第4章 第1节 第2课时.docx

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第4章第1节第2课时

第2课时　硅酸盐和硅单质

[学习目标定位]　1.知道硅酸钠的性质和用途。

2.学会用氧化物的形式表示复杂硅酸盐的方法。

3.知道玻璃、水泥和陶瓷是硅酸盐制品以及生产它们的主要原料。

4.知道晶体硅是良好的半导体材料，能说出它的主要用途。

一　硅酸盐

1．下列含硅物质：

①硅酸钙CaSiO3，②长石KAlSi3O8，③石棉CaMg3Si4O12，它们在组成上的相同点是都是由硅、氧和金属元素组成的化合物，共同的物质类别是硅酸盐。

它们种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，如硅酸钙CaSiO3可表示为CaO·SiO2，长石表示为K2O·Al2O3·6SiO2，石棉表示为CaO·3MgO·4SiO2。

2．硅酸钠是一种白色固体，可溶于水，其水溶液俗称水玻璃。

若取两个小木条（或滤纸条），分别放入蒸馏水和硅酸钠饱和溶液中浸泡，取出稍沥干后，同时分别放置在酒精灯外焰处，观察到的现象是用蒸馏水浸泡的木条燃烧，用硅酸钠溶液浸泡的木条不燃烧，由此可得出的实验结论是硅酸钠耐高温，不能燃烧。

3．硅酸盐产品有着广泛的应用，大家熟悉的玻璃、水泥和陶瓷是常见的硅酸盐产品，也是使用量最大的无机非金属材料。

（1）阅读教材填写下表：

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

3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3

玻璃

纯碱、石灰石、石英

玻璃窑

Na2O·CaO·6SiO2

陶瓷

黏土

硅酸盐

（2）硅酸盐产品水泥与陶瓷的共同原料是黏土，水泥与玻璃的共同原料是石灰石。

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（含硅4%）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、飞机的零件和绝缘材料等。

（4）人工制造的分子筛（具有均匀微孔结构的铝硅酸盐），主要用作吸附剂和催化剂。

归纳总结

硅酸盐的表示方法及性质

（1）硅酸盐的概念是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。

硅酸盐的表示方法：

①将硅酸盐中所有元素都写成氧化物（二氧化硅和氧化物的组合）。

氧化物的书写顺序：

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在氧化物前面按化学式中的比例添加数字。

（2）最常见的硅酸盐——硅酸钠化学性质相对稳定，不易腐蚀，不能燃烧，热稳定性强，其水溶液呈碱性，能与酸反应，其离子方程式为SiO＋2H＋===H2SiO3↓。

1．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

答案　D

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。

2．歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”、“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料的成分一直是个谜。

近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡（BaCuSi2Ox，铜为＋2价），下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是（　　）

A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2

B．性质稳定，不易脱色

C．易溶于强酸和强碱

D．x等于6

答案　C

解析　BaCuSi2Ox中Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，O为－2价，由化合价规则：

（＋2）＋（＋2）＋2×（＋4）＋（－2）x＝0，得x＝6，则用氧化物形式表示硅酸铜钡为BaO·CuO·2SiO2，A、D项正确；由题干信息可知硅酸铜钡性质稳定，不易脱色，故B项正确，C项错误。

二　硅单质

1．单质硅可分为晶体硅和无定形硅两种。

晶体硅结构如图所示，为具有正四面体形网状结构的晶体，与金刚石结构相似。

晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体，根据其结构分析可知，晶体硅熔点高、硬度大、有脆性。

晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

2．硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。

常温下，除与F2、HF和强碱溶液反应外，硅不与其他物质（如强酸和强氧化剂）反应。

加热时，硅能与O2、Cl2、C发生化合反应。

归纳总结

1．物理性质

色、态

光泽

熔点

硬度

导电性

质地

灰黑色固体

金属光泽

高

大

半导体

脆

2.化学性质

3．我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。

下列对晶体硅的有关叙述正确的是（　　）

A．晶体硅和金刚石的物理性质相似

B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应

C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵

D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电

答案　A

解析　晶体硅的结构与金刚石相似，是具有正四面体形的空间立体网状结构，所以物理性质与金刚石相似，熔、沸点高，硬度大；硅的化学性质不活泼，但常温下可与F2、HF和强碱反应；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛使用；晶体硅是一种非金属单质，虽然它具有金属光泽。

