最新高中化学专题3从矿物到基础材料第三单元含硅矿物与信息材料学案苏教版必修1.docx

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最新高中化学专题3从矿物到基础材料第三单元含硅矿物与信息材料学案苏教版必修1

【2019最新】高中化学专题3从矿物到基础材料第三单元含硅矿物与信息材料学案苏教版必修1

[学习目标定位]　1.知道硅在自然界的存在形式和硅酸盐产品的重要应用，会用氧化物的形式表示复杂硅酸盐的组成。

2.知道硅及其重要化合物二氧化硅的性质及其应用。

一、硅酸盐与硅酸盐产品

1．硅酸盐的概念

由硅、氧和金属组成的化合物的总称。

2．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：

硅酸钠（Na2SiO3）：

Na2O·SiO2；

长石（KAlSi3O8）：

K2O·Al2O3·6SiO2。

3．最简单的硅酸盐——Na2SiO3

硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。

用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现它具有阻燃的功能，因此可作防火剂。

按要求完成下列实验：

（1）在盛有饱和硅酸钠溶液的试管中，滴加2～3滴酚酞溶液，观察到的现象是溶液变为红色；再滴加稀盐酸，观察到的现象是溶液由红色变为无色，有白色胶状沉淀生成，反应的化学方程式是Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。

（2）若将少量二氧化碳通入饱和硅酸钠溶液中，观察到的现象是有白色胶状沉淀生成，反应的化学方程式是Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

4．三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

玻璃熔炉

普通玻璃Na2O·CaO·6SiO2

陶瓷

黏土

Al2O3·2SiO2·2H2O

1.用氧化物的形式表示硅酸盐组成的方法

（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。

（4）书写原则：

硅酸盐中各元素化合价及原子个数比保持不变。

2．硅酸钠及硅酸

（1）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↓。

（2）硅酸是难溶于水的弱酸，其酸性比碳酸弱。

硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色。

①硅酸不稳定，受热易分解：

H2SiO3H2O＋SiO2。

②硅酸能与强碱溶液反应：

2NaOH＋H2SiO3===Na2SiO3＋2H2O。

提醒　硅酸盐氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示结构，不能认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。

3．工业上制普通玻璃的主要反应

Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑

CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑

【例1】　《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．易溶解于强酸和强碱

D．x等于6

答案　C

解析　“硅酸铜钡”能稳定存在说明其性质稳定，不易脱色，不易与酸、碱反应。

“硅酸铜钡”中Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，则x＝6，用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2，A、B、D均正确。

【例2】　下列关于硅酸盐产品的说法正确的是（　　）

A．玻璃、水泥属于硅酸盐产品，陶瓷不属于硅酸盐产品

B．普通玻璃的组成可表示为Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2

C．生产水泥的主要原料是纯碱、石灰石和石英

D．生产玻璃的主要原料是黏土、石灰石

答案　B

解析　陶瓷、玻璃、水泥都是硅酸盐产品；普通玻璃的组成不仅可用Na2O·CaO·6SiO2表示，还可表示为Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2；生产水泥的主要原料是黏土、石灰石；生产玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英。

