学年人教版必修1 第4章第1节 无机非金属材料的主角硅第1课时 学案.docx

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学年人教版必修1第4章第1节无机非金属材料的主角硅第1课时学案

第一节　无机非金属材料的主角——硅

第1课时　二氧化硅和硅酸

[学习目标定位]　1.了解硅在自然界中的存在形式，硅酸盐产品的组成和重要用途。

2.了解二氧化硅的结构、性质和用途。

3.了解硅酸的制备、性质和应用。

一　二氧化硅

1.硅元素在地壳中的含量是26.3%，仅次于氧。

硅元素在自然界中主要以氧化物及硅酸盐的形式存在，原因是硅是一种亲氧元素。

2.硅的氧化物为二氧化硅，俗名为硅石，天然二氧化硅分为结晶形（如方石类、水晶等）和无定形（如硅藻土）。

根据日常生活中的实例描述二氧化硅的物理性质：

坚硬固体、不溶于水、熔点高。

3.列表比较二氧化碳和二氧化硅的性质。

CO2

SiO2

物理性质

气体，熔、沸点低，易溶于水

固体，熔、沸点高，硬度大，不溶于水

与碱性氧化物反应

CaO＋CO2===CaCO3

CaO＋SiO2

CaSiO3

与碱液反应

2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

与H2O反应

CO2＋H2OH2CO3

不与水反应

与酸反应

不反应

只与HF反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

相同点

都是酸性氧化物（酸酐），与碱反应生成盐和水

归纳总结

二氧化硅的结构与性质

（1）二氧化硅与二氧化碳的物理性质差异较大的原因是物质晶体结构不同。

二氧化硅晶体结构如图：

二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体。

（2）二氧化硅的化学性质有稳定性强，与水、一般酸不反应，能与氢氟酸反应，能与碱、碱性氧化物反应。

1.下列叙述中，正确的是（　　）

A.自然界中存在大量的单质硅

B.石英、水晶、硅石的主要成分都是二氧化硅

C.二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸或碱溶液发生化学反应

D.自然界中硅元素都存在于石英中

答案　B

解析　自然界中硅元素含量很高，但都以化合态形式存在，A项错误；硅元素是亲氧元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，D项错误；二氧化硅的性质稳定，C项错误。

2.由MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3组成的混合粉末。

现取两份该混合粉末试样进行实验。

（1）将一份混合粉末溶于过量的盐酸，得到沉淀X和滤液Y，沉淀X为________，滤液Y中含有的阳离子主要是______________，向滤液Y中加入过量NaOH溶液，得到的沉淀是____________________。

