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专题19 无机非金属材料的主角硅【知识回放】1碳和硅在自然界中以什么形式存在？2CO2的物理性质：是一种 色 体， 溶于水，固态CO2俗称 。3完成以下方程式：（1）CO2 + H2O （2）CO2 + NaOH （3）CO2 + CaO 4请写出硅原子和碳原子的原子结构示意图。5根据Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2能说明硅酸酸性比碳酸强吗？6由于SiO2既可与碱反应，也可与氢氟酸反应，所以SiO2为两性氧化物，这种说法是否正确?【答案】1碳在自然界中有游离态和化合态两种形式存在，硅在自然界中以化合态存在。2无色无味 气体 能 干冰3（1）CO2 + H2O = H2CO3 （2）CO2 + 2NaOH = Na2CO3+H2O（3）CO2 + CaO = CaCO3 4 【新知精讲】一、二氧化硅1.存在存在形态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。2.物理性质熔点硬度溶解性高大不溶于水3.化学性质4.用途(1)以SiO2为主要成分的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)用石英和玛瑙制作饰物和工艺品。二、硅酸1.硅酸的性质(1)弱酸性。向Na2SiO3溶液中通入CO2,反应的化学方程式为Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(胶体)+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O=H2SiO3(胶体)+2NaHCO3。结论:H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。(2)不稳定性。H2SiO3受热易分解,化学方程式为H2SiO3SiO2+H2O。2.硅酸的制备(1)Na2SiO3溶液与CO2的反应:Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(胶体)+Na2CO3。(2)Na2SiO3与盐酸的反应:Na2SiO3+2HCl=H2SiO3(胶体)+2NaCl。3.硅酸的存在及用途(1)浓度小时:形成硅酸溶胶。(2)浓度大时:形成硅酸凝胶。 (3)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。三、硅酸盐1.概念硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。 2.硅酸盐的性质硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质,大多不溶于水,化学性质很稳定。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其组成。例如:Na2SiO3:Na2OSiO2;长石KAlSi3O8:K2OAl2O36SiO2。4.最常见的硅酸盐Na2SiO3Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃,能制备硅胶和木材防火剂。5.三种常见的硅酸盐产品硅酸盐产品原料主要设备水泥石灰石、黏土水泥回转窑玻璃纯碱、石灰石和石英玻璃窑陶瓷黏土6.其他含硅的物质物质性质用途SiC俗称金刚砂,具有金刚石结构,硬度很大砂纸、砂轮的磨料含4%硅的硅钢很高的导磁性变压器铁芯硅橡胶既耐高温又耐低温,在-60250 保持良好的弹性制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等人工制造的分子筛(铝硅酸盐)有均匀微孔结构作吸附剂和催化剂四、硅单质1.种类：单质硅有晶体和无定形两类。2.结构：晶体硅的结构与金刚石相似。3.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,但能与氢氟酸、强碱发生反应。4.用途(1)半导体材料,如硅芯片等。(2)新型能源,如光电池等。【科学探究】探究一 二氧化硅的性质问题导引二氧化硅的平面结构1.实验室保存NaOH溶液时为何不能使用玻璃塞?提示因NaOH会与玻璃的主要成分SiO2反应,生成的Na2SiO3溶液会使瓶塞与瓶口黏连在一起。2.SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,SiO2属于两性氧化物吗?探究二 硅酸的性质和制备 问题导引硅酸的制备实验操作实验现象滴加酚酞溶液后溶液呈红色,滴加稀盐酸后溶液变为无色,有白色胶状沉淀生成1.SiO2属于酸性氧化物,能否用SiO2与H2O直接反应制取H2SiO3?提示不能。