1819第4章第1节无机非金属材料的主角硅.docx
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1819第4章第1节无机非金属材料的主角硅
第一节无机非金属材料的主角
学习目标:
1.了解硅的原子结构及存在形式,并掌握硅的物理化学性质。
2.
了解硅胶的形成及
了解SiO2的存在形态,掌握其化学性质。
3.记住硅酸的性质,
性质。
4.会把硅酸盐写成氧化物的形式,并了解硅酸盐的性质。
5•了解无机非金属材料的生产及用途
[自主预习探新知]
1.硅元素的存在
2.
二氧化硅(SiO2)
⑴存在
SiO2的存在形式有结晶形和无定形两大类,水晶、玛瑙的
主要成分是结晶的二氧化硅。
⑵结构
SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为1:
2的比例组成的立体网状结构的晶体。
每个硅原子周围结合4个O原子,每个O周围结合2个Si原子。
(3)物理性质
熔点高;硬度大;溶解性:
不溶于水
(4)化学性质
1具有酸性氧化物的通性
a.可与NaOH溶液反应,其化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O。
高温
b.可与氧化钙反应,其反应方程式为SiO2+CaO=====CaSiQ。
2高温下与盐的反应
初中学习工业上制玻璃时,SiO2可与部分盐反应:
SiO2分别与CaCQ、
高温高温
Na2CO3的反应SiO2+CaCO3=====CaSiO3+CO2T、N&CO3+SiO2=====Na2SiO3
3特性
除氢氟酸外,SiO2一般不与其他酸反应,SiO2与HF溶液反应,反应的化学方程式为SiO2+4HF===SiF4f+2H2O。
(6)用途
1沙子是基本的建筑材料。
2纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料,可以制作光导纤维。
3石英和玛瑙制作饰物和工艺品。
4实验室中使用石英坩埚。
3.硅酸(H2SiO3)
(1)物理性质
硅酸是一种难溶于水的白色胶状物。
(2)化学性质
1弱酸性
向Na2SiO3溶液中通入CO2,生成白色沉淀,反应的化学方程式为Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3J+N&CO3。
结论:
H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。
2不稳定性
H2SQ3不稳定,受热易分解,反应的化学方程式为H2SiO3=====SiO2+H2O0
(3)制备H2SQ3胶体
Na2SiO3溶液中加入盐酸,反应的化学方程式为Na2SiO3+2HCl===2NaCl+
H2SiO3(胶体)o
(4)存在及用途
1浓度小且边加边振荡时,形成硅酸溶胶(胶体);浓度大时,形成硅酸凝胶。
2硅胶
硅酸凝胶经干燥脱水得到的硅酸干凝胶,称为“硅胶”,具有很强的吸水性,常用作干燥剂或催化剂的载体。
4.硅酸盐及其硅酸盐产品
(1)硅酸盐的组成与表示方法
1定义:
由硅、氧和金属组成的化合物的总称。
2性质:
结构复杂,大多不溶于水,化学性质稳定。
3表示:
通常以二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。
例如,
Na2SiO3:
Na2OSiO2。
长石(KAlSi3O8):
K2O-A12O36SiO2Q
镁橄榄石(Mg2SiO4):
2MgO・SiO?
。
微点拨:
以氧化物形式表示硅酸盐组成的方法
(1)方法:
找出组成元素;写出氧化物的形式;注意原子守恒;检查有无遗漏。
(2)氧化物的顺序:
活泼金属氧化物—较活泼金属氧化物—二氧化硅—水
(3)氧化物前化学计量数配置原则:
除氧元素外,其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置化学计量数,如果出现分数,扩大倍数化为整数。
(4)氧化物之间用“”隔开。
(2)最简单的硅酸盐一一Na?
SiO3
(3)三种常见的硅酸盐产品一一无机非金属材料
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2CaOSiO2
硅酸三钙3CaOSiO2
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
——
——
(4)其他含硅物质
1SiC:
俗称金刚砂,类似金刚石的结构和性能。
2含4%硅的硅钢具有导磁性,用作变压器铁芯。
3硅橡胶:
耐高温又耐低温。
4人造分子筛:
作吸附剂和催化剂。
5.硅单质
(1)种类及结构
单质硅分为晶体和无定形两种,晶体硅的结构与金刚石类似
(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
半导体
②化学性质
在常温下化学性质不活泼,但能与氟气、NaOH溶液、氢氟酸发生反应。
(3)用途
1半导体材料,如硅芯片等。
2新型能源,如光电池等。
[基础自测]
1.判断正误(正确的打“V”,错误的打“x”)
(1)硅的非金属性较弱,故在自然界中存在游离态。
()
⑵SiO2能与NaOH溶液和氢氟酸反应,故SiO2为两性氧化物。
()
⑶SiO2与出。
反应生成H2SQ3。
()
(4)硅酸是一种难溶于水的酸,故硅酸不与NaOH反应。
()
⑸Na2SiO3的水溶液可以防止木材着火。
()
(6)硅是制备光导纤维和光电池的材料。
()
【答案】
(1)x
(2)x(3)x⑷x(5)V(6)x
2.用氧化物的形式表示下列硅酸盐
(1)CaSiO3;
(2)Ca(Al2Si3Oio);
(3)Al2(Si2O5)(OH)4。
【答案】
(1)CaOSiO2
(2)CaOAI2O33SiO2
(3)AI2O32SiO22H2O
[合作探究攻重难]
1探金点
SiO2与CO2的性质探究
[思考交流]
1.为什么实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶要用橡胶塞而不能用玻璃塞?