（2）将另一份混合粉末溶于过量NaOH溶液，发生反应的离子方程式为_________________。

答案　

（1）SiO2　Al3＋、Mg2＋、Fe3＋、H＋　Mg（OH）2、Fe（OH）3　

（2）SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O、

Al2O3＋2OH－===2AlO

＋H2O

二　硅酸

1.硅酸的制备：

按表中实验操作要求完成实验，并将观察到的实验现象及有关结论填入表中：

实验操作

实验现象

实验结论

溶液变为红色

Na2SiO3溶液呈碱性

溶液由红色变为无色，有白色胶状沉淀物生成

硅酸为不溶于水的白色固体

有白色胶状沉淀物生成

硅酸的酸性比碳酸弱

2.写出上述实验中反应的化学方程式。

（1）Na2SiO3溶液与盐酸反应：

Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。

（2）将CO2通入Na2SiO3溶液中：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

归纳总结

硅酸的性质

（1）实验室制取硅酸的方法是可溶性硅酸盐与酸反应。

（2）硅酸的性质：

①具有酸性，酸性比碳酸弱；②受热易分解。

（3）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。

3.在既能溶解Al（OH）3又能溶解SiO2的无色溶液中，能大量共存的是（　　）

A.Na＋、Al3＋、NO

、Cl－

B.K＋、Na＋、Cl－、SiO

C.Fe2＋、K＋、SO

、Cl－

D.Na＋、HCO

、K＋、NO

答案　B

解析　符合题干要求的应是强碱性且无色的溶液，Al3＋、HCO

能与碱反应，Fe2＋有色且可与碱反应。

4.下列反应不能一步完成的是（　　）

A.SiO2―→Na2SiO3B.SiO2―→H2SiO3

C.SiO2―→CaSiO3D.H2SiO3―→SiO2

答案　B

解析　二氧化硅可与氢氧化钠直接反应生成硅酸钠；氧化钙可与二氧化硅在高温下反应生成硅酸钙；硅酸可直接加热分解生成二氧化硅，故只有B符合题意。

1.华裔科学家高锟因“在光学通信领域光在光导纤维中传输的研究方面所取得的开创性成就”获得了诺贝尔物理学奖。

光导纤维的主要成分是（　　）

A.SiB.SiO2C.Na2SiO3D.SiCl4

答案　B

解析　光导纤维的主要成分为SiO2。

2.下列说法正确的是（　　）

A.二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟碱反应，但不能与任何酸反应

B.二氧化硅分子由1个硅原子和2个氧原子构成

C.硅酸的酸性比碳酸的酸性强，且硅酸不溶于水

D.CO2与SiO2均具有氧化性，可作氧化剂

答案　D

解析　SiO2可以跟氢氟酸反应，反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，A不正确；二氧化硅中不存在SiO2分子，B项不正确；硅酸的酸性比碳酸弱，且不溶于水，C不正确。

3.能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（　　）

A.CO2是气体，SiO2是固体

B.二氧化硅的熔点比二氧化碳高

C.根据反应SiO2＋CaCO3

CaSiO3＋CO2↑，可推知硅酸的酸性比碳酸的酸性强

D.CO2通入Na2SiO3稀溶液中析出硅酸沉淀，所生成的H2SiO3逐渐聚合而形成硅酸溶胶

答案　D

解析　酸性强弱与这种酸的氧化物的状态和物理性质无关，A、B均不正确；C项反应只有在高温条件下才能进行，由于CO2是气体，生成后脱离反应体系使反应得以继续进行，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强；D项属于较强的酸制取较弱的酸，能够证明硅酸的酸性弱于碳酸的酸性。

4.下列溶液中①碳酸钠溶液、②氢氟酸、③氢氧化钠溶液、④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中但不能用磨口玻璃塞的是（　　）

A.①③B.②④C.②③D.①④

答案　A

解析　①、③项中溶液呈碱性，不能与光滑的玻璃反应，但能与磨口玻璃裸露的SiO2反应，生成的硅酸钠溶液是一种矿物胶，具有良好的黏结性，易使瓶塞与瓶壁粘在一起而难以开启。

氢氟酸能腐蚀玻璃，不能用玻璃试剂瓶盛放。

5.下图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是（　　）

A.SiO2属于两性氧化物

B.酸性：

H2SiO3＞H2CO3

C.硅胶吸水后可重复再生

D.图中所示转化反应都是氧化还原反应

答案　C

解析　SiO2是酸性氧化物；酸性：

H2CO3＞H2SiO3；图中有的转化反应不是氧化还原反应，如SiO2与NaOH溶液的反应。

6.硅胶和石英的主要成分都是SiO2，前者是结构疏松的SiO2，后者是结构致密的SiO2。

二者成分相同，结构不同，化学性质相同，物理性质上表现出差别，具有不同的用途。

由石英制取硅胶，经历以下三步，试写出每步反应的化学方程式（是离子反应的，写出离子方程式）。

（1）用NaOH（aq）溶解石英：

__________________________________。

（2）过滤，向滤液中加入盐酸，至沉淀不再产生：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）微热，浓缩硅酸溶液，加热蒸干溶液，并使固体完全分解：

