2024-2025年高中化学4.1.2第2课时硅酸盐和硅单质讲义+练习新人教版必修1

PAGEPAGE16第2课时硅酸盐和硅单质课程目标,1．了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。2．了解硅的性质和用途。3．了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。图说考点,[新知预习]一、硅酸盐1．硅酸盐的组成和性质(1)概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称(2)性质：固态，大多不溶于水，化学性质很稳定(3)表示方法：如Na2SiO3、Na2O·SiO22．最简洁的硅酸盐——Na2SiO33．三种常见的硅酸盐产品硅酸盐产品原料主要设备主要成分水泥石灰石、黏土水泥回转窑硅酸二钙：2CaO·SiO2硅酸三钙：3CaO·SiO2铝酸三钙：3CaO·Al2O3玻璃纯碱、石灰石、石英砂玻璃窑Na2O·CaO·6SiO2陶瓷黏土Al2O3·2SiO2·2H2O二、硅单质1．形态及结构2．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良好半导体(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。①Si与NaOH溶液：eq\o(□,\s\up1(29))Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。②Si与氢氟酸：eq\o(□,\s\up1(30))Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。3．用途(1)半导体材料，如硅芯片等。(2)新型能源，如光电池等。[即时性自测]1．推断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)晶体硅与金刚石的结构相像。()(2)硅是活泼的非金属元素。()(3)自然界中存在单质硅。()(4)硅酸钠可以改写为Na2O·SiO2，故硅酸钠是混合物，含有Na2O和SiO2。()(5)硅酸钠俗称水玻璃，是一种防火剂。()(6)硅酸盐是一大类结构困难的固态物质。()(7)一般玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。()(8)光电池可以将光能干脆转化为电能。()答案：(1)√(2)×(3)×(4)×(5)×(6)√(7)√(8)√2．从现有的考古资料来看，中国原始陶器起先于距今七千年前。时至今日陶瓷已广泛应用于人们的生活和生产中，下列不属于陶瓷制品的是()解析：试管是玻璃制品。答案：C3．下列关于硅及二氧化硅的化学性质的化学方程式书写错误的是()A．硅与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑B．硅与烧碱溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑C．硅与盐酸反应：Si＋4HCl=SiCl4＋2H2↑D．二氧化硅在高温下被C还原：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑解析：常温下，硅能与氢氟酸、烧碱溶液反应，但不与盐酸反应。加热或高温条件下能与C、Cl2、O2等发生反应，化学方程式分别为Si＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC、Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4、Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。答案：C4．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃。下列关于水玻璃的说法中，正确的是()A．水玻璃是一种纯净物B．水玻璃可作木材防腐剂C．水玻璃与盐酸反应所得的白色胶状沉淀是二氧化硅D．滴有酚酞的水玻璃呈红色，说明水玻璃呈碱性解析：水玻璃是Na2SiO3的水溶液，是一种混合物；由于Na2SiO3的热稳定性极好，又不能燃烧，所以常用作木材防火剂而不是防腐剂；Na2SiO3溶液中滴入盐酸发生反应：Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3↓＋2NaCl，产生的沉淀是H2SiO3而不是SiO2；Na2SiO3溶液能使无色酚酞溶液变红色，说明水玻璃显碱性。答案：D提升点一硅的结构特点和特性[例1]下列关于硅的说法中，错误的是()A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体B．单质硅和金刚石结构相像，但比金刚石硬度小，熔点低C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应D．加热到肯定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应【解析】硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但事实上属于非金属；硅原子与碳原子最外层电子数相同，晶体结构相像，但硅晶体比金刚石的硬度小，熔点低；硅的化学性质不活泼，常温能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，加热至肯定温度时，硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。【答案】C解答信息试验题时要特殊留意以下两点：(1)分析题目信息，留意试验操作或具有特殊性质的物质；(2)与已驾驭的学问进行对比分析，充分利用信息进行学问迁移。[提升1]硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物在现代生活中有广泛应用。回答下列问题：(1)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中，生产一般玻璃的主要原料有________________________________________________________________________。(2)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都须要的基础材料。工业上提纯硅有多种技术路途，其中一种工艺流程示意图如下：①工业上用石英砂和焦炭在电弧炉中加热到1600～1800℃，除生成粗硅外，也可以生成碳化硅，则在电弧炉内可能发生的反应的化学方程式为________________________________________________________________________。②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，粗硅生成SiHCl3的化学方程式为________________________________________________________________________。(3)还原炉中发生的化学反应为________________________________________________________________________。解析：(1)生产一般玻璃的主要原料有纯碱、石英砂、石灰石。(2)①二氧化硅与焦炭在高温下发生反应生成粗硅或碳化硅，化学方程式为SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑、SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC＋2CO↑。