高三化学一轮复习 41 无机非金属材料的主角硅教学设计.docx
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高三化学一轮复习41无机非金属材料的主角硅教学设计
第四章非金属及其化合物
第一课时无机非金属材料的主角—硅
〖复习目标〗
(1)掌握碳、硅及其化合物的性质、转化关系以及应用。
(2)了解硅酸盐工业、常见无机非金属材料的性质和用途,新型无机非金属材料的特性及其应用。
(3)以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。
(4)了解C、Si单质及其重要化合物对环境的影响。
〖教学重点〗碳、硅及其化合物的性质、转化关系以及应用、常见无机非金属材料的性质和用途
〖教学难点〗以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用
〖教学过程〗
【知识精讲】
1、碳、硅元素及单质
(1)存在形态
自然界中碳元素既有游离态,又有化合态,而硅元素仅有化合态。
碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体,硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。
(2)单质的结构、物理性质与用途比较
碳
硅
结构
金刚石:
空间网状结构
石墨:
层状结构
晶体硅:
与金刚石类似的空间网状结构
物理性质
金刚石熔点高、硬度大
石墨熔点高、质软,有滑腻感
晶体硅为灰黑色固体,有金属光泽、硬度大、熔点高
用途
金刚石用作切割刀具,石墨用作电极、铅笔芯
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
(3)碳、硅单质的化学性质
碳、硅在参与化学反应时,一般表现还原性。
①C
②Si
(4)硅的工业制法
①制取粗硅
工业上,用焦炭在电炉中还原二氧化硅得到含有少量杂质的粗硅。
SiO2+2C
Si+2CO↑
②粗硅提纯
a、Si+2Cl2
SiCl4
SiCl4+2H2
Si+4HCl
b、Si+3HCl
SiHCl3+H2
SiHCl3+H2
Si+3HCl
③注意问题
a、用焦炭还原SiO2,产物是CO而不是CO2。
b、粗硅中含碳等杂质,与Cl2反应生成的SiCl4中也含CCl4等杂质,经过分馏提纯SiCl4后,再用H2还原,得到高纯度硅。
2、CO2和SiO2的比较
物质
二氧化硅
二氧化碳
结构
立体网状结构,不存在单个分子
存在单个CO2分子
主要物理性质
硬度大,熔、沸点高,常温下为固体,不溶于水
熔、沸点低,常温下为气体,微溶于水
化学性质
①与水反应
不反应
CO2+H2OH2CO3
②与酸反应
只与氢氟酸反应:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
不反应
③与碱反应
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)
O2少量:
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O、CO2过量:
CO2+NaOH===NaHCO3
④与盐反应
如与Na2CO3反应:
SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑
如与Na2SiO3反应:
Na2SiO3+H2O+CO2(不足)===H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2H2O+2CO2(足量)===H2SiO3↓+2NaHCO3
⑤与碱性氧化物反应
如与CaO反应:
SiO2+CaO
CaSiO3
如与Na2O反应:
Na2O+CO2===Na2CO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
制饮料、制碳酸盐
3、硅酸
(1)溶解性:
溶解度很小。
(2)化学性质——弱酸性:
酸性比碳酸还弱。
Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓。
①硅酸不稳定,受热易分解:
H2SiO3
SiO2+H2O。
②硅酸能与碱溶液反应,如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O。
③硅酸在水中易聚合形成胶体。
硅胶吸附水分能力强,常用作干燥剂。
(3)制备:
可用硅酸钠与盐酸反应制得:
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
4、硅酸盐
(1)硅酸盐:
是由硅、氧和金属组成的化合物的总称,是构成地壳岩石的重要成分。
(2)硅酸钠:
硅酸钠的水溶液俗称水玻璃,是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
①白色、可溶于水的粉末状固体,其水溶液俗称水玻璃,有黏性,水溶液显碱性。
②它能与酸性比硅酸强的酸反应,分别写出以下化学方程式:
与盐酸反应:
Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓。
与CO2水溶液反应:
Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3。
③用途:
黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
(3)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硅酸盐的组成:
如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2,长石(KAlSi3O8)可表示为:
K2O·Al2O3·6SiO2。
用氧化物形式表示硅酸盐的注意事项
①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。
②氧化物前系数配置原则:
除氧元素外,其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。
③氧化物之间以“·”隔开;系数配置出现分数应化为整数。
例如:
长石:
KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2,应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
5、无机非金属材料
传统无机非金属材料,如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
(1)普通玻璃
①主要原料:
纯碱、石灰石、石英。
②主要设备:
玻璃熔炉
③主要成分:
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。
④玻璃生产中的两个重要反应:
Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑;
CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑。
(2)普通硅酸盐水泥
①主要原料:
石灰石、黏土。
②主要设备:
水泥回转窑
③主要成分(写出名称和化学式):
硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
(3)陶瓷
①主要原料:
黏土
②主要设备:
陶瓷窑