________________________________________________________________________。

写出硅胶的一种用途：

________________。

答案　

（1）2OH－＋SiO2===SiO

＋H2O

（2）SiO

＋2H＋===H2SiO3↓

（3）H2SiO3

H2O↑＋SiO2　干燥剂（或“催化剂载体”）

解析　

（1）石英的主要成分是酸性氧化物SiO2，与碱反应生成盐和水：

2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O。

（2）过滤，除去石英中的杂质，得滤液为Na2SiO3（aq），硅酸是弱酸，Na2SiO3与盐酸发生复分解反应：

Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。

（3）微热，浓缩H2SiO3（aq），H2SiO3聚合为胶体，加热硅酸溶胶脱水，生成多孔硅胶：

H2SiO3

H2O↑＋SiO2。

硅胶的制备过程：

石英（SiO2）

Na2SiO3

H2SiO3

硅胶。

硅胶的主要用途有两种：

作干燥剂或作催化剂的载体。

40分钟课时作业

[经典基础题]

题组一　二氧化硅的性质与用途

1.关于地壳中含量占第一位和第二位的元素之间形成的化合物，有关其说法正确的是（　　）

A.化学性质不活泼

B.可溶于水且显酸性

C.熔沸点较低，物理性质与CO2相似

D.是酸性氧化物，不溶于任何酸

答案　A

解析　该化合物为SiO2，SiO2不溶于水、熔沸点很高，与氢氟酸反应。

2.除去SiO2中混有的少量生石灰和石灰石，有如下操作：

①加水溶解　②加水煮沸　③过滤　④加稀盐酸　⑤加稀H2SO4，正确的操作顺序是（　　）

A.①③B.④③C.⑤③D.②③

答案　B

解析　加稀盐酸与CaO、CaCO3反应生成CaCl2溶液，然后过滤得到SiO2固体。

注意不能选用稀H2SO4，因CaSO4微溶，不易分离出SiO2。

3.下列关于SiO2的说法，正确的是（　　）

A.SiO2是制造光导纤维的重要材料

B.SiO2溶于水生成硅酸

C.SiO2对应水化物的酸性比碳酸强

D.SiO2是酸性氧化物，不跟任何酸反应

答案　A

解析　SiO2不溶于水；硅酸酸性比碳酸弱；SiO2是酸性氧化物，但可与氢氟酸反应。

4.下列试剂能用带玻璃塞的玻璃瓶保存的是（　　）

A.Na2SiO3溶液B.KMnO4溶液

C.氢氟酸D.NaOH溶液

答案　B

解析　玻璃中含有SiO2与NaOH溶液长时间作用会生成Na2SiO3，Na2SiO3溶液有粘性，可将玻璃塞与玻璃瓶粘在一起打不开，A、D错误；氢氟酸可腐蚀玻璃，一般用塑料瓶盛装，C错误。

5.指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～E选项中选择正确答案填入括号内。

（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（　　）

（2）SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑（　　）

（3）SiO2＋2C

Si＋2CO↑（　　）

（4）SiO2＋3C

SiC＋2CO↑（　　）

（5）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（　　）

A.作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀

B.氧化性

C.酸性氧化物的通性

D.将挥发性的酸酐从其盐中置换出来

E.未参与氧化还原反应

答案　

（1）C　

（2）D　（3）B　（4）E　（5）A

解析　

（1）中SiO2表现的是酸性氧化物的性质。

（2）中是SiO2得电子，显氧化性。

（4）中得失电子的是C，SiO2未参与得失电子。

（5）是雕刻玻璃的反应。

6.生石灰中往往含有杂质CaCO3和SiO2，检验它是否存在着两种杂质的最好试剂是（　　）

A.水B.盐酸C.硫酸D.烧碱溶液

答案　B

解析　生石灰能溶于水生成氢氧化钙与二氧化硅反应生成硅酸钙沉淀，碳酸钙不溶于水，所以有不溶于水的物质出现，不能说明杂质是否含有碳酸钙和二氧化硅，A错误；碳酸钙和盐酸反应生成氯化钙、二氧化碳和水，二氧化硅不溶于盐酸，生石灰溶于盐酸生成氯化钙和水，所以有气体产生说明有碳酸钙，有不溶物，说明有二氧化硅，B正确；碳酸钙和硫酸反应生成硫酸钙，微溶于水，二氧化硅不溶于硫酸，所以有不溶于水的物质出现，不能确定是碳酸钙还是二氧化硅，C错误；碳酸钙不溶于氢氧化钠，二氧化硅和氢氧化钠反应生成硅酸钠，生石灰溶于水，所以不能确定是否含有二氧化硅，D错误。