二、二氧化硅与信息材料

1．二氧化硅

（1）存在：

沙子、石英、水晶、硅藻土等都是天然存在的二氧化硅。

（2）物理性质：

熔、沸点高，硬度大，不溶于水。

（3）化学性质：

①酸性氧化物的通性：

与NaOH溶液反应：

2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O；

与碱性氧化物（CaO）反应：

CaO＋SiO2CaSiO3。

②特性：

与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

（4）用途：

制作光学镜片、石英坩埚，还可用于制作光导纤维。

2．硅

（1）物理性质：

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）化学性质：

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。

（3）硅的工业制法

①粗制：

制备原理：

SiO2＋2CSi＋2CO↑（隔绝空气条件下进行，C过量）。

氧化剂：

SiO2，还原剂：

C。

②精制：

将粗硅（含杂质较多）与Cl2在高温下反应生成SiCl4。

SiCl4经提纯后再用H2还原，即得高纯硅，有关反应的化学方程式为Si＋2Cl2SiCl4，SiCl4＋2H2Si＋4HCl。

　二氧化硅的性质

1．碳与硅、二氧化硅与二氧化碳性质差别较大的原因是结构不同。

2．SiO2是酸性氧化物，但它不溶于水，不与水反应，也不与酸（氢氟酸除外）反应。

SiO2―→H2SiO3需间接实现，如SiO2SiOH2SiO3。

3．SiO2晶体中不存在SiO2分子，SiO2表示二氧化硅中Si原子和O原子个数比为1∶2的化学式。

4．可以用玻璃瓶盛放碱液但不能用玻璃塞。

原因是玻璃中含有SiO2，SiO2与NaOH溶液反应生成Na2SiO3，使瓶口与瓶塞黏在一起而难以开启。

5．Si、SiO2的转化关系

【例3】　关于二氧化硅，下列叙述正确的是________（填序号）。

①化学性质不活泼，熔融氢氧化钠固体可用石英坩埚

②是酸性氧化物，溶于水显酸性，不溶于任何酸

③物理性质与CO2相似

④SiO2晶体是由SiO2分子直接组成的

⑤水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2

⑥光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”

答案　⑤⑥

解析　SiO2晶体是由原子构成的空间网状结构，化学性质稳定，SiO2与NaOH发生反应，熔融NaOH固体不能用石英坩埚，①不正确；SiO2属于酸性氧化物，与H2O不反应，但能与HF反应，②不正确；SiO2与CO2结构不同，物理性质差别很大，③不正确；SiO2晶体是由Si、O原子构成的，不含SiO2分子，④不正确；⑤正确；光导纤维主要成分为SiO2，SiO2与碱反应，因此易发生“断路”，⑥正确。

【例4】　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：

二氧化硅粗硅SiHCl3纯硅

关于上述反应的分析不正确的是（　　）

A．3个反应都是置换反应

B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅

C．任一反应中，每消耗或生成28g硅，均转移4mol电子

D．提纯SiHCl3采用的方法是分液

答案　D

解析　高温下焦炭能将SiO2还原为Si，H2能将SiHCl3还原为Si，B项正确；硅在化合物中显＋4价，消耗或生成1molSi，则转移4mol电子，C项正确；SiHCl3中含有少量的SiCl4（和HCl），它们的沸点有明显差异，用蒸馏（或分馏）的方法提纯，D项不正确。

1．硅酸：

一种不溶于水的酸，不能由SiO2与H2O反应制得。

2．SiO2与硅两种物质的重要用途：

SiO2是光导纤维的主要成分；硅是半导体材料。

3．熟记三个化学方程式

（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；

（2）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；

（3）Na2SiO3＋CO2（少量）＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

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，所以A不正确；二氧化硅中不存在SiO2分子，所以B不正确；硅酸的酸性比碳酸弱，且不溶于水，所以C不正确。

3．下列关于玻璃的叙述正确的是（　　）

A．制普通玻璃的原料主要是纯碱和石英

B．普通玻璃的主要成分不是二氧化硅

C．玻璃是几种成分熔化在一起的晶体，有固定的熔点

D．过量的泥沙、纯碱和石灰石熔融后生成玻璃

答案　D

解析　普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，是一种混合物，没有固定的熔点。

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　①③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．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）H2SiO3H2O＋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，H2SiO3（aq）浓缩，H2SiO3聚合为胶体，加热硅酸溶胶脱水，生成多孔硅胶：

H2SiO3H2O＋SiO2。

硅胶的制备过程：

石英（SiO2）Na2SiO3H2SiO3硅胶。

硅胶的主要用途有两种：

作干燥剂、作催化剂的载体。

[对点训练]

题组一　硅酸盐及其产品

1．材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是（　　）

选项

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

沙子、石英

二氧化硅

答案　A

解析　刚玉的成分是Al2O3，金刚石的成分是C，A错误；大理石、石灰石的成分是CaCO3；普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融而得的硅酸盐，普通水泥是以黏土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏而得到的硅酸盐；石英晶体是结晶的二氧化硅，具有不同的晶型和色彩。

2．在制玻璃、制水泥两种工业生产中都需要原料（　　）

A．纯碱B．石灰石

C．石英D．黏土

答案　B

解析　这是一道硅酸盐工业中理论联系实际的试题。

解答本题时应熟悉生产玻璃、水泥产品的原料情况。

制玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英；制水泥的原料是石灰石、黏土等。

相互对比后可知B项为正确答案。

3．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　水玻璃的化学性质稳定，但在空气中易与二氧化碳反应生成硅酸。