②粗硅与氯化氢在250～300℃条件下反应生成SiHCl3和氢气。(3)还原炉内，氢气与SiHCl3发生氧化还原反应，生成Si和HCl，化学方程式为SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋3HCl。答案：(1)纯碱、石英砂、石灰石(2)①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑、SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC＋2CO↑②Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(250～300℃))SiHCl3＋H2(3)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋3HCl,[关键实力]1．晶体硅的结构结构类似于金刚石。硅的工业制法硅单质是由其氧化物制得的，常见工艺流程如下：石英砂eq\o(→,\s\up7(1焦炭/高温))粗硅eq\o(→,\s\up7(2Cl2/△))SiCl4eq\o(→,\s\up7(3H2/高温))纯硅有关反应的化学方程式为：(1)2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗)＋2CO↑(2)Si(粗)＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4(3)SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(纯)＋4HCl2．硅单质的化学性质(1)常温下：①与氟气反应：Si＋2F2=SiF4；②与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑(2)加热条件下：①与O2反应：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2；②与Cl2反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4；③与C反应：Si＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC提升点二含硅物质的性质应用与转化[例2]歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案生动形象，但古瓷中所用颜料的成分始终是个谜。近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是()A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2B．性质稳定，不易脱色C．易溶于强酸和强碱D．x等于6【解析】BaCuSi2Ox中，Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，O为－2价，由化合价规则：(＋2)＋(＋2)＋2×(＋4)＋(－2)×x＝0，得x＝6，则用氧化物形式表示硅酸铜钡为BaO·CuO·2SiO2，A、D项正确；由题干信息可知硅酸铜钡的性质稳定，不易脱色，故B项正确，C项错误。【答案】C[提升2]A、B、C、D、E五种含硅元素的物质，相互转化关系如图所示：(1)推断A～E的化学式：A________，B________，C________，D________，E________。(2)①写出B→A的化学方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②A→C的离子方程式________________________________________________________________________。解析：在空气中燃烧生成D，B可能为Si，B和D都能与NaOH溶液反应生成A，则A为Na2SiO3，A和盐酸反应生成C，C为H2SiO3，H2SiO3受热分解又生成SiO2，证明B为Si，E为CaSiO3。答案：(1)Na2SiO3SiH2SiO3SiO2CaSiO3(2)①Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑②SiOeq\o\al(2－,3)＋2H＋=H2SiO3↓硅及其化合物转化关系题中的突破口(1)硅、二氧化硅的结构：如硅与金刚石结构相像。(2)硅、二氧化硅的物理性质：如硬度大，熔、沸点高。(3)特征性质：①与强碱溶液反应放出H2的非金属单质是硅。②不与H2O反应、能与氢氟酸反应(或雕刻玻璃)的酸性氧化物为SiO2。③难溶于水的无机酸是H2SiO3。[关键实力]1．硅及其化合物的转化关系2．硅酸盐的氧化物形式的改写硅酸盐由于组成比较困难，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eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(氧化物的排列依次：活泼金属氧化物→较活泼,金属氧化物→二氧化硅→水,氧化物之间以“·”隔开))化学计量数eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(配置原则：各元素原子总个数比符合原来的组成,若出现分数应化为整数)),硅酸盐组成式改写实例：钠长石NaAlSi3O8不能写成eq\f(1,2)Na2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。1．硅被誉为无机非金属材料的主角，下列物品用到硅单质的是()A．陶瓷餐具B．石英钟表C．计算机芯片D．光导纤维答案：C2．科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列关于硅的说法中正确的是()A．地壳中硅的含量稀有B．自然界中存在大量单质硅C．高纯度的硅被用于制作计算机芯片D．光导纤维的主要成分是Si解析：因为21世纪是计算机广泛普及和应用的时代，而硅(高纯度)又是制作计算机芯片的原料。答案：C3．关于硅及其化合物的叙述中，正确的是()A．硅是良好的半导体材料，可以与NaOH溶液和氢氟酸反应B．二氧化硅与石灰石反应：SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO↑C．用焦炭还原二氧化硅生产硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO2↑D．水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2解析：B项正确的化学方程式为CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑；C项正确的化学方程式为SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO↑＋Si；D项水泥的主要成分是3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3。答案：A4．材料与化学亲密相关，表中对应关系错误的是()选项材料主要化学成分A刚玉、金刚石三氧化二铝B大理石、石灰石碳酸钙C一般水泥、一般玻璃硅酸盐D沙子、石英二氧化硅解析：刚玉的主要成分是三氧化二铝，金刚石的成分是碳。大理石、石灰石的主要成分都是碳酸钙；水泥、玻璃属于硅酸盐；沙子、石英的主要成分都是二氧化硅。答案：A5．如图中的每一方格表示相关的一种反应物或生成物。其中B是一种单质，其余物质也都是有B元素的化合物。C是一种钠盐，E是C对应的酸，B的结构类似金刚石，D为B的氧化物(其他不含B元素的反应产物以及各步反应添加的必要试剂和反应条件已被略去)，请填写空白：(1)A、D、E的化学式分别为________、________、________。