4．硅被誉为无机非金属材料的主角，下列物品用到硅单质的是（　　）

A．陶瓷餐具B．石英钟表

C．计算机芯片D．光导纤维

答案　C

1．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是（　　）

A．这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀

B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料

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

答案　D

解析　水玻璃是一种矿物胶，可作黏合剂、耐酸水泥掺料，木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧，水玻璃的化学性质稳定，但在空气中易与二氧化碳反应生成硅酸。

2．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：

“中国至少在距今3000年以前，就已经使用玻璃了。

”下列有关普通玻璃的说法不正确的是（　　）

A．制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英

B．玻璃在加热熔化时有固定的熔点

C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅

D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起

答案　B

解析　普通玻璃以纯碱、石灰石和石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融制得，A正确；玻璃是混合物，没有固定的熔点，B错误；普通玻璃的大致组成为：

Na2O·CaO·6SiO2，C正确；二氧化硅易与碱液反应生成Na2SiO3，Na2SiO3具有很强的黏合性，因此盛NaOH等强碱性溶液的试剂瓶不得用玻璃塞，D正确。

3．美国“9·11”恐怖袭击事件给纽约带来了一场严重的环境灾难——石棉污染，易使吸入石棉纤维者患肺癌。

已知石棉是硅酸盐矿物，某种石棉的化学式可表示为Ca2MgxSiyO22（OH）2，其中x、y的值分别为（　　）

A．5,8B．8,3

C．3,8D．8,5

答案　A

解析　Ca元素为＋2价，Mg元素为＋2价，Si元素为＋4价，O元素为－2价，氢氧根离子为－1价，则有（＋2）×2＋（＋2）×x＋（＋4）×y＋（－2）×22＋（－1）×2＝0，化简得x＋2y＝21。

将四个选项中x、y的值代入，只有A符合。

4．青石棉（crocidolite）是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22（OH）2，青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是（　　）

A．青石棉是一种硅酸盐产品

B．青石棉中含有一定量的石英晶体

C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O

D．1mol青石棉能使1molHNO3被还原

答案　B

解析　硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素（主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等）结合而成的化合物的总称，所以青石棉是一种硅酸盐产品，A正确；硅酸盐中不含二氧化硅，所以青石棉中不含石英晶体，B错误；硅酸盐写成氧化物形式的先后顺序为活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水，所以青石棉的化学组成用氧化物的形式可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O，C正确；青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，N元素由＋5价降低到＋2价，得三个电子，因为青石棉中含有二价铁离子，根据氧化还原反应中得失电子相等可得青石棉与被还原硝酸的关系式为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O～HNO3，所以1mol青石棉能使1mol硝酸被还原，D正确。

5．有一粗硅，含杂质铁，取等质量的样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的H2，则该粗硅中铁和硅的关系正确的是（　　）

A．物质的量之比为1∶1

B．质量之比为4∶1

C．物质的量之比为1∶2

D．质量之比为2∶1

答案　B

解析　根据电子得失：

可知铁与盐酸反应：

Fe～H2，而硅与氢氧化钠反应：

Si～2H2，放出等量的H2，设生成氢的量为2mol，所以粗硅中铁和硅的物质的量之比为2∶1，质量之比为（2×56）∶（1×28）＝4∶1，B正确。

6．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

答案　C

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F2、HF、强碱溶液反应，加热或高温下可与O2、Cl2等一些非金属发生反应。

40分钟课时作业

[经典基础题]

题组一　Si的性质

1．硅及其化合物在材料领域中应用广泛。

下列叙述中，正确的是（　　）

A．上图是常见于汽车中的小摆件“苹果花”，它的动力是以Si为原料制作的太阳能电池

B．晶体硅主要用途是制造光导纤维

C．硅是地壳中含量最多的元素

D．硅的化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在

答案　A

解析　晶体硅是良好的半导体材料，主要用途是制作太阳能电池、集成电路，A正确、B错误；氧是地壳中含量最多的元素，C错误；硅是亲氧元素，在自然界中以化合态形式存在，D错误。

2．下列物质的用途不正确的是（　　）

A．硅是制造光导纤维的材料

B．硅是制造太阳能电池的常用材料

C．二氧化硅是制取粗硅的原料

D．水玻璃可用作木材防火剂

答案　A

解析　光导纤维的成分是SiO2，A错误；硅是制造太阳能电池板的常用材料，B正确；工业上常用SiO2和碳反应制取硅，C正确；水玻璃是硅酸钠的水溶液，具有防火性，D正确。