题组二　硅酸的性质与用途

7.下列关于碳酸（H2CO3）和硅酸（H2SiO3）的说法中不正确的是（　　）

A.两者均为弱酸

B.两者均可使紫色石蕊试液变红色

C.CO2气体通入Na2SiO3溶液中可以制得硅酸

D.两者受热时均可以分解

答案　B

解析　硅酸不能使紫色石蕊试液变红，B错误。

因为H2CO3酸性强于H2SiO3，故可以用H2CO3制备H2SiO3：

CO2＋H2O＋Na2SiO3===Na2CO3＋H2SiO3↓。

8.在存放照相机、显微镜、食品和药品的包装盒中常发现一些袋装透明的胶状颗粒，该颗粒的主要作用是干燥，其成分是（　　）

A.活性炭B.氯化钠

C.硅胶D.小苏打

答案　C

解析　以上四种物质中只有硅胶是干燥剂。

9.下列关于硅酸的说法正确的是（　　）

A.硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得

B.可用反应Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓制取硅酸

C.因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应

D.干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠

答案　B

解析　SiO2难溶于水，因此不能与水化合反应直接制得硅酸，A错误；由于酸性HCl>H2SiO3，所以可用反应Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓制取硅酸，B正确；尽管硅酸难溶于水，但是它仍能与NaOH溶液反应产生硅酸钠和水，C错误；干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸，D错误。

10.纯二氧化硅可用下列流程制得。

下列说法不正确的是（　　）

A.X可用作木材防火剂

B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4

C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替

D.步骤Ⅲ若在实验室完成，一般在蒸发皿中进行

答案　D

解析　X为硅酸钠溶液，可用作木材防火剂，A正确；步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4，B正确；碳酸的酸性比硅酸强，故步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替，C正确；步骤Ⅲ为硅酸固体的灼烧，若在实验室完成，一般在坩埚中进行，D错误。

[能力提升题]

11.

（1）普通玻璃又称为钠玻璃，试写出生产普通玻璃过程中发生反应的一个化学方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）实验室用于盛放碱性试剂的试剂瓶不用磨口玻璃塞的原因是：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________（用离子方程式表示）。

（3）有一种特殊玻璃为钾玻璃，其热膨胀系数较小，较难熔化，较难受化学药品的侵蚀，可用于制作一般的化学仪器。

现以石英砂、苛性钾、熟石灰为原料，熔制钾玻璃，质量比为75∶28∶37（假定这些原料不含杂质），试用氧化物的形式表示该钾玻璃的组成_____________________________。

（4）下列叙述正确的是_______________________________________（填序号）。

①SO2、NO、NO2都是形成酸雨的因素，都能和水反应生成酸

②NH3、H2S均不能用浓硫酸干燥

③水晶的主要成分是SiO2

④SiO2与CO2都属于酸性氧化物，都不能与酸反应

⑤实验室可用NaOH溶液处理Cl2和SO2废气

⑥NO只能用排水集气法收集，不能用排空气法收集；而NO2只能用排空气法收集，不能用排水集气法

答案　

（1）Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑或　CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑

（2）2OH－＋SiO2===SiO

＋H2O　（3）K2O·2CaO·5SiO　（4）②③⑤⑥

解析　

（1）工业制玻璃主要原料有石英、纯碱和石灰石。

碳酸钠与二氧化硅在高温条件下反应生成硅酸钠和二氧化碳，该反应的化学方程式为Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑；碳酸钙与二氧化硅在高温条件下反应生成硅酸钙和二氧化碳，该反应的化学方程式为CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑。

（2）玻璃中含有二氧化硅，二氧化硅能和强碱反应SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，离子反应为2OH－＋SiO2===SiO

＋H2O，硅酸钠是一种具有粘性的物质，导致瓶塞与瓶口粘在一起，所以盛放碱液的试剂瓶不能用磨口玻璃塞；二氧化硅能与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，氢氟酸应保存在塑料瓶中。

