③与C反应:
Si+C
SiC
3.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)粗硅的制备:
2C+SiO2
Si(粗硅)+2CO↑
(2)纯硅的制备:
Si(粗硅)+2Cl2
SiCl4、SiCl4+2H2
Si(纯硅)+4HCl。
【典题例证1】 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;
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3:
Si+3HCl
SiHCl3+H2;
③SiHCl3与过量H2在1000~1100℃反应制得纯硅。
已知SiHCl3能与H2O剧烈反应,在空气中易自燃。
请回答下列问题:
(1)第①步制备粗硅的化学反应方程式为___________________________________________
______________________________________________________________________________。
(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下图所示(热源及夹持装置均已略去):
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______________________________________________________________________________。
解析
(1)在高温条件下,用C还原SiO2生成Si和CO。
(2)用Zn、稀硫酸制得的H2中会混有少量水蒸气,而SiHCl3能与H2O剧烈反应,所以要对H2进行干燥,根据装置应选择液态干燥剂——浓硫酸。
装置C用水浴加热SiHCl3使其汽化,和H2进入装置D反应。
因为SiHCl3与H2在1000~1100℃下反应,温度很高,在此温度下普通玻璃会软化,因此不能使用普通玻璃管。
SiHCl3在空气中易自燃,实验时还要注意先通一段时间H2以排尽装置中的空气。
答案
(1)SiO2+2C
Si+2CO↑
(2)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体物质生成 在此反应温度下,普通玻璃会软化
SiHCl3+H2
Si+3HCl
③排尽装置中的空气
【学以致用1】 下列关于硅的说法中,错误的是( )
A.硅是非金属元素,它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体
B.单质硅和金刚石结构相似,但比金刚石硬度小,熔点低
C.硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应
D.加热到一定温度时,硅能与氯气、氧气等非金属反应
解析 硅虽然外形像金属(有金属光泽),但实际上属于非金属;硅原子与碳原子最外层电子数相同,晶体结构相似,但硅晶体比金刚石的硬度小,熔点低;硅的化学性质不活泼,常温能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应,加热至一定温度时,硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。
答案 C
探究二、硅酸盐的组成和性质
【探究讨论】
1.思考:
硅酸盐可写成二氧化硅和金属氧化物的形式,是否可理解成硅酸盐是二氧化硅和金属氧化物的混合物?
提示 不可以。
硅酸盐结构复杂,只是用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示,并不是它们的混合物。
2.请结合硅酸盐的性质,分析在实验室里如何保存Na2SiO3溶液?
如果敞口放置一段时间,溶液会出现什么现象?
提示 由于Na2SiO3溶液能与空气中的CO2反应而变质,故Na2SiO3要密封保存,并放在带橡胶塞的玻璃瓶中。
化学方程式为Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SO3(胶体),所以,敞口放置的Na2SiO3溶液会出现白色胶状沉淀。
【点拨提升】
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:
例如:
钠长石NaAlSi3O8不能写成
Na2O·
Al2O3·3SiO2,应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。
【典题例证2】 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CO2同时作用的过程。
例如长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土[Al2Si2O5(OH)4],此反应的离子方程式为:
2KAlSi3O8+2H2CO3+5H2O===2K++2HCO
+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以外所有的元素写出其常见氧化物,并用“·”将它们合并起来,但需注意各种原子个数比符合原来的组成比。
在某种(或几种)氧化物前加合适的系数。
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,是由于酸性:
H2CO3>H2SiO3,发生了较强的酸制取较弱的酸的反应。
答案
(1)①K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O
(2)较强的酸能制取较弱的酸
【学以致用2】 下列有关叙述中正确的是( )
A.大部分硅酸盐都难溶于水,Na2SiO3是常见的可溶性硅酸盐,其水溶液俗称水玻璃,可用作建筑黏合剂
B.H2SiO3既可由SiO2溶于水制得,也可由Na2SiO3和其他酸(如盐酸)反应制得
C.制普通玻璃、普通水泥时都用到了石灰石和黏土
D.石棉[Mg3Ca(SiO3)4]可表示为氧化物组合的形式:
3MgO·CaO·4SiO2
解析 B项SiO2与水不反应也不溶于水,故错误;C项制玻璃的原料为纯碱、石灰石和石英砂,没有黏土,故错误;D项由于Ca比Mg活泼,故应写为CaO·3MgO·4SiO2,故错误。
答案 A
1.有关硅元素的下列叙述中正确的是( )
A.硅与任何酸都不反应
B.硅元素是构成矿物岩石的主要成分之一,其化合态几乎全部是氧化物和硅酸盐
C.硅的性质很稳定,能以游离态形式存在于自然界中
D.常温时硅不与任何物质反应
解析 硅是亲氧元素,在自然界中全以化合态形式存在,主要是氧化物和硅酸盐的形式,B对,C错误;常温时,硅能与氟气、氢氟酸、氢氧化钠溶液等发生反应,A、D都错误。
答案 B
2.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,其功能远比我们想象的要大得多,这对硅的纯度要求很高。
用化学方法可制得高纯度硅,其化学方程式为:
( )
①SiO2+2C
Si+2CO↑
②Si+2Cl2
SiCl4
③SiCl4+2H2
Si+4HCl。
下列对上述三个反应的叙述中,错误的是( )
A.①③为置换反应
B.②为化合反应
C.①②③均为氧化还原反应
D.三个反应的反应物中硅元素均被还原
解析 反应①③中硅元素被还原,反应②中硅元素被氧化,D错误。
答案 D
3.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[CaAl2Si3O10·3H2O]表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O
B.镁橄榄石(Mg2SiO4)表示为MgO·
SiO2
C.钾云母(K2Al6Si6H4O24)表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2
D.滑石(Mg3H2Si4O12)表示为3MgO·4SiO2·H2O
解析 根据硅酸盐改写氧化物的要求可以判断,A中Al2O3和CaO的排列顺序有误;B中化学计量数出现了
;C中正确的写法应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O;D的写法完全符合要求。
答案 D
4.硅被誉为无机非金属材料的主角。
下列有关说法正确的是( )
A.硅在地壳中含量居第二位,在地球上有丰富的硅资源,如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅
B.在野外,用硅、烧碱的混合物可以制取氢气
C.硅的性质稳定,不与任何酸反应
D.硅是一种良好的半导体材料,所以是制造光导纤维的基本原料
解析 A项,石英、水晶、玛瑙的主要成分为SiO2,错误;C项,硅可与氢氟酸反应,错误;D项,制造光导纤维的基本原料为SiO2,错误。
答案 B
5.硅是无机非金属材料的主角,硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为_____________________________________________________________________,
工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。
(2)用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧,体现Na2SiO3的用途可作________的原料。
(3)工业上常用2C+SiO2
Si+2CO↑制备硅单质,该反应中有元素化合价升高的物质是________(填化学式,下同),氧化剂是________。
解析
(1)SiO2能与NaOH溶液发生反应SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O;氢氟酸能与SiO2发生反应SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O,故常用来雕刻玻璃。
(2)Na2SiO3的水溶液可用作防火材料。
(3)反应2C+SiO2
Si+2CO↑中,碳元素化合价升高,硅元素化合价降低,故单质碳作还原剂,SiO2作氧化剂。
答案
(1)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O 氢氟酸
(2)防火剂 (3)C SiO2