虽然SiO2属于酸性氧化物,但SiO2难溶于水,无法用SiO2与H2O反应制取H2SiO3,可用Na2SiO3与酸反应制取。2.已知SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2,这能否证明硅酸的酸性比碳酸强?提示不能。该反应是在高温下进行,产物中CO2为气体,生成后脱离反应体系,使反应能向右进行到底。探究三 硅酸盐的组成和性质问题导引常见的硅酸盐矿物1.思考:硅酸盐可写成二氧化硅和金属氧化物的形式,是否可理解成硅酸盐是二氧化硅和金属氧化物的混合物?提示不可以。硅酸盐结构复杂,只是用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示,并不是它们的混合物。2.请结合硅酸盐的性质,分析在实验室里如何保存Na2SiO3溶液?如果敞口放置一段时间,溶液会出现什么现象?探究四 硅单质的性质和用途问题导引太阳能汽车单质硅在常温下化学性质不活泼,所以硅在自然界中以游离态存在,这种说法是否正确?提示不正确。硅是一种亲氧元素,在自然界中总是与氧相互化合,以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。所以自然界中无游离态的硅存在。 【重点突破】1.SiO2的特性(1)酸性氧化物一般能与水反应生成对应的酸,但SiO2不溶于H2O,不能直接与H2O反应生成H2SiO3。(2)非金属氧化物的熔点一般较低,但二氧化硅的熔点很高。(3)酸性氧化物一般不与酸反应,但SiO2可以与氢氟酸反应:SiO2+4HF=SiF4+2H2O。2.CO2与SiO2的结构与性质的异同二氧化碳(CO2)二氧化硅(SiO2)类别均为酸性氧化物结构特点由二氧化碳分子构成由氧原子与硅原子构成立体网状结构,无SiO2分子物理性质常温为无色气体,熔点和沸点低,可溶于水常温为坚硬难熔的固体,不溶于水与水反应CO2与H2O反应生成H2CO3不反应化学性质与酸反应不反应只与氢氟酸反应:SiO2+4HF=SiF4+2H2O与NaOH反应CO2少量:CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2过量:CO2+NaOH=NaHCO3SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O与CaO反应CO2+CaO=CaCO3SiO2+CaOCaSiO33.硅酸的性质与制备二氧化硅对应的水化物是硅酸。(1)性质:硅酸为白色固体,难溶于水。酸性极弱,比碳酸还弱,不能使指示剂变色,只能与强碱反应,例如H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O。硅酸不稳定,受热易分解,化学方程式为H2SiO3SiO2+H2O。(2)制备:由于二氧化硅不能与水化合,所以制备硅酸时只能使用间接的方法,如向Na2SiO3溶液中滴加盐酸或通入CO2气体等,利用的原理都是:强酸+弱酸盐弱酸+强酸盐。如:CO2+Na2SiO3+H2O=H2SiO3(胶体)+Na2CO3。硅酸盐的氧化物形式的改写硅酸盐由于组成比较复杂,通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成,改写时的规律为:书写形式化学计量数例如:钠长石NaAlSi3O8不能写成1/2Na2O1/2Al2O33SiO2,应写成Na2OAl2O36SiO2。4.硅单质性质的特殊性物质一般规律硅单质的特性Si硅还原性强于碳碳和二氧化硅在高温下反应:2C+SiO2Si+2CO非金属单质与强碱溶液一般不产生H2硅与氢氧化钠溶液反应产生H2:Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2非金属一般不与非氧化性酸反应硅和氢氟酸反应:Si+4HF=SiF4+2H2一般非金属单质为绝缘体硅为半导体,常用于电子部件5.硅的制取(1)粗硅的制取。2C+SiO22CO+Si(粗硅)(2)纯硅的制取。Si(粗硅)+2Cl2SiCl4 SiCl4+2H2Si(纯硅)+4HCl【典题探究】典例1关于二氧化硅的叙述不正确的是()水晶的主要成分是SiO2能跟强碱反应,但不能与水反应硅与碳最外层都有4个电子,故SiO2的物理性质与CO2类似既属于酸性氧化物,又属于碱性氧化物A.B. C.D.【答案】:B【解析】:SiO2区别于CO2的结构和性质,SiO2区别于Al2O3的两性。典例2下列说法正确的是()A.硅酸不溶于水,因此不与NaOH溶液反应B.根据SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2的反应,可推知硅酸酸性比碳酸酸性强C.CO2气体通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸D.SiO2溶于水显酸性【答案】:C酸、碳酸酸性的强弱;C项符合“强酸制弱酸”的一般规律;SiO2不溶于水,也不能与水反应,D错误。