《硅和二氧化硅》导学案+课时作业.docx
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《硅和二氧化硅》导学案+课时作业
第1节 硅、无机非金属材料
第1课时 硅和二氧化硅
[学习目标] 1.能从材料组成角度对生活中常见的材料进行分类,能根据使用要求选择适当的材料。
2.知道硅、二氧化硅的性能,主要用途。
一、单质硅与半导体材料
1.硅在自然界中的存在
(1)硅在自然界中仅以
化合态的形式存在,常见的化合态的硅有
二氧化硅和
硅酸盐等,它们广泛存在于各种矿物和岩石中。
(2)硅的同素异形体
2.晶体硅的物理性质
3.单质硅的化学性质
常温下,硅的化学性质不活泼,它不易与H2、O2、Cl2、H2SO4、HNO3等物质发生反应,在加热或高温条件下,硅能与某些非金属单质发生反应。
如:
与Cl2反应:
Si+2Cl2
SiCl4
与O2反应:
Si+O2
SiO2(加热时研细的硅能在氧气中燃烧)。
4.粗硅的制备
SiO2+2C
Si+2CO↑
5.硅的用途
(1)
高纯硅可以用来做半导体材料,超高纯度的硅芯片广泛应用于大规模集成电路及相应的计算机技术中。
(2)单质硅用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等。
(3)硅合金的用途也很广,含硅
4%的钢具有良好的导磁性,可以用来制造
变压器铁芯;含硅
15%左右的钢具有良好的耐酸性,可以用来制造
耐酸设备等。
二、二氧化硅与光导纤维
1.二氧化硅的存在
二氧化硅
2.二氧化硅的物理性质
纯净的二氧化硅晶体
无色,熔点
高,硬度
大,
不溶于水,不溶于其他一般溶剂。
3.二氧化硅的化学性质
SiO2是一种
酸性氧化物,其化学性质不活泼,在通常情况下,不与水、酸(
氢氟酸除外)发生反应,能与碱溶液缓慢反应,在高温下能与
碱性氧化物反应。
(1)
(2)弱氧化性(与碳反应):
SiO2+2C
Si+2CO↑
(3)与某些盐反应:
SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3
CaSiO3+CO2↑
(4)特性(SiO2能与氢氟酸反应):
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
4.二氧化硅的用途
(1)二氧化硅常被用来制造石英表中的压电材料。
(2)水晶常被用来制造电子部件和光学仪器等。
(3)二氧化硅常被用来制造高性能的现代通讯材料——光导纤维。
一、硅与半导体材料
[交流研讨]
1.作为非金属单质Si与前面探讨的非金属单质O2、Cl2、S、C、N2、Br2等的性质类似吗?
提示:
Si不易与金属反应而在加热条件下可与非金属如:
O2、Cl2等反应,这是Si与O2、Cl2、Br2等的不同之处。
2.硅能够成为一种重要的半导体材料可能因为它有什么性质?
提示:
具有导电性介于导体与绝缘体之间的性质,也就是介于金属与非金属之间的性质。
[点拨提升]
1.反应SiO2+2C
Si+2CO↑是氧化还原反应,二氧化硅是氧化剂,碳是还原剂;该反应的产物是CO,不是CO2。
2.粗硅在加热条件下和Cl2反应生成SiCl4,SiCl4的沸点较低,受热容易转化为气体,从而达到和固体物质分离的目的,SiCl4和H2在高温条件下可以发生反应生成Si和HCl气体;这说明硅与HCl不反应,工业上就是利用这种方式由粗硅制纯硅的。
知识拓展
常温下,硅能与F2、HF和强碱溶液反应:
Si+2F2===SiF4
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑
其中Si与HF、Si与强碱溶液反应产生H2是Si的特性。
[练习与活动]
1.下列物质中,导电性介于导体和绝缘体之间的是( )
①晶体硅 ②金属铝 ③石墨 ④晶体锗 ⑤金刚石
A.只有①B.只有⑤
C.②和③D.①和④
答案 D
解析 Si、Ge导电性介于导体和绝缘体之间,可作半导体材料;Al是电的良导体;石墨也能导电,不能作半导体材料;金刚石不导电。
2.硅谷是世界上最知名的电子工业集中地,以硅芯片的设计与制造著称于世。
下列有关硅的说法中正确的是( )
A.硅既不易失去电子又不易得到电子,所以既不能做氧化剂,又不能做还原剂
B.硅是构成矿物和岩石的主要元素,硅在地壳中的含量居第一位
C.硅的化学性质不活泼,在自然界中以游离态的形式存在
D.在电子工业中,硅是最重要的半导体材料
答案 D
解析 在一定条件下,硅可以发生氧化还原反应,A项错误;硅在地壳中的含量居第二位,B项错误;自然界中只有化合态的硅,C项错误。
二、SiO2的性质
[交流研讨]
从物质的分类看SiO2属于哪一类?
