高中化学人教版必修1学案4-1第2课时硅酸盐和硅单质

第2课时硅酸盐和硅单质一、硅酸盐1．概念：硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。2．硅酸盐的性质：硅酸盐是一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：Na2O·SiO2；长石：KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2。4．最常见的硅酸盐——Na2SiO3。Na2SiO3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。6.其他含硅的物质。二、硅单质1．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。2．化学性质(1)稳定性：常温下硅的化学性质不活泼，只能与氟气(F2)、氢氟酸(HF)和强碱溶液反应。化学方程式分别为：Si＋2F2=SiF4，Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)还原性：在加热条件下，硅能与一些非金属单质发生反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(高温))SiCl4，Si＋O2eq\o(=,\s\up17(△))SiO2，Si＋Ceq\o(=,\s\up17(高温))SiC。3．工业制法(1)制粗硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si(粗)＋2CO↑；(2)粗硅提纯：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(△))SiCl4，SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up17(高温))Si(纯)＋4HCl。4．用途(1)用做半导体材料，制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件。(2)制合金，如含硅4%的钢可制成变压器的铁芯，含硅15%的钢可制造耐酸设备等。(3)制造光电池，将光能直接转换为电能。知识点一硅酸盐的表示方法1．规律通常用氧化物的形式来表示硅酸盐的组成。硅酸盐中的硅元素以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，氢元素以H2O的形式表示。氧化物的一般顺序：较活泼金属的氧化物·较不活泼金属的氧化物·二氧化硅·水。2．方法(1)找出组成元素。(2)写成氧化物的形式。(3)注意原子守恒。(4)检查有无遗漏。3．注意事项(1)氧化物之间以“·”隔开。(2)氧化物前面的计量数配置出现分数时应化为整数，且计量数只表示该氧化物的数目。(3)用氧化物形式表示时，各元素的化合价保持不变，各元素原子个数比符合原来的组成。(4)在硅酸盐氧化物的表示式中，氧化物前面的计量数只对该氧化物起作用，对其他氧化物不起作用。如：2MgO·SiO2不能认为是2(MgO·SiO2)。(5)这种组成只是代表物质的化学组成成分，并不是说从结构上看成是“分子式”或氧化物的“分子加合物”。实验室应如何保存Na2SiO3溶液，如果敞口放置一段时间，溶液会出现什么现象？提示：由于Na2SiO3溶液能与空气中的CO2反应而变质，故要密封保存，并放在带橡皮塞的玻璃试剂瓶中。敞口放置的Na2SiO3溶液会出现白色胶状沉淀，反应的方程式为：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3。[例1]矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的，此处所说的风化作用是指矿物与水和CO2同时作用的过程。例如，钾长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土[Al2(Si2O5)(OH)4]，此反应的离子方程式为2KAlSi3O8＋2CO2＋7H2O=2K＋＋2HCOeq\o\al(－,3)＋4H2SiO3＋Al2(Si2O5)(OH)4。(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物的形式：①KAlSi3O8_________________________________；②Al2(Si2O5)(OH)4_________________________________。(2)上述反应能够发生的原因是_________________________________。[思路分析]用氧化物形式表示硅酸盐的方法及注意事项：(1)方法：找出组成元素；写成氧化物的形式；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。[解析](1)将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物形式时，只需将除O以外所有的元素写成其常见氧化物形式，并用“·”将它们合起来，但应注意各种原子个数比符合原来的组成，在某种(或几种)氧化物前加合适的化学计量数。(2)分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的反应，是由于酸性H2CO3>H2SiO3，发生了较强酸制较弱酸的反应。[答案](1)①K2O·Al2O3·6SiO2②Al2O3·2SiO2·2H2O(2)较强酸制较弱酸用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是(D)A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2OB．镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO·eq\f(1,2)SiO2C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2D．高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示为Al2O3·2SiO2·2H2O解析：根据硅酸盐改写氧化物的要求可以判断，A中Al2O3和CaO的排列顺序有误，B中化学计量数出现eq\f(1,2)，C正确的写法应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O，D的写法完全符合上述要求。知识点二硅及其化合物1．碳与硅的对比2.硅及其化合物的特性(1)硅的还原性比碳强，但碳在高温下能从SiO2中还原出硅。SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑(2)非金属单质与强碱溶液反应一般不生成H2，而硅却可以。Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑(3)一般情况下，活泼金属与酸发生置换反应生成H2，非金属单质与非氧化性酸不反应，但硅例外。Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑(4)一般情况下，酸性氧化物不与酸反应，而SiO2却能。SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O(5)一般情况下，较强的酸与较弱的酸的盐溶液反应，能制得较弱的酸，如Na2SiO3＋H2O＋CO2=H2SiO3↓＋Na2CO3，但制玻璃时却发生了下列反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))Na2SiO3＋CO2↑(6)SiO2是熔点很高的非金属氧化物，H2SiO3在常温下是固态的酸。(7)Na2SiO3俗称泡花碱，但它是盐，其水溶液叫水玻璃，但它和玻璃的成分并不相同。(8)硅与烧碱溶液反应的实质和铝与烧碱溶液反应的实质相似，氧化剂都是水。(9)硅具有“亲氟”性：Si＋2F2=SiF4Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O1.硅与NaOH溶液反应的原理是什么？提示：在硅与NaOH溶液的反应中，还原剂是硅，氧化剂是水，该反应可理解为分两步进行。