高中化学人教版必修1学案4-1第1课时二氧化硅和硅酸

第四章非金属及其化合物第一节无机非金属材料的主角——硅[学习目标]1.了解并掌握硅及二氧化硅的性质，了解二者在生产、生活中的应用。(重点)2．掌握硅酸的性质，了解常见硅酸盐的制备、表示方法及其应用。(重点)3．学会运用观察、实验比较、分类等方法来研究物质的性质，体会物质的性质与其用途之间的关系。4．根据无机非金属材料在生产、生活中的应用来研究材料的性能及应用，认识到材料对生产、生活的影响。5．了解材料的开发应用与化学学科发展之间的关系。第1课时二氧化硅和硅酸一、硅元素的存在1．存在在地壳中硅的含量为26.3%，仅次于氧；主要以氧化物及硅酸盐的形式存在，因为硅是一种亲氧元素。2．原子结构硅原子的原子结构示意图最外层有4个电子，反应中既不易失去电子也不易得到电子，能形成＋4价的化合物。二、二氧化硅1．存在SiO2的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．结构SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为12的比例组成的立体网状结构的晶体。每个硅原子周围结合4个O原子，每个O周围结合2个Si原子。3．物理性质熔点高；硬度大；溶解性：不溶于水。4．化学性质5．用途(1)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)石英和玛瑙制作饰物和工艺品。(4)实验室中使用石英坩埚。三、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，反应方程式为H2SiO3eq\o(=,\s\up17(△))SiO2＋H2O。2．硅酸的制备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。知识点一二氧化硅和二氧化碳性质的比较1.SiO2既能与氢氟酸反应，又能与NaOH溶液反应，能否说SiO2是两性氧化物？提示：不能，尽管SiO2能与氢氟酸反应得到盐“SiF4”和H2O，但是SiO2不能和其他酸反应，所以不能说是碱性氧化物；能和NaOH、KOH等强碱反应生成盐和水，所以SiO2是酸性氧化物而不是两性氧化物。2．既然SiO2能和NaOH溶液反应，为什么还可以用玻璃瓶盛放NaOH溶液？提示：因为NaOH与SiO2反应非常缓慢，且玻璃瓶内壁光滑，更不易发生反应。但需注意的是不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH溶液，因为磨口增大了SiO2与NaOH溶液的接触面积，促进了反应的进行，生成的Na2SiO3具有黏性，会导致瓶塞与瓶体黏结在一起，使试剂瓶难以开启。3．二氧化硅不溶于水，不与水反应，为什么还称二氧化硅是硅酸的酸酐？提示：酸酐的定义是某酸脱去一分子的水所剩下的部分称为该酸的酸酐，所以酸酐不一定都能与水反应生成相应的酸。[例1]下列叙述正确的是()A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似B．因为CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物[思路分析]此题要从物质的性质入手分析，特别注意CO2与SiO2性质的异同点。[解析]CO2的熔、沸点低，SiO2的熔、沸点高，硬度大，两者都是酸性氧化物，但其物理性质差异很大，A错；高温下SiO2与CaCO3反应是因为产物CO2为气体，不能说明H2CO3的酸性比H2SiO3的弱，B错；SiO2只能与HF反应，不能与其他酸反应，不能说明SiO2是两性氧化物，D错。[答案]C下列关于二氧化硅的说法中错误的是(A)A．同二氧化碳一样，二氧化硅分子是由一个硅原子和两个氧原子构成的B．通常状况下，二氧化碳为气体，二氧化硅为固体C．SiO2同CO2一样也能与CaO反应生成盐D．SiO2仅用来表示二氧化硅的组成，其基本结构单元为正四面体解析：二氧化硅是由原子直接构成的，不存在二氧化硅分子。故正确答案为A。知识点二硅酸的制备和性质一、碳酸与硅酸的比较1．二氧化碳的对应水化物是碳酸(H2CO3)，CO2是碳酸的酸酐。碳酸是酸性比次氯酸、氢硫酸和硅酸酸性略强的二元弱酸，其电离方程式为：H2CO3H＋＋HCOeq\o\al(－,3)(很弱)HCOeq\o\al(－,3)H＋＋COeq\o\al(2－,3)(更弱)2．碳酸的热稳定性极弱，只能在极稀溶液中存在，且有：CO2＋H2OH2CO3，故通常用CO2的水溶液代替碳酸。CO2＋H2O＋Ca(ClO)2=CaCO3↓＋2HClOCaCO3＋2HCl=CaCl2＋H2O＋CO2↑3．