可能具有什么性质?
提示:
SiO2属于酸性氧化物;它具有酸性氧化物的通性——能与碱、碱性氧化物反应。
[点拨提升]
SiO2与CO2的比较
知识拓展
SiO2和H2SiO3的特性
(1)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接用它与水反应来制取H2SiO3。
(2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的却很高。
(3)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能跟HF作用:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(4)H2CO3的酸性大于H2SiO3,所以有Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑也能发生,原因
是CO2是低沸点、易挥发的气体,SiO2是高沸点、难挥发的固体。
(5)无机酸一般易溶于水,但H2SiO3却难溶于水,且易分解:
H2SiO3
SiO2+H2O。
[练习与活动]
3.关于二氧化硅,下列叙述不正确的是( )
A.水晶的主要成分是二氧化硅
B.二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别
C.二氧化硅不溶于水,也不能跟水起反应生成酸
D.二氧化硅是一种酸性氧化物,它不跟任何酸起反应
答案 D
解析 水晶的主要成分为SiO2,A项正确;CO2是由分子构成的,而SiO2是Si和O按1∶2组成的空间立体网状结构的晶体,二者物理性质差别很大,B正确;SiO2不溶于水也不与水反应,C项正确;SiO2是酸性氧化物,但SiO2能和氢氟酸反应,D项不正确。
4.下列物质:
①水;②氢氟酸;③烧碱溶液;④浓硫酸;⑤氧化钙;⑥浓硝酸;⑦碳酸钠固体。
其中,在一定条件下能与SiO2反应的是( )
A.只有②③⑤⑦B.只有①③⑤⑥
C.只有①④⑥D.全部
答案 A
解析 SiO2不与水、浓硫酸、浓硝酸反应,与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O,与烧碱溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O,与氧化钙反应的化学方程式为SiO2+CaO
CaSiO3,与碳酸钠固体反应的化学方程式为SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+
CO2↑。
本课小结
学习·理解
1.下列关于硅的说法不正确的是( )
A.硅在地壳中的含量仅次于氧
B.硅在自然界中既有化合态,又有游离态
C.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
D.硅单质的导电能力介于导体和绝缘体之间
答案 B
解析 自然界中没有游离态的硅,B项错误。
2.下列关于硅单质用途的说法不正确的是( )
A.硅可用于制太阳能电池
B.硅的晶体结构类似于金刚石,熔点高,硬度大
C.硅属于金属
D.硅是良好的半导体材料
答案 C
解析 硅属于非金属,C不正确。
3.下列物质的主要成分不是二氧化硅的是( )
A.石英B.水晶
C.计算机芯片D.沙子
答案 C
解析 石英、水晶、沙子的主要成分是SiO2,计算机芯片的主要成分是Si。
4.下列说法中,正确的是( )
A.SiO2和CO2均由分子直接组成
B.CO2、SiO2均能和氢氟酸反应
C.CO2和SiO2都是酸性氧化物,在一定条件下都能和氧化钙反应
D.CO2、SiO2分别是H2CO3、H2SiO3的酸酐,因而均可由CO2、SiO2与水反应制得相应的酸
答案 C
解析 A项,SiO2由Si、O原子组成;B项,CO2不能与氢氟酸反应;D项SiO2不能与水反应生成硅酸。
5.(双选)鉴别CaCO3和SiO2选用( )
A.水B.盐酸
C.稀硫酸D.烧碱溶液
答案 BD