(玻璃的成分中含有SiO2)
【提示】当玻璃瓶配玻璃塞时,瓶口内壁和瓶塞外壁都进行了磨砂处理。
玻璃中含SiO2,磨砂玻璃遇到强碱如NaOH溶液时,Si02与NaOH反应生成
Na2SiO3,使试剂瓶受腐蚀。
Na2SiO3溶液有良好的黏结性,它易使瓶口与瓶塞黏在一起而难以开启。
故使用橡胶塞而不能使用玻璃塞。
2.实验室能否用玻璃瓶保存氢氟酸?
为什么?
写出反应方程式。
【提示】不能。
因为氢氟酸腐蚀玻璃,和玻璃中的成分SiO2反应。
SiO2+4HF===SiF/J+2出0。
3.写出SiO2、CO2与CaO反应的化学方程式。
高温
【提示】SiO2+CaO=====DaSiO3、
CO2+CaO===CaCQ。
4.SiO2、CO2与NaOH溶液反应的离子方程式。
【提示】SiO2+2NaOH===Na2SiO3+出0、
CO2+2NaOH===Na?
CO3+H2O。
5.SiO2、CO2与C在高温条件反应的化学方程式
【提示】SiO2+2C=SS==Si+2COT、
CO2+C=====2CO
CO2与SiO2比较
化学式
CO2
SiO2
结构
以CO2分子构成
1个Si的周围有4个氧原子,1个O
的周围有2个硅原子,呈空间立体
网状结构,无SiO2分子
存在
空气、燃料的燃烧产物
存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中
物理
通常情况下无色无味,比
固体,难溶于水,熔、沸点高,硬
性质
空气重,微溶于水
度大
化
相同
均为酸性氧化物,均与碱反应生成盐和水;均与碱性氧化物反
学
占
应生成盐;均与C在咼温下反应;均与盐反应
性
不同
CO2与H2O反应而SiO2与H2O不反应;SiO2与酸(HF)反应而
质
占
CO2与酸不反应
[对点训练]
1•下列说法不正确的是()
A•因SiO2不溶于水,故SiO2不是酸性氧化物
高温
B.在反应SiO2+2C=====Si+2COT中SiO2作氧化剂
C.SiO2是一种空间立体网状结构的晶体,熔点高、硬度大
D.氢氟酸能够刻蚀玻璃,故不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸
A[A项,SiO2不溶于水,但它能与碱反应生成硅酸盐和水,是酸性氧化物,错误;B项,在该反应中SiO2被C还原为Si,SiO2作氧化剂,正确;C项,由于SiO2是一种空间立体网状结构的物质,故熔点高,硬度大,正确;D项,SiO2能与氢氟酸反应,故常用氢氟酸刻蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛装氢氟酸,正确。
]
2.下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是()
A.CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐
B.CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸
C.CO2是酸性氧化物,SiO2是两性氧化物
D.CO2和SiO2都是由相应的分子组成的
A[虽然SiO2是H2SQ3的酸酐,但SiO2却不能溶于水生成H2SQ3,而CO2可溶于水生成H2CO3,B错误;SiO2与CO2都是酸酐,都是酸性氧化物,A正确,C错误;CO2是由CO2分子构成的,而SiO2则是由硅原子和氧原子构成的,SiO2
中不存在分子,D错误。
]
■先点到
硅酸的制备与性质应用
[思考交流]
[实验]
1.硅酸的制备
实验
操作
1
D—快
]——
实验
现象
滴加酚酞溶液后溶液呈
色,有
色,滴加稀盐酸后溶液变为
生成
结论
Na2SiO3溶液呈
酸,反应的化学方程式为
性;可溶性硅酸盐与盐酸反应可以制得硅
【提示】红无白色胶状沉淀碱Na2SiO3+2HCI===2NaCI+
H2SiO3(胶体)
2.硅酸的性质
取上述实验最后所得试管,向试管中的凝胶中加入NaOH溶液,现象
反应的离子方程式为。
【提示】凝胶又变为澄清溶液H2SQ3+2OH"===Si03-+2H2O
(1)H2CO3和H2SiO3的性质比较
化学式
H2CO3
H2SiO3
酸性
均为弱酸,且酸性:
H2CO3>H2SiO3
水溶性
能溶于水
难溶于水
(唯一不溶于水的酸)
稳定性
常温下易分解生成CO2和
H2O
受热易分解生成SiO2和H2O
制备
CO2+H2OH2CO3
Na2SiO3+2HCI===2NaCI+
H2SQ3J
转化
关系
Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SQ3J
(2)硅酸的制取
1不能用二氧化硅与水反应来制取。
2一般采用向可溶性的硅酸盐中加入盐酸或是通入二氧化碳气体的方法来制取硅酸。
微点拨:
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。
[对点训练]
1•下列关于硅酸的说法正确的是()
【导学号:
32602166】
A•硅酸可以通过SiO2和水的化合反应直接制得
B.用反应Na2SiO3+2HCI===2NaCI+H2SiO3(胶体)制取硅酸是利用了可溶
性酸制难溶性酸的性质
C.因为硅酸难溶于水,所以它不能与NaOH溶液反应
D.硅胶可用作袋装食品的干燥剂
