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___________________________________________