解析 CaCO3和SiO2均不溶于水,A错误;分别加入盐酸,若有气泡生成则为CaCO3,若固体不溶则为SiO2,B正确;分别加入稀硫酸,CaCO3与H2SO4反应生成的微溶物CaSO4覆盖在CaCO3表面,阻碍反应进行,SiO2与H2SO4不反应,故选用稀硫酸现象不明显,C错误;CaCO3与烧碱溶液不反应,SiO2可溶于烧碱溶液,D正确。
6.制备硅单质时,主要化学反应如下:
①SiO2(石英砂)+2C(焦炭)
Si(粗硅)+2CO↑;
②Si(粗硅)+2Cl2
SiCl4;
③SiCl4+2H2
Si(纯硅)+4HCl,下列对上述三个反应的叙述中,不正确的是( )
A.①③为置换反应
B.①②③均为氧化还原反应
C.②为化合反应
D.三个反应的反应物中硅元素均被还原
答案 D
解析 在反应②中Si元素化合价升高,被氧化。
7.下列反应中含硅化合物表现出了不同的作用或性质。
根据要求,填写下列空白:
A.SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
B.Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓
C.SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
D.SiO2+2C
Si+2CO↑
(1)体现SiO2具有酸性氧化物通性的反应是________(填序号,下同)。
(2)体现强酸制弱酸原理的反应是________。
(3)可表示刻蚀玻璃原理的反应是________。
(4)体现SiO2弱氧化性的反应是________。
答案
(1)C
(2)B (3)A (4)D
解析 酸性:
HCl>H2SiO3,故Na2SiO3可与HCl反应制取H2SiO3。
玻璃中含有SiO2,HF可与SiO2反应生成SiF4气体,因而可用HF刻蚀玻璃。
应用·实践
8.有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。
下列有关说法不正确的是( )
A.硅便于运输、贮存,从安全角度考虑,硅是最佳的燃料
B.自然界中的含硅化合物易开采
C.硅燃烧放出大量的热,燃烧产物对环境的污染程度较低
D.自然界中存在大量单质硅
答案 D
解析 硅在常温下是固体,性质稳定,便于贮存,较为安全,A正确;硅的化合物在自然界中存在广泛,含硅化合物易开采,B正确;硅的燃烧产物为SiO2,对环境的污染程度较低,C正确;自然界中没有游离态的硅,D错误。
9.下列有关硅及其化合物的说法正确的是( )
A.晶体硅具有金属光泽,可以导电,属于金属材料
B.常温下,硅的化学性质稳定,所以自然界中的硅大部分以游离态存在
C.SiO2是一种酸性氧化物,能够与水反应生成相应的酸
D.除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸
答案 D
解析 A项,晶体硅虽然具有金属光泽,但它属于非金属单质;其导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料。
B项,虽然常温下硅的化学性质稳定,但自然界中没有游离态的硅,它主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
C项,SiO2不同于其他酸性氧化物,它不溶于水也不与水反应。
D项,SiO2不溶于稀盐酸,可使用稀盐酸除去其中混有的CaCO3,化学方程式为CaCO3+2HCl===CaCl2+CO2↑+H2O。
10.一定条件下,下列物质与二氧化碳、二氧化硅均不反应的是( )
A.氧气B.氢氟酸
C.澄清石灰水D.碳
答案 A
解析 B项,SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O;C项,CO2+Ca(OH)2===CaCO3↓+H2O或2CO2+Ca(OH)2===Ca(HCO3)2,Ca(OH)2+SiO2===CaSiO3↓+H2O;D项,CO2+C
2CO,SiO2+2C
Si+2CO↑。
11.在一定条件下,既能与CO2反应,又能跟SiO2反应的物质是( )
①NaHCO3溶液 ②浓硫酸 ③NaOH溶液 ④碳
A.①②B.①③C.②④D.③④
答案 D
解析 SiO2和CO2都属于酸性氧化物,能与碱反应,同时二者均具有弱氧化性,一定条件下能与单质碳反应。
