41《无机非金属材料的主角硅》.docx
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41《无机非金属材料的主角硅》
知识点一 二氧化硅和硅酸
1.硅在自然界中的存在
(1)含量
硅在地壳中的含量占第二位,仅次于氧。
(2)原子结构特点
硅的原子结构示意图为
,最外层有4个电子,和碳一样,其原子既不易失去
电子也不易得到电子,主要形成四价的化合物。
硅是无机界的主角,碳是有机界的主角。
(3)硅元素的存在
硅主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在,它们占地壳质量的90%以上。
在自然界中,没有游离态的硅,只有化合态的硅。
2.二氧化硅
(1)二氧化硅的存在
SiO2是硅最重要的化合物,其存在形态有结晶形和无定形两大类,统称硅石。
石英晶体是结晶的二氧化硅,其中无色透明的晶体叫水晶,具有彩色环带状或层状的称为玛瑙。
沙子中含有小粒的石英晶体。
(2)二氧化硅的结构
SiO2晶体有多种晶型,其基本结构单元如图所示:
该结构为四面体结构,每个Si周围有4个O,而每个O跟2个Si相结合,所以SiO2是由Si和O按原子个数比为1∶2所组成的具有立体网状结构的晶体,如图所示。
⑶物理性质
SiO2的网状结构决定SiO2是不溶于水的固体,熔、沸点高,硬度大。
⑷化学性质
①SiO2是酸性氧化物,具有酸性氧化物的通性,在一定条件下能与碱性氧化物和碱反应生成盐。
SiO2是硅酸的酸酐,但不与水反应。
a.可以与强碱如NaOH等反应,方程式为:
SiO2 + 2NaOH=Na2SiO3 + H2O
特别提醒
盛放NaOH(或其他碱性)溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,要用橡胶塞,因玻璃的主要成分之一是SiO2,会与NaOH在常温下反应生成Na2SiO3,特别是瓶颈的磨砂部分更易与NaOH反应。
②特性
与氢氟酸(HF)反应——HF是唯一可以与SiO2发生反应的酸。
SiO2化学性质很不活泼,除氢氟酸外不与其他酸反应,SiO2与HF反应的化学方程式为:
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O,故氢氟酸可用于刻蚀玻璃。
特别提醒
因为SiO2是玻璃的主要成分之一,所以氢氟酸能腐蚀玻璃,因此,氢氟酸在保存时不能盛放于玻璃瓶里,可以存在于塑料瓶里。
③弱氧化性
SiO2中硅元素的化合价为+4价,是硅元素的最高价,因此SiO2具有一定的氧化性,高温时可被C还原。
⑸二氧化硅的用途
①以SiO2为主要成分的沙子仍是基本的建筑材料;
②制备实验室使用的石英坩埚;
③是信息调整公路的骨架—光导纤维的主要成分;
④用石英、玛瑙制作工艺饰品;
⑤电子工业的重要部件、光学仪器。
3.硅酸
⑴硅酸的性质
硅酸是一种很弱的酸,其酸性比碳酸还弱,溶解度很小。
①不稳定性。
⑵硅酸的制备
二氧化硅是硅酸的酸酐,因SiO2不溶于水,所以硅酸只能通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得。
现象
在饱和Na2SiO3溶液中,滴加酚酞溶液呈红色。
逐滴加入稀盐酸,有透明的凝胶产生,溶液红色逐渐变浅最后完全褪色。
结论
硅酸钠水溶液呈碱性,在饱和Na2SiO3溶液中,滴加稀盐酸,生成硅酸凝胶。
化学方程式
Na2SiO3 + 2HCl= H2SiO3↓+2NaCl
离子方程式
SiO32- + 2H+ = H2SiO3↓
特别提醒:
硅酸制备过程中利用了复分解反应的一般规律:
酸性较强的酸可制取酸性较弱的酸。
将纯净的二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中,可看到有硅酸胶体生成,证明碳酸的酸性比硅酸强。
可利用如下实验装置进行实验,同时能证明酸性:
盐酸>碳酸>硅酸。
⑶用途
硅酸容易聚合形成硅酸溶胶,硅酸浓度较大时,则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。
硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干凝胶,称为“硅胶”。
硅胶常用作食品等干燥剂,也可用作催化剂的载体。
知识点二:
硅酸盐
1.硅酸盐
⑴概念
硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。
⑵性质
硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质,熔点较高,大多不溶于水,化学性质很稳定。
⑶存在
硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分,自然界中存在各种天然硅酸盐矿物,约占地壳质量的95%。
⑷硅酸盐组成的表示
①规律:
硅酸盐结构复杂,常以氧化物形式表示(但不能认为它们的成分就是氧化物)。
硅酸盐中的Si元素,以SiO2的形式表示,金属元素如Na、K、Mg、Al、Ca等,以它们常见的氧化物形式表示,H元素以H2O的形式表示。