3．下列物质中，导电性介于导体和绝缘体之间的是（　　）

①晶体硅　②金属铝　③石墨　④晶体锗　⑤金刚石

A．只有①B．只有⑤

C．②和③D．①和④

答案　D

解析　Si、Ge均能导电，可作半导体材料；Al是电的良导体；石墨也能导电，但不能作半导体材料；金刚石不导电。

4．下列有关硅及其化合物的说法不正确的是（　　）

A．晶体硅具有金属光泽，可以导电，属于金属材料

B．常温下，硅的化学性质稳定，自然界中的硅主要以氧化物及硅酸盐的形式存在

C．SiO2是一种酸性氧化物，能够与强碱反应生成相应的盐

D．除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸，然后再过滤

答案　A

解析　A项，晶体硅虽然具有金属光泽，但它属于非金属单质，其导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料；B项，虽然常温下硅的化学性质稳定，但自然界中没有游离态的硅，它主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在；D项，SiO2不溶于稀盐酸，可使用稀盐酸除去其中混有的CaCO3，化学方程式为CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O，然后再过滤。

5．制备硅单质时，主要化学反应如下：

①SiO2（石英砂）＋2C（焦炭）Si（粗硅）＋2CO↑，

②Si（粗硅）＋2Cl2SiCl4，

③SiCl4＋2H2Si（纯硅）＋4HCl，下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是（　　）

A．①③为置换反应

B．①②③均为氧化还原反应

C．②为化合反应

D．三个反应的反应物中硅元素均被还原

答案　D

解析　在反应②中Si元素化合价升高，被氧化。

6．将铁、铝、硅的混合物分为等质量的两份，一份跟足量的NaOH溶液反应，另一份跟足量稀H2SO4反应，最终产生的H2一样多，则铁与硅物质的量之比为（　　）

A．2∶1B．4∶1

C．1∶1D．3∶1

答案　A

解析　将混合物分为两等份，设每份中Fe、Al、Si的物质的量分别为xmol、ymol、zmol。

一份跟足量NaOH溶液反应时只有Al和Si反应。

2Al　＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋　3H2↑

23

ymolymol

Si　＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋　2H2↑

12

zmol2zmol

所以和NaOH溶液反应放出气体共（y＋2z）mol。

一份跟足量稀H2SO4反应时只有Fe和Al反应。

Fe　＋　H2SO4===FeSO4＋H2↑

11

xmolxmol

2Al　＋　3H2SO4===Al2（SO4）3＋3H2↑

23

ymolymol

所以和稀H2SO4反应产生的气体为（x＋y）mol。

由题意知：

y＋2z＝x＋y

所以x＝2z，即混合物中Fe与Si的物质的量之比为2∶1。

题组二　硅酸盐

7．下列叙述正确的是（　　）

A．Na2SiO3是硅酸盐，但不能溶于水

B．电影银幕用水玻璃浸泡，主要是为了防腐

C．建筑工业常用水玻璃作黏合剂

D．用水玻璃浸泡铁道的木制枕木，主要是为了防火

答案　C

解析　Na2SiO3既是硅酸盐，又是钠盐，硅酸盐大多难溶于水，而钠盐均易溶于水；浸泡银幕主要是为了防火，而浸泡枕木主要是为了防腐；水玻璃有黏合作用，常作黏合剂。

8．下列关于硅酸盐工业的叙述正确的是（　　）

A．普通玻璃的主要成分可以表示为Na2O·CaO·6SiO2，说明玻璃为纯净物

B．陶瓷、玻璃、水泥都属于硅酸盐产品

C．制玻璃、水泥时都用到了石灰石和黏土

D．制玻璃的过程中发生了反应：

Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，说明酸性：

H2SiO3>H2CO3

答案　B

解析　普通玻璃的主要成分可以表示为Na2O·CaO·6SiO2，还含有其他杂质，因此玻璃属于混合物，A错误；陶瓷、玻璃、水泥都属于传统的硅酸盐产品，B正确；制造玻璃的主要原料是石灰石、纯碱和石英，制造水泥的主要原料是石灰石、黏土和辅助原料，C错误；反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，不是在溶液中进行的，利用的是难挥发性酸制备易挥发性酸原理，事实上碳酸的酸性强于硅酸的酸性，在溶液中碳酸可以制备硅酸，D错误。