12.下列说法正确的是( )
A.硅是人类将太阳能转化为电能常用的材料
B.由粗硅制备纯硅不涉及氧化还原反应
C.反应:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑中,Si为还原剂,NaOH和H2O为氧化剂
D.硅能与盐酸反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
答案 A
解析 B项,粗硅提纯过程中发生的反应有Si(粗)+2Cl2
SiCl4、SiCl4+2H2
Si(纯)+4HCl,均为氧化还原反应,错误;C项,硅与NaOH溶液的反应可看成两步:
①Si+3H2O===H2SiO3+2H2↑,②H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O,其中①为氧化还原反应,②为非氧化还原反应,因此NaOH既不是氧化剂,也不是还原剂,起氧化作用的只是H2O,错误;D项,硅不与盐酸反应,错误。
13.对于化学反应SiO2+3C
SiC+2CO↑,下列有关分析正确的是
( )
A.在反应中,SiO2做氧化剂,C(碳)做还原剂
B.硅元素被还原,碳元素被氧化
C.在反应中,C(碳)只做还原剂
D.在反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
答案 D
解析 用双线桥法表示题给反应中电子转移的方向及数目为
SiO2、SiC中Si均为+4价,故反应中只有C(碳)化合价发生改变,氧化剂和还原剂均为C(碳),其中做氧化剂的C(碳)转化为SiC,做还原剂的C(碳)转化为CO,即n(氧化剂)∶n(还原剂)=1∶2。
14.已知Si+4HF===SiF4↑+2H2↑,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
若硅及其化合物之间存在如图所示转化关系。
其中,B是含硅化合物中的一种气体,D是一种黏合剂,能将磨砂玻璃黏合在一起。
(1)写出C、E的化学式:
C:
________,E:
________。
(2)写出反应③的离子方程式:
___________________________________。
(3)说明C属于酸性氧化物的反应有________。
a.①b.②c.③d.④
答案
(1)SiO2 H2SiO3
(2)SiO
+2H+===H2SiO3↓
(3)b
解析 因D是一种黏合剂且含硅,即D为Na2SiO3,B为含硅化合物中的一种气体,则B为SiF4。
①SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
②2NaOH+SiO2===Na2SiO3+H2O;2OH-+SiO2===SiO
+H2O
③Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓;SiO
+2H+===H2SiO3↓
④H2SiO3
H2O+SiO2。
迁移·创新
15.把河沙(主要成分是SiO2)与镁粉按一定质量比(质量比略大于15∶24)混合均匀,装入试管中加热大约1min后发生剧烈反应,生成一种白色固体化合物和一种硅化物,待生成的混合物冷却后放入盛有稀硫酸的烧杯中,立即产生气泡并伴有爆炸声,产生的气体是一种能在空气中自燃的气态氢化物。
(1)写出河沙与镁粉在加热条件下发生反应的化学方程式:
___________________________________________________________。
(2)生成的混合物放入稀硫酸中,产生的气体是________(填分子式)。
(3)用化学方程式表示产生“爆炸声”的原因:
____________。
答案
(1)SiO2+4Mg
2MgO+Mg2Si
(2)SiH4
(3)SiH4+2O2===SiO2+2H2O
解析
(1)Mg与SiO2在加热条件下反应生成MgO和Mg2Si。
(2)Mg2Si与H2SO4反应生成的气体为硅烷(SiH4)。
(3)SiH4与O2反应生成SiO2和H2O。
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