4．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（Mg3Si4H2O12）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。

题组二　SiO2的性质及用途

5．素有“水晶之乡”美称的盛产高纯水晶。

现存于国家地质博物馆的水晶大王就出自。

水晶的主要成分是SiO2。

下列关于SiO2的叙述中不正确的是（　　）

①在固态和液态时，导电性能都很弱

②能跟强碱反应，但不能与水反应

③硅与碳原子的最外层上都是4个电子，故SiO2的物理性质与CO2类似

④既是酸性氧化物，又是碱性氧化物

A．②③B．③④

C．②④D．④

答案　B

解析　SiO2虽是酸性氧化物，但与CO2在物理性质上有较大的差异。

6．下列说法中正确的是（　　）

A．浓硫酸可刻蚀石英艺术品

B．硅胶可作袋装食品的干燥剂

C．SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应

D．如右图，若①②③中分别盛有浓硝酸、Na2CO3、Na2SiO3溶液，则可得出结论：

酸性：

硝酸＞碳酸＞硅酸

答案　B

解析　二氧化硅只与氢氟酸反应而不与浓H2SO4、浓盐酸反应，A、C两项错误；硅胶多孔、吸附水分能力强，可用作袋装食品的干燥剂，B项正确；由于浓HNO3易挥发，所以③中的白色沉淀可能是挥发出的HNO3与Na2SiO3溶液反应所致，不能得出相关的酸性强弱的结论,D项正确。

7．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＋H2OH2CO3，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。

8．将足量CO2气体通入水玻璃（Na2SiO3溶液）中，然后加热蒸干，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是（　　）

A．Na2SiO3B．Na2CO3、Na2SiO3

C．Na2CO3、SiO2D．SiO2

答案　A

解析　将足量的CO2气体通入水玻璃中，发生反应：

2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3。

加热蒸干，高温灼烧时发生反应：

H2SiO3H2O＋SiO2；2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O；SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑。

由上述关系可知，最后所得固体物质是Na2SiO3。

题组三　硅的制备及用途

9．晶体硅与金刚石的结构相似。

常温下硅的化学性质稳定。

下列关于硅的叙述正确的是（　　）

A．硅元素在自然界中主要以单质的形式存在

B．硅是一种重要的半导体材料

C．Si即使在高温下也难与O2等反应

D．Si与所有的酸都不反应

答案　B

解析　Si化学性质不活泼，但能与O2在高温下反应：

Si＋O2SiO2，也可与HF反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；Si是一种亲氧元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。

10．制备硅单质时，先从氧化物提取得到粗硅，再提纯为纯硅，主要化学反应如下：

①SiO2＋2CSi（粗）＋2CO

②Si（粗）＋2Cl2SiCl4

③SiCl4＋2H2Si（纯）＋4HCl

对上述三个反应的叙述正确的是（　　）

A．反应①中C是还原剂，发生还原反应

B．反应②既是化合反应，又是氧化还原反应，硅元素被还原

C．若有2.8gSi反应或生成，三个反应转移的电子数均为0.4NA

D．工业上在高温条件下分解水获得氢气应用于反应③

答案　C

解析　反应中有1molSi参加，则转移4mol电子。

[综合强化]

11．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（CaCO3）

CO2（SO2）

NaHCO3（Na2SiO3）

SiO2（NaCl）

除杂试剂

分离方法

答案　

混合物

SiO2（CaCO3）

CO2（SO2）

NaHCO3（Na2SiO3）

SiO2（NaCl）

除杂试剂

盐酸

饱和NaHCO3溶液

通入足量CO2

水

分离方法

过滤

洗气

过滤

过滤

解析　SiO2（CaCO3）：

可利用SiO2不溶于盐酸而CaCO3溶于盐酸除去；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。

12．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。

13．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________（填化学式，下同），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：

③________________________________________________________________________；

⑤________________________________________________________________________。

答案　

（1）制光导纤维（答案合理即可）　Na2SiO3　H2SiO3

（2）Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2

H2SiO3H2O＋SiO2

（3）SiO2＋2OH－===SiO＋H2O

SiO＋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。

14．硅在地壳中的含量较高。

硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中应用广泛。

回答下列问题：

（1）1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时，得到一种“金属”。

这种“金属”可能是__________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。

其中，生产普通玻璃的主要原料有___________________________________________