H2CO3和H2SiO3的比较：二、硅酸的制备硅酸是常见酸中唯一不溶于水的酸，硅酸的酸酐是SiO2，但SiO2不溶于水，不能用SiO2与H2O反应直接制H2SiO3。硅酸的制法：只能用相应的可溶性硅酸盐跟其他酸反应来制取硅酸，反应的化学方程式为：Na2SiO3＋2HCl＋H2O=2NaCl＋H4SiO4↓(原硅酸)H4SiO4=H2O＋H2SiO3(硅酸)习惯上省去生成原硅酸这一中间过程，可直接写为：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓。生成的H2SiO3逐渐聚合而形成胶体，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后得到多孔的硅酸干凝胶，称为“硅胶”。硅胶多孔，吸附水分能力强，常用作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。制造玻璃时发生如下反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))Na2SiO3＋CO2↑。该反应能否说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？为什么？提示：不能。SiO2与Na2CO3反应，是在高温下且生成的产物是CO2气体，可以脱离反应体系，并不能说明H2SiO3酸性强于H2CO3。[例2]为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，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)圆底烧瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。(2)装置B所盛的试剂是________，其作用是________。(3)装置C所盛试剂是________，C中反应的离子方程式是________。(4)由此可得出的结论是酸性：________>________>________。[思路分析]eq\x(目的：判断酸性强弱)→酸性：HCl>H2CO3>H2SiO3↓eq\x(原理：“强酸制弱酸”)→HCl制取H2CO3、H2CO3制取H2SiO3↓eq\x(措施：排除HCl的干扰)→B中应盛放饱和NaHCO3溶液[解析]根据“强酸＋弱酸盐→弱酸＋强酸盐”分析可知，分液漏斗中盛装盐酸，A中盛放Na2CO3溶液，根据Na2CO3＋2HCl=2NaCl＋H2O＋CO2↑，可以知道酸性HCl强于H2CO3，然后将生成的CO2通入Na2SiO3溶液中，反应为Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3，由此判断酸性H2CO3>H2SiO3，但需注意的是A中反应会有HCl气体逸出，故通入Na2SiO3溶液前需将HCl吸收，但不能吸收CO2，故可选用饱和NaHCO3溶液。[答案](1)盐酸(2)饱和NaHCO3溶液吸收HCl气体(3)Na2SiO3溶液SiOeq\o\al(2－,3)＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋COeq\o\al(2－,3)(4)HClH2CO3H2SiO3下列说法正确的是(C)A．硅酸不溶于水，因此不与NaOH溶液反应B．根据SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up17(高温))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溶于水显酸性解析：硅酸不溶于水，但与NaOH溶液反应：H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O，A项错误。B项中该反应之所以能发生是在高温条件下，CO2以气体形式逸出，使反应进行得比较彻底，是利用SiO2、CO2沸点的不同，而不是利用硅酸、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项错误。1．下列说法不正确的是(A)A．因SiO2不溶于水，故SiO2不是酸性氧化物B．在反应SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑中SiO2作氧化剂C．SiO2是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大D．氢氟酸能够刻蚀玻璃，故不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸解析：A项，SiO2不溶于水，但它能与碱反应生成硅酸盐和水，是酸性氧化物，错误；B项，在该反应中SiO2被C还原为Si，SiO2作氧化剂，正确；C项，由于SiO2是一种空间立体网状结构的物质，故熔点高，硬度大，正确；D项，SiO2能与氢氟酸反应，故常用氢氟酸刻蚀玻璃，不能用玻璃瓶盛装氢氟酸，正确。