(4)新型无机非金属材料,如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
【方法精讲】
1、碳、硅及其化合物的特性及应用
(1)熔沸点
一般情况下,非金属单质熔沸点低,硬度小,但硅、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,所以可用金刚石制作钻头和切割工具。
(2)导电性
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,所以晶体硅可作半导体材料,石墨可作电极。
(3)SiO2作为酸性氧化物的特性
一般情况下,只有碱性氧化物与酸反应,酸性氧化物只与碱反应,不与酸反应,但SiO2是酸性氧化物,却能与氢氟酸反应:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O,所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸,可以用氢氟酸刻蚀玻璃。
一般情况下,酸性氧化物与水反应均能生成相应的酸,如SO2+H2O
H2SO3,但SiO2不溶于水,不与水反应。
(4)碳与水的反应
一般情况下,只有活泼金属(K、Na、Fe等)才能够置换出水中的氢,但碳单质却能与水蒸气反应:
C+H2O(g)
CO+H2,所以工业上用焦炭制取水煤气或氢气。
(5)硅酸和硅酸盐的溶解性
一般情况下,大多数酸均可溶于水,如盐酸、醋酸、碳酸,但硅酸不溶于水。
硅酸盐大多难溶于水,常见可溶性硅酸盐是Na2SiO3,其水溶液俗称水玻璃,是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
2、CO2的相关性质
(1)二氧化碳与弱酸盐溶液反应(强酸制弱酸)
碳酸酸性比硅酸、次氯酸、苯酚、偏铝酸等强,将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、
、NaAlO2盐溶液中,均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸(氢)盐,这是“强酸制弱酸”原理的应用。
如:
CO2—
CO2+Na2SiO3+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓
(或CO2+Na2SiO3+2H2O===H4SiO4↓+Na2CO3)
CO2+Ca(ClO)2+H2O===CaCO3↓+2HClO
CO2+
+H2O―→
+NaHCO3
CO2(过量)+NaAlO2+2H2O===Al(OH)3↓+NaHCO3
CO2(少量)+2NaAlO2+3H2O===2Al(OH)3↓+Na2CO3
【易错警示】CO2通入CaCl2或BaCl2溶液不会产生白色沉淀,因为碳酸的酸性弱于盐酸。
(2)二氧化碳反应先后关系
当有多种组分与一种物质反应时,判断反应顺序的方法:
先假设与其中的一种组分反应,若产物还能与另一种组分反应,则假设错误。
如将CO2通入KOH、Ba(OH)2混合溶液中,假设CO2先与KOH反应,则生成的K2CO3会与Ba(OH)2继续反应生成BaCO3,故假设错误,应该是CO2先与Ba(OH)2反应。
(3)CO2与碱反应产物的定量判断
CO2通入NaOH、Ca(OH)2等强碱溶液的反应与CO2气体的通入量有关,当CO2通入少量时生成碳酸盐,当CO2通入过量时生成碳酸氢盐;当CO2的通入量介于两者之间时,既有正盐又有酸式盐生成,因此推断时一定要注意CO2与碱之间量的关系。
以CO2与NaOH溶液反应为例:
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O
CO2+NaOH===NaHCO3
当n(OH-)∶n(CO2)的值不同时产物如下:
3、碳、硅及其化合物之间综合转化关系
(1)知识网络
①碳及其化合物的转化关系图
②硅及其化合物的转化关系图
(2)推断中常用题眼
解答硅及其化合物的推断题,高温反应条件、特征反应、单质与碱反应、盐溶液与过量盐酸反应产生白色沉淀等往往是推断题的“突破口”。
【典例精讲】
【例1】下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是()
①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素
②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品
③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维
④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料
A.①②B.②③C.①④D.③④
【答案】C
【解析】①硅在自然界中以硅酸盐和二氧化硅的形式存在,构成岩石和矿物的基本元素,故正确;②水晶成分是二氧化硅,不属于硅酸盐,故错误;③光导纤维的成分是二氧化硅,故错误;④陶瓷是人类应用很早饿硅酸盐材料,故正确;因此选项C正确。
【例2】在下列各溶液中逐渐通入CO2气体直至过量,会出现先沉淀后消失现象的是()
①饱和Na2CO3溶液②澄清石灰水③Ca(ClO)2溶液
④CaCl2溶液⑤Na2SiO3溶液⑥NaAlO2溶液
A.只有②③B.只有③⑥C.除①⑤⑥D.全部
【答案】A
【解析】①饱和碳酸钠与二氧化碳反应生成碳酸氢钠,出现浑浊,不能消失,错误;②氢氧化钙和二氧化碳反应先生成碳酸钙沉淀,后转化为碳酸氢钙,沉淀消失,正确;③次氯酸钙和二氧化碳反应先生成碳酸钙沉淀和次氯酸,后碳酸钙转化为碳酸氢钙,沉淀消失,正确;④氯化钙和二氧化碳不反应,错误;⑤硅酸钠和二氧化碳反应生成硅酸沉淀,沉淀不溶解,错误;⑥偏铝酸钠和二氧化碳反应生成氢氧化铝沉淀,沉淀不溶于二氧化碳,错误。
所以选A。
【考题精练】
1.下列有关物质的性质或应用的说法不正确的是()
A.二氧化硅是生产光纤制品的基本原料
B.水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂
C.Na2O、Na2O2与CO2反应产物相同
D.SiO2是酸性氧化物,能与NaOH溶液反应
【答案】C
【解析】A、光导纤维的主要成分为二氧化硅,正确,不选A;B、水玻璃有黏性和耐火性,正确,不选B;C、氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠,过氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气,二者产物不同,选C;D、二氧化硅是酸性氧化物,能和氢氧化钠反应生成硅酸钠和水,正确,不选D。
2.下列说法:
①硅的化学性质很稳定,因此硅在自然界中以游离态形式存在;②硅和二氧化硅晶体都是由原子构成的;③二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大的差异;④二氧化硅是一种酸性氧化物,它不与任何酸发生反应。
正确的是()
A.①②③④B.①②④C.①④D.②③
【答案】D
【解析】①硅是亲氧元素,在自然界中以化合态形式存在,①错误;②硅和二氧化硅晶体都是由原子构成的,②正确;③二氧化硅是原子晶体,二氧化碳是分子晶体,所以二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别,③正确;④二氧化硅可与氢氟酸发生反应生成四氟化硅气体,④错误。
答案选C。
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