D[SiO2不能与水反应生成硅酸,A错误;B中反应是利用了强酸制弱酸的性质,B错误;硅酸虽难溶于水,但可与强碱溶液反应生成硅酸盐,C错误。
]
2.碳酸的酸性比硅酸强,某化学课外小组搜集了大量的证据证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性。
其中能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是()
A.CO2溶于水形成碳酸,SiO2难溶于水
B.CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀
C.高温下SiO2与碳酸钙、碳酸钠等固体反应生成CO2
D.氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出的气体再通入可溶性硅酸盐溶液中生成沉淀
B[根据强酸制弱酸的原理,CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀,此项实验事实可证明碳酸的酸性比硅酸强。
]
[当堂达标固双基]
1.下列各组物质间,不能发生反应的是()
【导学号:
32602167】
A.二氧化硅与氧化钙(高温)
B.二氧化硅与氢氧化钠溶液(常温)
C.二氧化硅与碳(高温)
D.二氧化硅与浓盐酸(常温)
D[SiO2与浓盐酸不能发生反应。
]
2.下列叙述正确的是()
A.CO2与SiO2都能跟H20反应生成相应的酸
B.SiO2与CO2都不能与酸反应
C.SiO2与CO2都能够与氢氧化钠溶液反应
D.水晶的主要成分是SiC
C[A项,CO2与水反应,SiO2不与水反应,也不溶于水;B项,SiO2为酸性氧化物,能与HF反应,但CO2不与酸反应;C项,SiO2、CO2均能与NaOH溶液反应:
SiO2+2NaOH===Na2SQ3+H2O,CQ+2NaOH===Na2CO3+H2O;
D项,水晶主要成分是SiO2,SiC俗称金刚砂。
]
3.赏心悦目的雕花玻璃是用下列物质中的一种对玻璃进行刻蚀而制成的。
这种物质是()
A.硫酸B.碳酸钠
C.烧碱D.氢氟酸
D[玻璃中含有SiO2,SiO2与氢氟酸反应生成气体SiF4。
]
4.下列说法正确的是()
【导学号:
32602168】
A.硅、二氧化硅都能与NaOH溶液反应放出氢气
B•泡花碱的主要成分不属于硅酸盐
C.可用H2在高温下还原SiCl4的方法制取硅
D.硅的性质较稳定,不会与氯气、氧气反应
C[A项,SiO2与NaOH反应不生成H2;B项,泡花碱为Na2SiO3,属于硅
酸盐;D项,Si与Cl2、O2可以反应。
]
5.为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱,某学生设计了如图所示的装置,一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。
请据此回答:
⑴锥形瓶A中装Na2CO3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)由此可得出的结论是酸性>>。
【解析】根据强酸+弱酸盐一宀弱酸+强酸盐分析可知,分液漏斗中盛装盐酸,A中可盛放Na2CO3,根据Na2CO3+2HCI===2NaCI+H2O+CO2T可以知道酸性HCI强于H2CO3,然后将生成的CO2通入Na2SiO3溶液中,反应为NazSiOs+CO2+H2O===H2SiO3^+Na2CO3,由此判断酸性H2CO3>H2SiO3,但需注意的是A中反应会有HCI气体逸出,故通入Na2SiO3溶液前需将HCI吸收,但不能吸收CO2,故可选用饱和NaHCO3溶液。
【答案】
(1)盐酸⑵饱和NaHCO3溶液吸收HCI气体(3)Na2SiO3溶
液SiO3+CO2+H2O===H2SiO3J+CO3(4)HCIH2CO3H2SQ3
Si及其化合物的特性及应用
(1)一般情况下,非金属元素单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅和金刚石
熔、沸点高,硬度大,其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
(2)一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体,石墨为电的良导体。
⑶Si的还原性大于C,但单质C在高温下能从SiO2中还原出Si:
SiO2+2C==温==Si+2COT
(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂,且无氢气放出,但硅
与碱溶液反应只作还原剂,且反应能放出氢气:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+
2H2to
(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能与氢氟酸反应:
Si+
4HF===SiF4t+2H2to
(6)SiO2为酸性氧化物,但与氢氟酸反应。
(7)H2SiO3为唯一的不溶于水的含氧酸。
高温
CO2(8)酸性H2CO3强于H2SQ3但可以发生反应SiO2+Na2CO3=====Na2SiO3+
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