氧化物的书写顺序一般是:
较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→二氧化硅→水。
例如:
硅酸钠:
Na2O·SiO2
石棉:
CaO·3MgO·4SiO2
钾长石:
K2O·Al2O3·6SiO2
普通玻璃:
Na2O·CaO·6SiO2
②注意事项:
氧化物化学式之间以“·”隔开;系数配置出现分数时应化为整数。
例如:
长石KAlSi3O8不能写成
K2O·
Al2O3·3SiO2,应写成K2O·Al2O3·6SiO2 。
特别提醒:
硅酸盐的组成与结构很复杂,氧化物形式只是一种表达方式,并不代表其真实的组成。
2.最简的硅酸盐——硅酸钠(Na2SiO3)
(1)物理性质
Na2SiO3是白色固体,俗称泡花碱,易溶于水,其水溶液俗称水玻璃,是无色黏稠状的液体,是一种很好的黏合剂,所以盛放水玻璃的试剂瓶不能用玻璃塞,而要用橡胶塞。
(2)化学性质
①有很强的热稳定性,即能耐高温。
②与比硅酸酸性强的一些酸反应,生成难溶于水的硅酸。
反应物或实验操作
化学方程式
离子方程式
少量CO2通入Na2SiO3溶液中
Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓(胶体)
SiO32-+CO2+H2O=CO32-+H2SiO3↓(胶体)
过量CO2通入Na2SiO3溶液中
Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3↓
(胶体)
SiO32-+2CO2+2H2O=2HCO3-+H2SiO3↓
(胶体)
盐酸与硅酸钠
溶液的反应
Na2SiO3 +2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
(胶体)
SiO32- +2H+ =H2SiO3↓(胶体)
(3)用途:
水玻璃是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
3. 三种常见的硅酸盐产品
人类创造出的三大传统硅酸盐产品有陶瓷、玻璃、水泥。
它们是使用量最大的无机非金属材料。
4.新型含硅物质
物质名称
性能
主要用途
碳化硅(SiC,俗称金刚砂)
具有金刚石结构,硬度很大
可用作砂纸、砂轮的磨料
硅钢
含硅4%的钢,具有很高的导磁性
主要用作变压器铁芯
硅橡胶
是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶,在-60~
250℃仍能保持良好的弹性
用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等
分子筛
人工制造的分子筛是一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐
主要用作吸附剂和催化剂等
5.新型陶瓷的性能及用途
品种
主要性能
主要用途
高温结构陶瓷
①耐高温;②耐氧化;
③耐磨蚀
耐高温材料,可用于洲际导弹的端头、火箭发动机的尾管及燃烧室等,也是汽车发动机、喷气发动机的理想材料
压电陶瓷
能实现机械能与电能的相互转化
可用于电波滤波器、通话器、声纳探伤器、点火器等
透明陶瓷
①优异的光学性能;
②耐高温;③绝缘性好
可用于制高压钠灯的灯管、防弹“玻璃”
超导陶瓷
超导性
超导材料
6.硅酸盐的丰富性和多样性
A1与Si在元素周期表中位置相邻,粒子大小相近, Al3+置换硅酸盐中部分+4价的Si,并引入其他正离子使化合物保持电中性,从而形成复杂多样的硅酸盐。
硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性,决定了其应用的选择性。
例如,土壤胶体粒子因其表面积巨大且带负电,能吸附NH4+、K+等数多种生物所需的营养离子,所以土壤具有保肥能力。
知识点三:
硅单质
1.硅单质的种类及结构
与碳相似,硅单质也有晶体和无定形两种,晶体硅的结构与金刚石类似,都是空间网状结构。
2.晶体硅的物理性质
晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体,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。
3.化学性质
(1)在常温下,硅的化学性质不活泼,不易与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等发生反应,但能与F2、HF和强碱反应。
例如:
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3 +2H2↑;Si+2F2 =SiF4;Si+4HF = SiF4↑+2H2↑。
(2)在加热时,纯硅能与某些非金属单质发生反应。
如加热时研细的硅能在氧气中燃烧:
4.硅的制备
由于自然界中没有单质硅的存在,因此我们使用的硅,都是从它的化合物中提取的。
在工业上,用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅,将粗硅提纯后,可以得到高纯硅。