题组三　CO2、SiO2及其盐性质应用

9．将过量的CO2分别通入：

①CaCl2溶液　②浓Na2SiO3溶液　③Ca（OH）2溶液　④饱和Na2CO3溶液。

最终溶液中有白色沉淀析出的是（　　）

A．①②③④B．②④

C．①②③D．②③

答案　B

解析　CO2溶于水：

CO2＋H2O===H2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。

根据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液无明显现象；过量的CO2通入浓Na2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入Ca（OH）2溶液至过量，Ca（OH）2＋CO2===CaCO3↓＋H2O，CaCO3＋H2O＋CO2===Ca（HCO3）2，最终生成Ca（HCO3）2而无沉淀；过量CO2通入饱和Na2CO3溶液中：

Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3↓，生成的NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而结晶析出，故选B。

10．下表中括号内物质是杂质，试将除杂试剂及分离方法填入表内。

混合物

SiO2（Si）

CO2（SO2）

NaHCO3（Na2SiO3）

SiO2（NaCl）

除杂试剂

除杂方法

答案　

混合物

SiO2（Si）

CO2（SO2）

NaHCO3（Na2SiO3）

SiO2（NaCl）

除杂试剂

氧气

饱和NaHCO3溶液

通入足量CO2

水

除杂方法

加热

洗气

过滤

过滤

解析　SiO2（Si）：

Si与O2在加热条件下生成SiO2而除去Si；CO2（SO2）：

可通入饱和NaHCO3溶液；NaHCO3（Na2SiO3）：

通入足量CO2气体；SiO2（NaCl）：

溶于水过滤。

[能力提升题]

11．A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种非金属元素，它们能发生如图所示的转化关系，该元素（用R表示）的单质能与NaOH溶液反应生成盐（Na2RO3）和氢气。

请回答下列问题：

（1）写出各物质的化学式：

A________；B________；

C________；D________；E________。

（2）写出反应①的化学方程式：

______________________________________，

该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为________。

（3）写出反应④的离子方程式：

______________________________________。

（4）写出反应⑤的离子方程式：

_________________________________________。

（5）H2CO3的酸性强于E的，请用离子方程式予以证明：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）SiO2　CaSiO3　Na2SiO3　Si　H2SiO3

（2）SiO2＋2CSi＋2CO↑　1∶2

（3）Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑

（4）SiO＋Ca2＋===CaSiO3↓

（5）SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO

解析　解答本题的“突破口

（1）”是非金属元素R的单质能与NaOH溶液反应生成盐（Na2RO3）和氢气，说明是硅及其化合物之间的转化。

“突破口

（2）”是反应条件“高温”，A在高温条件下，能与焦炭、CaCO3发生反应，则A为SiO2。

从而推知B为CaSiO3，C为Na2SiO3，D为Si，E为H2SiO3。

12．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的用途________（任写一种），B是________，D是________。

（2）写出下列反应的化学方程式

①________________________________________________________________________。

④________________________________________________________________________。

（3）写出下列反应的离子方程式

②________________________________________________________________________。

③________________________________________________________________________。

⑤________________________________________________________________________。

答案　

（1）制光导纤维　Na2SiO3　H2SiO3

（2）①Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2

④H2SiO3H2O＋SiO2

（3）②CO2＋H2O＋SiO===CO＋H2SiO3

③SiO2＋2OH－===SiO＋H2O

⑤SiO＋2H＋===H2SiO3

解析　由A是一种装饰品的主要成分，高温下能与纯碱反应知，A是SiO2。

SiO2与纯碱在高温下反应生成Na2SiO3和CO2，Na2SiO3与CO2在水中可反应生成H2SiO3，而H2SiO3受热分解又可生成SiO2，所以A是SiO2，B是Na2SiO3，D是H2SiO3。

13．某实验小组设计了如下装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。

已知：

PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO＋PdCl2＋H2O===CO2＋2HCl＋Pd↓（产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊）。

（1）实验时要通入足够长时间的N2，其原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）装置B的作用是

________________________________________________________________________。

（3）装置C、D中所盛试剂分别为_____________、____________，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）该装置的缺点是

________________________________________________________________________。

（5）资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物SiC。

取18gSiO2和8.4g焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体为13.44L，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则Si和SiC的物质的量之比为

________________________________________________________________________。

（6）设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：

________________________________________________________________________

_____________________________________________________________