典例3在无机非金属材料中,硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下:高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅;粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3:Si+3HClSiHCl3+H2;SiHCl3与过量H2在1 0001 100 反应制得纯硅。请回答下列问题:(1)第步制备粗硅反应的化学方程式为 。(2)粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 )中含有少量SiCl4(沸点57.6 )和HCl(沸点-84.7 ),提纯SiHCl3采用的方法为 。(3)从基本反应类型角度分类,步骤中发生的反应属于 。(4)为鉴定产品硅中是否含微量铁单质,将试样用稀盐酸溶解,取上层清液后需再加入的试剂是 (填写字母代号) 。A.氯水B.NaOH溶液 C.KSCN溶液D.Na2SO3溶液【答案】:(1)SiO2+2CSi(粗)+2CO(2)蒸馏(或分馏)(3)置换反应(4)AC典例4用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代高科技中占有重要位置,足见化学对现代物质文明的重要作用。例如:(1)计算机芯片的主要成分是 ;(2)光导纤维的主要成分是 ;(3)目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是 ;(4)常用作吸附剂、干燥剂或催化剂载体的物质是 。【答案】:(1)硅(或Si或单晶硅)(2)二氧化硅(或SiO2)(3)硅(或Si)(4)硅胶典例5昆仑玉的成分可简单看成是Ca2Mg5Si8O22(OH)2,则其用二氧化硅和金属氧化物的形式可表示为()A.CaOMgOSiO2H2O B.2CaO5MgO8SiO2H2OC.2CaOMgOSiO22H2O D.5CaO2MgO8SiO2H2O【答案】:B【解析】:根据昆仑玉的化学式,将Ca、Mg、Si、H分别写成氧化物的形式,再调整各氧化物前的计量数并使其原子组成与昆仑玉的化学式一致,可得昆仑玉用氧化物的形式表示为2CaO5MgO8SiO2H2O。 典例6(双选)下列关于二氧化硅的说法中,错误的是()A.二氧化硅也叫做硅酸酐B.二氧化硅分子由一个硅原子和两个氧原子构成C.不能用二氧化硅与水直接作用制取硅酸D.二氧化硅既能与氢氟酸反应,又能与烧碱反应,所以它是两性氧化物【答案】:BD【解析】:A.酸酐与对应的酸中元素化合价相同,SiO2和H2SiO3的化合价相同,所以SiO2尽管难溶于水,但它仍是硅酸的酸酐，正确B SiO2晶体是由Si和O按12的比例所组成的立体网状结构,并不存在SiO2分子,错误C二氧化硅难溶于水,且不与水反应,无法直接与水反应制取硅酸, 正确SiO2与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2+4HF=SiF4+2H2O,SiO2与氢氟酸反应只是一种特殊情况,所以不能说SiO2是两性氧化物，错误。典例7在一定条件下,既能与CO2反应,又能与SiO2反应的物质是()NaHCO3溶液浓硫酸NaOH溶液碳A. B. C.D.【答案】:D典例8能证明碳酸比硅酸酸性强的实验是（ ）A.CO2溶于水生成碳酸而SiO2却不溶于水B.高温时发生反应:Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2C.碳酸比硅酸受热易分解D.将CO2通入Na2SiO3的水溶液中有白色胶状沉淀生成【答案】:D【解析】:利用强酸制取弱酸的反应原理,CO2溶于水形成碳酸,碳酸与Na2SiO3溶液反应得到硅酸胶体,从而证明碳酸的酸性强于硅酸。典例9长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土Al2Si2O5(OH)4的离子方程式为:2KAlSi3O8+2H2CO3+5H2O=2K+2HCO3-+4H2SiO3+Al2Si2O5(OH)4(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式。KAlSi3O8 ;Al2Si2O5(OH)4 ;(2)上述反应能够发生的原因是 。【答案】: (1)K2OAl2O36SiO2Al2O32SiO22H2O(2)较强的酸能制较弱的酸(2)分析反应前后物质的种类,可知属于酸与盐发生的复分解反应,是由于酸性:H2CO3H2SiO3,发生了较强的酸制取较弱的酸的反应。易错警示长石:KAlSi3O8不能写成K2OAl2O33SiO2,应写成K2OAl2O36SiO2,即原子个数比不变。
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