（3）由石英砂、苛性钾、熟石灰质量比为75∶28∶37，根据元素原子守恒，

n（KOH）∶n[Ca（OH）2]∶n（SiO2）＝n（K2O）∶n（CaO）∶n（SiO2）＝

＝

∶

∶

＝1∶2∶5，用氧化物表示玻璃的组成为活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水的顺序，则玻璃为K2O·2CaO·5SiO2。

（4）①NO不能与水反应，错误；②浓硫酸不能干燥碱性气体和还原性的气体，如NH3、H2S等，正确；③水晶的主要成分是SiO2，正确；④SiO2能与氢氟酸反应，错误；⑤Cl2和SO2废气都能与NaOH溶液反应，实验室可用NaOH溶液来处理，正确；⑥NO能与空气中的氧气反应但不溶于水也不跟水反应，只能用排水集气法收集，不能用排空气法收集；而NO2不与氧气反应，能与水反应，只能用排空气法收集，不能用排水集气法，正确；综上，答案选②③⑤⑥。

12.高纯二氧化硅可用来制造光纤。

某稻壳灰的成分为

组分

SiO2

C

Na2O

K2O

Al2O3

Fe2O3

质量分数

59.20

38.80

0.25

0.50

0.64

0.61

通过如下流程可由稻壳灰制备较纯净的二氧化硅。

请回答下列问题：

（1）根据氧化物的性质进行分类，稻壳灰中涉及的氧化物最多有________类。

（2）步骤①中涉及SiO2的离子反应方程式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）滤渣A的成分有________________（填化学式）。

（4）步骤③反应的化学方程式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（5）实验室进行步骤③用到的仪器有坩埚钳、酒精灯、三脚架、__________和__________。

答案　

（1）3　

（2）SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O

（3）C、Fe2O3　（4）H2SiO3

SiO2＋H2O　（5）坩埚　泥三角

解析　

（1）根据氧化物的性质可以把氧化物分为碱性氧化物、酸性氧化物、两性氧化物、不成盐氧化物、其他复杂氧化物5类，稻壳灰中二氧化硅属于酸性氧化物，氧化钠、氧化钾属于碱性氧化物，氧化铝属于两性氧化物。

（2）步骤①中涉及SiO2与氢氧根离子反应生成硅酸根离子和水，离子方程式是SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O。

（3）稻壳灰的成分中只有二氧化硅、氧化铝与氢氧化钠反应，氧化钠、氧化钾与水反应，而C与氧化铁均不反应，所以滤渣A的成分是C、Fe2O3。

（4）滤液A中含有硅酸根离子、偏铝酸根离子，加入过量稀盐酸，则偏铝酸根离子与过量的稀盐酸反应生成铝离子，而硅酸根离子与过量的稀盐酸反应生成硅酸沉淀，过滤得到硅酸，煅烧生成二氧化硅和水，化学方程式是H2SiO3

SiO2＋H2O。

（5）煅烧固体时，需要将固体放在坩埚中，坩埚放在泥三角上，泥三角放在三脚架上，用酒精灯加热，用坩埚钳取下坩埚，所以还需要坩埚和泥三角。

13.为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的实验装置，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________>________＞________。

答案　

（1）盐酸

（2）饱和NaHCO3溶液　吸收HCl气体

（3）Na2SiO3溶液　SiO

＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO

（或SiO

＋2CO2＋2H2O===2HCO

＋H2SiO3↓）

（4）HCl　H2CO3　H2SiO3

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，故选用饱和NaHCO3溶液。

14.化合物C可用于制造高性能的现代通讯材料——光导纤维，C与烧碱反应生成化合物D。

（1）易与C发生化学反应的酸是________，反应的化学方程式是________________________________________________________________________。

（2）将C与纯碱混合高温熔融时发生化学反应生成D，同时还生成能使澄清石灰水变浑浊的氧化物E；将少量的E通入D的水溶液中，生成化合物F。

①分别写出生成D和F的化学反应方程式：

___________________________________________________