5.硅的用途
⑴用作半导体材料,如制硅芯片促进信息技术革命。
⑵硅合金可用来制造变压器铁芯,耐酸设备等。
⑶制造光电池,将光能直接转换为电能,可用作计算器、人造卫星、火星探测器、
太阳能电动车等的动力,是极有发展前景的新型能源。
拓展点一:
碳、硅单质及其氧化物性质的比较
碳、硅两种元素均为非金属元素,其原子的电子层数不同,但最外层电子数均为4,所以它们的单质和化合物的性质既有相似性又有差异性。
1.单质碳和单质硅的比较
2.二氧化碳和二氧化硅的比较
特别提醒:
SiO2同CO2一样为酸性氧化物,与碱反应是酸性氧化物的通性,而与氢氟酸反应只是SiO2特性。
拓展点二:
硅及其化合物的特性
1.Si的还原性大于C,但C却能在高温下还原出Si:
SiO2 +2C Si+2CO↑。
2.非金属单质跟碱溶液作用一般无H2放出,但Si却放出H2:
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3 +2H2↑。
3.非金属单质一般不跟非氧化性酸作用,但Si能与HF作用:
Si+4HF=SiF4↑+2H2↑。
4.非金属单质一般为非导体,但Si为半导体。
5.SiO2是H2SiO3的酸酐,但SiO2不溶于水,不能直接将SiO2与水作用制备H2SiO3。
6.非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的却很高。
7.酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能跟HF作用:
SiO2 +4HF=SiF4↑+2H2O
8.无机酸一般易溶于水,H2SiO3却难溶于水。
9.因H2CO3的酸性大于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入少量的CO2能发生下列反应:
Na2SiO3 +CO2 +H2O=H2SiO3↓+Na2CO3,若通入过量的CO2则发生下列反应:
Na2SiO3 +2CO2 +2H2O=H2SiO3↓+2NaHCO3,但在高温下Na2CO3 +SiO2 Na2SiO3 +CO2↑也能发生,原因:
在高温下反应,生成的CO2是气体,其生成后离开反应体系使反应向右进行到底。
10.硅酸盐大多数难溶于水,常见的可溶性硅酸盐为Na2SiO3,其水溶液俗称水玻璃,可用做黏胶剂和木材防火剂。
考试•典例与方法
考点一:
硅的存在
例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,能跟酸或碱的溶液发生化学反应
D.自然界中二氧化硅都存在于石英中
解析:
自然界中硅的含量很高,但都是以化合态形式存在,A选项错误;硅是亲氧元素,在自然界中主要以氧化物及硅酸盐形式存在,如石英、水晶、硅石等主要成分都是二氧化硅,C项正确,D项错误;二氧化硅的性质很稳定,C项错误。
答案:
B
点评:
二氧化硅虽然能够和碱性氧化物、碱溶液反应,但不能说明二氧化硅的化学性质就活泼。
变式训练1:
下列物质中,主要成分不是SiO2的是( )
A.刚玉 B.玛瑙 C.水晶 D.石英
考点二:
SiO2的性质
例2:
下列叙述正确的是 ( )
A.因为有反应Na2CO3+SiO2=高温=Na2SiO3 + CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸强
B.碳和硅都是ⅣA族的元素,所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似
C.二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又能溶于氢氟酸,所以二氧化硅是两性氧化物
D.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物,但二氧化硅不能和水反应生成硅酸
解析:
根据酸盐之间复分解反应进行的方向判断酸性强弱一般是在常温湿态下适用,在高温干态下不适用,事实上碳酸酸性比硅酸强,故A项错误;CO2和SiO2属不同类型晶体,在物理性质方面有很大差异,故B项错误;SiO2与氢氟酸反应,不属于酸性氧化物的通性,故C项错误;SiO2虽属于酸性氧化物,但不能直接与H2O反应生成H2SiO3,D项正确。
答案:
D
点评:
Si02高温下能与碳酸盐反应,不能说明硅酸的酸性比碳酸强,而是遵循高沸点物质制低沸点物质的原理,又由于CO2是气体,生成后脱离反应体系,使反应向右进行彻底。
变式训练2-1:
下列有关说法正确的是 ( )
A.CO2与水反应生成碳酸,是酸性氧化物;SiO2不能与水反应生成相应的硅酸,不是酸性
氧化物
B.NaOH溶液不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放
C.除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质应选用水
D.粗硅制备时,发生的反应为:
SiO2 +C=Si+CO2↑