故正确答案为A。2．下列关于硅酸的说法正确的是(D)A．硅酸可以通过SiO2和水的化合反应制得B．用反应Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3(胶体)制取硅酸是利用了可溶性酸制难溶性酸的原理C．硅酸难溶于水，不能与NaOH溶液反应D．硅胶可用作袋装食品的干燥剂解析：SiO2不溶于水也不能与水反应生成硅酸，A项错误；B项中反应是利用了强酸制弱酸的原理，B项错误；硅酸虽难溶于水，但可与强碱溶液反应生成硅酸盐，C项错误。3．在一定条件下，下列物质不能和SiO2反应的是(D)①焦炭②纯碱③碳酸钙④氢氟酸⑤盐酸⑥氢氧化钾⑦氧化钙A．③⑤⑦B．⑤⑦C．②⑤D．⑤解析：二氧化硅是酸性氧化物，可与碱及碱性氧化物反应，⑥、⑦能反应；二氧化硅与纯碱(或碳酸钙)在高温下能发生反应，②、③能反应；二氧化硅在高温下还能与焦炭发生置换反应，①能反应；二氧化硅作为一种特殊的氧化物还能与氢氟酸反应，④能反应；二氧化硅与盐酸不反应，⑤不能反应。4．下列叙述正确的是(C)A．石英坩埚可用于熔化烧碱B．SiO2可与水反应生成H2SiO3，所以SiO2是H2SiO3的酸酐C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物解析：石英坩埚的主要成分是SiO2，SiO2在加热条件下能与NaOH反应，故不能用石英坩埚熔化烧碱，A项错误；SiO2不溶于水且不与水反应，B项错误；CO2和SiO2都能与碳反应，碳作还原剂，CO2和SiO2作氧化剂，C项正确；SiO2能与HF反应是SiO2的特性，SiO2不与其他酸反应，故SiO2不属于两性氧化物，D项错误。5．下表各组物质中，满足图中物质一步转化关系的选项是(C)解析：本题考查Na、Cu、C、Si四种单质及其化合物的相互转化关系。A项中NaHCO3无法直接转化为Na；B项中，Cu(OH)2无法直接转化为Cu；D项中，SiO2无法直接转化为H2SiO3，H2SiO3也无法直接转化为Si；只有C项符合题意：Ceq\o(→,\s\up17(O2))COeq\o(→,\s\up17(O2))CO2eq\o(→,\s\up17(Mg),\s\do15(点燃))C。故选C。6．能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是(D)A．CO2是气体，SiO2是固体B．二氧化硅的熔点比二氧化碳高C．根据反应SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up17(高温),\s\do15())CaSiO3＋CO2↑，可推知硅酸的酸性比碳酸的酸性强D．CO2通入Na2SiO3稀溶液中析出硅酸沉淀，所生成的H2SiO3逐渐聚合而形成硅酸溶胶解析：酸性强弱与这种酸对应的氧化物的物理性质无关，A、B项均不正确；反应SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up17(高温),\s\do15())CaSiO3＋CO2↑只有在高温条件下才能进行，由于CO2是气体，生成后脱离反应体系使反应得以继续进行，但这不能用于比较硅酸与碳酸的酸性强弱，C项错误；Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3，根据强酸制弱酸原理，能够证明硅酸的酸性弱于碳酸的酸性，D项正确。7．(双选)下列说法正确的是(CD)A．二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟碱反应，但不能与任何酸反应B．根据反应SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up17(高温))CaSiO3＋CO2↑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不溶于水，也不能跟水反应生成酸解析：SiO2可与强碱反应，也可与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O，与氢氟酸反应是SiO2的特性。B项中的反应能够发生是因为CO2以气体形式逸出而使反应进行得彻底，是利用SiO2、CO2沸点的不同，而不是利用硅酸、碳酸酸性的强弱。8．已知A是一种装饰品的主要成分，根据如图转化关系，回答下列问题。(1)A用途：制光导纤维(或其他合理答案)(任写一种)，B是Na2SiO3，D是H2SiO3。(2)写出化学方程式：①Na2CO3