首先，硅与水反应生成H2SiO3和H2：Si＋3H2O=H2SiO3＋2H2↑；然后，H2SiO3与NaOH反应：H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。当标电子转移的方向和数目时，应表示为2．硅的还原性比碳强，这和碳能置换出SiO2中的硅是否矛盾？提示：两者并不矛盾，碳和硅最外层电子数均为4，碳的原子半径比硅的小，失去电子的能力比硅弱，所以硅的还原性比碳的强。而反应2C＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑是在高温条件下进行的，且生成物CO为气体，从反应体系逸出，有利于反应向右进行。[例2]晶体硅是一种重要的非金属材料。制备纯硅的主要步骤如下：①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(=,\s\up17(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题。(1)第①步制备粗硅的化学方程式为________。(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去)：①装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________。②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是________，装置D中发生反应的化学方程式为________。③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置气密性，控制好反应温度以及________。[思路分析]理解题给信息→书写相关反应的化学方程式→结合“SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃”等信息→分析实验装置各部分的作用及实验操作步骤。[解析](1)在高温条件下，用C还原SiO2生成Si和CO。(2)因为由Zn、稀硫酸制得的H2中会混有少量H2O，而SiHCl3能与H2O剧烈反应，所以要对H2进行干燥，根据装置应选择液态干燥剂——浓硫酸。装置C用水浴加热SiHCl3使其汽化，和H2进入装置D反应，因为SiHCl3与H2在1000～1100℃下反应，温度很高，普通玻璃会软化，因此不能使用普通玻璃管。因为SiHCl3在空气中易自燃，实验中还要注意先通一段时间H2[答案](1)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑(2)①浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化②有固体物质生成在此反应温度下，普通玻璃会软化SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1000～1100℃))Si＋3HCl③排尽装置中的空气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：eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up17(①焦炭),\s\do15(高温))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up17(②HCl),\s\do15(573K以上))eq\x(SiHCl3粗)eq\o(→,\s\up17(③精馏),\s\do15())eq\x(SiHCl3纯)eq\o(→,\s\up17(④H2),\s\do15(1357K))eq\x(高纯硅)①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。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，写出配平的化学反应方程式：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是高温下H2与O2混合发生爆炸。(2)下列有关硅材料的说法正确的是A、B、C(填字母)。A．碳化硅硬度大，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＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。②SiHCl3和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项氮化硅熔点高，硬度大，可用于制作高温陶瓷和轴承。D项普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，是由石英砂(SiO2)、石灰石、纯碱高温下反应生成的，化学方程式为Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))CaSiO3＋CO2↑，但玻璃没有固定的熔点，E项Si与HCl不反应。1．下列说法中正确的是(D)A．石英玻璃和普通玻璃成分相同B．工艺师可用盐酸蚀刻玻璃工艺品C．由石英砂制备单晶硅的过程不涉及氧化还原反应D．Si可用于信息存储，SiO2可用于光纤通讯解析：石英玻璃的主要成分是SiO2，普通玻璃的主要成分是硅酸盐，A项错误；工艺师用氢氟酸刻蚀玻璃工艺品，B项错误；石英砂制备单晶硅的过程中，涉及的反应有SiO2→粗硅→SiCl4→Si，以上反应均为氧化还原反应，C项错误。2．和田玉在我国至少有7000年的历史，是我国玉文化的主体。和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐，某种和田玉的化学成分是Ca2Mg3Fe2(Si4O11)2(OH)2，下列有关叙述正确的是(D)A．其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2OB．它能够抵抗任何酸、碱的腐蚀C．其中铁元素的化合价为＋3D．其中铁元素的化合价为＋2解析：假设和田玉中铁元素的化合价为＋x，根据化合物中各元素的化合价代数和为0，可得：(＋2)×2＋(＋2)×3＋(＋x)×2＋(＋4)×8＋(－2)×22＋(－1)×2＝0，即x＝2，所以其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·2FeO·8SiO2·H2O；硅酸盐具有耐腐蚀性能，但并不是所有的酸、碱都不能腐蚀它，如氢氟酸可以和其中的硅元素反应生成SiF4气体，浓硝酸可以将其中所含的Fe2＋氧化成Fe3＋，故只有D项正确。3．有关SiO2或硅酸盐的说法中正确的是(C)A．水泥、石英玻璃、陶瓷均是硅酸盐产品B．硅太阳能电池板所用的是高纯度SiO2C．钢化玻璃与普通玻璃成分相同D．SiO2既能与HF反应又能与NaOH反应，故SiO2为两性氧化物解析：石英玻璃的主要成分是SiO2，A项错误；硅太阳能电池板所用的材料是高纯度的硅，B项错误；钢化玻璃是将普通玻璃加热到软化温度，然后骤冷而成的，C项正确；SiO2与氢氟酸反应不产生盐，故不是两性氧化物，是酸性氧化物，D项错误。4．下列有关硅及其化合物的说法正确的是(D)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解析：解决此类题目可利用非金属单质及其化合物的相似性进行类推，但同时要注意硅及其化合物有不同于其他非金属及其化合物的特性。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。5．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是(D)A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料C．木料、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质解析：由于H2SiO3的酸性比碳酸要弱，故将水玻璃露置在空气中时，会发生以下反应而变质：Na2SiO3＋CO2＋H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓。6．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3000年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关玻璃的说法不正确的是(A)A．制普