例2-2:
熔融烧碱应选用的器皿是( )
A.石英坩埚 B.普通玻璃坩埚
C.生铁坩埚 D.刚玉坩埚
解析:
石英坩埚和普通玻璃坩埚中都含有SiO2,烧碱能与SiO2发生如下反应:
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O;刚玉坩埚的主要成分是Al2O3,也能与NaOH反应:
Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O。
答案:
C
点评:
二氧化硅的化学性质是一个重要考点,而二氧化硅与碱的反应更是重点,应牢固掌握SiO2与NaOH的反应。
变式训练2-2:
证明生石灰中既混有石英,又混有石灰石的正确方法是( )
A.加入过量的盐酸,观察是否有气泡冒出
B.加入过量的烧碱溶液,观察是否有固体溶解
C.加热至高温,观察是否有气泡冒出,是否有硅酸钙生成
D.先加过量的盐酸搅拌,观察是否有不溶物剩余及气泡出现;若有不溶物则滤出,投入到氢氧化钠溶液中看其是否溶解
考点三:
硅酸的性质及制备
例3:
能证明碳酸比硅酸酸性强的实验事实是( )
A.CO2是气体,SiO2是固体
B.高温下能发生反应:
Na2CO3+SiO2 ==高温==Na2SiO3+CO2↑
C.CO2溶于水生成碳酸,而SiO2却不溶于水
D.CO2通入NaSiO3溶液中有胶状沉淀生成
解析:
氧化物的状态不能决定其水化物的酸性强弱,故A错误;该反应之所以能发生是因为生成了挥发性的气体二氧化碳,故B错误;氧化物的水溶性不能决定其水化物的酸性强弱,故C错误;CO2+H2O+Na2SiO3═Na2CO3+H2SiO3↓,根据酸性较强的酸可制取酸性较弱的酸的原则,所以酸性:
碳酸>硅酸,故D正确。
答案:
D
点评:
根据化学反应遵循强酸制弱酸的原则,比较碳酸比硅酸强的反应应在水溶液中进行。
变式训练3:
为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱,某学生设计了如下图所示的装置,一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。
请据此回答:
(1)试写出试剂a、b、c、d的名称:
a. ,b. ,c. ,d. 。
(2)装置B的作用是 。
(3)写出A、B、C中发生反应的化学方程式:
A.
B.
C.
(4)实验结论:
酸性由强到弱的顺序是 。
考点四:
硅酸盐和无机非金属材料
例4-1:
蛇纹石由MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3组成。
现取一份蛇纹石试样进行实验,首先将其溶于过量的盐酸,过滤后,得到沉淀X和滤液Y。
下列叙述正确的是( )
A.沉淀X的成分是SiO2、Fe2O3
B.从蛇纹石组成看,其成分皆是碱性氧化物
C.溶液Y中的阳离子主要是Mg2+、Al3+、Fe3+、H+
D.在滤液Y中加入过量的氨水,过滤得到的沉淀的成分是Fe(OH)3和Mg(OH)2
解析:
混合物中加入过量的盐酸后,MgO、Al2O3、Fe2O3会与盐酸反应生成MgCl2、AlCl3、FeCl3,而SiO2不会溶于盐酸,所以得到的沉淀是二氧化硅,故A错误;蛇纹石由MgO、A12O3、SiO2、Fe2O3组成,MgO,Fe2O3是碱性氧化物,A12O3是两性氧化物,SiO2是酸性氧化物,故B错误;在滤液Y中加入过量的氨水,生成的氢氧化铝沉淀是两性氢氧化物不溶于弱酸、弱碱,所以过滤得到的沉淀的成分是Fe(OH)3、Mg(OH)2和Al(OH)3,故D错误。
答案:
C
点评:
本题考查物质的组成和性质,明确组成中各物质与酸、碱发生的化学反应是解答本题的关键,难度不大,关键是理解氧化铝是两性氧化物,氢氧化铝是两性氢氧化物。
变式训练4-1:
某科研小组用高岭土(主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O并含少量CaO、Fe2O3)研制新型净水剂(铝的化合物)。
其步骤如下:
将土样和纯碱混匀,加热熔融,冷却后用水浸取熔块,过滤,弃去残渣。
滤液用过量盐酸酸化,经过滤,分别得到沉淀和溶液,溶液即为净水剂。
(1)熔融时主要成分与纯碱的反应方程式(A12O3与纯碱反应和SiO2与纯碱反应相似)为:
__________________________________________ 。
(2)最后沉淀物是___________,生成该沉淀的离子方程式为_____________________ 。
(3)净水剂的净水原理是_____________________ 。
(4)实验室常用的坩埚有瓷坩埚、铁坩埚和刚玉坩埚,本实验在熔融土样时应选用____坩埚。
例4-2:
某课外活动小组测得某硅酸盐所含氧化物的质量分数如下表:
氧化物
CaO
Al2O3
SiO2
H2O
质量分数
0.1420
0.2602
0.4592
0.1378
(1)用氧化物形式表示该硅酸盐的组成为____________ 。
(2)1mol该硅酸盐与足量稀盐酸完全反应,消耗HCl ____mol。
(3)工业上制普通玻璃的化学方程式为_________________________________________
。
(4)能否用该硅酸盐制成的坩埚用来熔化NaOH固体?
(填“能”或“不能”)。
解析:
(1)假定该硅酸盐的质量为100g,则根据各氧化物的质量分数可得n(CaO)∶n(Al2O3)∶n(SiO2)∶n(H2O)=1∶1∶3∶3,用氧化物形式可表示为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O。
(2)CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O中的CaO、Al2O3都能与稀盐酸反应,故1mol该硅酸盐与足量稀盐酸完全反应,共消耗8mol HCl。
(4)Al2O3、SiO2都能与NaOH反应,所以不能用该硅酸盐制成的坩埚来熔化NaOH固体。
答案:
(1) CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
(2)8
(3) SiO2十Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑、
SiO2十CaCO3
CaSiO3+CO2↑ (4)不能
点评:
解答时易出现以下易错点:
一是不清楚表格数据的含义,不能正确计算出该硅酸盐的化学式导致错解;二是直接根据硅酸盐的化学式而不是根据其氧化物的形式来判断与稀盐酸的反应,误认为该硅盐酸不与稀盐酸反应。
变式训练4-2:
用二氧化硅和金属氧化物的形式表示硅酸盐的组成,其中不正确的是()
A.钙沸石(CaAl2Si3O10·3H2O)表示为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
B.镁橄榄石(Mg2SiO4)表示为2MgO·3SiO2
C.正长石(KAlSi3O8)表示为K2O·Al2O3·6SiO2
D.钾云母( K2Al6Si6H4O24)表示为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
考点五:
硅的性质及制备
例5:
硅单质及其化合物应用范围很广。
请回答下列问题:
(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅,三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法,生产过程示意图如下:
①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式__________________________________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。
SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质,写出该反应的化学反应方程式:
___________________ ;
H2还原SiHCl3过程中若混入O2,可能引起的后果是________________________________。
(2)下列有关硅材料的说法正确的是________ (填字母)。
A.碳化硅化学性质稳定,可用于生产砂纸、砂轮等
B.氮化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C.高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维
D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的,其熔点很高
E.盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
解析:
(1)①H2还原SiHCl3可制备Si,化学方程式为:
SiHCl3 +H2
Si +3HCl。
②SiHCl3与H2O反应生成H2SiO3、HCl和H2;用H2还原SiHCl3过程中若混入O2,则高温下H2与O2反应发生爆炸。
(2)A项,碳化硅硬度很大,可用于生产砂纸、砂轮等;B项,氮化硅熔点、硬度大,可用于制作高温结构陶瓷或轴承;D项,普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaCO3,是由石英(SiO2)、石灰石、纯碱在高温下反应制成的,化学方程式为Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+
CO2↑,CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑;E项,Si与HCl不反应。
答案:
(1)①SiHCl3 +H2 Si +3HCl
②SiHCl3 + 3H2O=H2SiO3↓+3HCl+H2↑
高温下H2遇O2发生爆炸
(2)ABC
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