(2)A和B的相互转化在工业上有什么实际意义？________________________________________________________________________。(3)写出D→C反应的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)写出E→D反应的化学方程式：________________________________________________________________________。解析：本题的突破口是：“B是一种单质”“B的结构类似金刚石”。据此，简洁推断出B是晶体硅。硅与氯气在加热条件下生成SiCl4，因此，A为SiCl4。经过分馏提纯后得到纯净的SiCl4，SiCl4可以被氢气还原得纯净的硅。依据D能转化成B(Si)，可知D为SiO2，由此可知其他答案。答案：(1)SiCl4SiO2H2SiO3(2)粗硅提纯(3)SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O(4)H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))SiO2＋H2O练后感悟含硅化合物之间的“三角转化”关系，是推断含硅化合物推断题的重要突破口，其转化关系如图。课时作业19硅酸盐和硅单质授课提示：对应学生用书121页[练基础]1．硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列叙述中，正确的是()A．右图是常见于汽车中的小摆件“苹果花”，它的动力是以Si为原料制作的太阳能电池B．晶体硅主要用途是制造光导纤维C．硅是地壳中含量最多的元素D．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解析：晶体硅是良好的半导体材料，主要用途是制作太阳能电池、集成电路，A正确、B错误；氧是地壳中含量最多的元素，C错误；硅是亲氧元素，在自然界中以化合态形式存在，D错误。答案：A2．有关硅元素的下列叙述中正确的是()A．硅、碳与氢氟酸都不反应B．硅是构成矿物岩石的主要原料，其化合态硅几乎全部是硅石和硅酸盐C．硅与碳性质都很稳定，都能以游离态存在于自然界D．晶体硅、石墨都可作半导体材料答案：B3．玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元素是()A．氮B．硫C．硅D．氯解析：玻璃、陶瓷、水泥属于传统的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有硅元素和氧元素，故选项C正确。答案：C4．我国具有独立学问产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是()A．晶体硅和金刚石的物理性质相像B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺困难，价格昂贵D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电解析：晶体硅的结构与金刚石相像，是具有正四面体形的空间立体网状结构，所以物理性质与金刚石相像，熔、沸点高，硬度大；硅的化学性质不活泼，但常温下可与F2、HF和强碱反应；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛运用；晶体硅是一种非金属单质，虽然它具有金属光泽。答案：A5．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⑤C．②和③D．①和④解析：Si、Ge均能导电，可作半导体材料；Al是电的良导体；石墨也能导电，但不能作半导体材料；金刚石不导电。答案：D6．下列溶液中①碳酸钠溶液②氢氟酸③氢氧化钠溶液④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中但不能用磨口玻璃塞的是()A．①③B．②④C．②③D．①④解析：①、③项中溶液呈碱性，不能与光滑的玻璃反应，但能与磨口玻璃袒露的SiO2反应，生成的硅酸钠溶液是一种矿物胶，具有良好的黏结性，易使瓶塞与瓶壁粘在一起而难以开启。氢氟酸能腐蚀玻璃，不能用玻璃试剂瓶盛放。答案：A7．熔融氢氧化钠反应选用的器皿是()A．陶瓷坩埚B．石英坩埚C．一般玻璃坩埚D．生铁坩埚解析：陶瓷的成分中含有SiO2，石英的成分就是SiO2，玻璃的主要成分中也含有SiO2，而SiO2在高温下可以跟NaOH发生如下反应：SiO2＋2NaOHeq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋H2O。所以A、B、C的器皿都不能选用，只能用生铁坩埚。答案：D8．制备硅单质时，主要化学反应如下：①SiO2(石英砂)＋2C(焦炭)eq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗硅)＋2CO↑②Si(粗硅)＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4，③SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))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解析：在反应②中Si元素化合价上升，被氧化。答案：D[提素养]9．世界闻名的科技史专家、英国剑桥高校的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3000年以前，就已经运用玻璃了。”下列有关一般玻璃的说法不正确的是()A．制一般玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英B．玻璃在加热熔化时有固定的熔点C．一般玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起解析：一般玻璃以纯碱、石灰石和石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融制得，A正确；玻璃是混合物，没有固定的熔点，B错误；一般玻璃的大致组成为Na2O·CaO·6SiO2，C正确；二氧化硅易与烧碱溶液反应生成Na2SiO3，Na2SiO3具有很强的黏合性，因此盛有NaOH等强碱性溶液的试剂瓶不能运用玻璃塞。答案：B10．用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，不正确的是()A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]：CaO·Al2O3·3SiO2·3H2OB．镁橄榄石(Mg2SiO4)：2MgO·SiO2C．钾云母(K2H4Al6Si6O24)：K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2D．高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]：Al2O3·2SiO2·2H2O答案：C11．将过量的CO2分别通入：①CaCl2溶液②浓Na2SiO3溶液③Ca(OH)2溶液④饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是()A．①②③④B．②④C．①②③D．②③解析：CO2溶于水：CO2＋H2OH2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。依据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液无明显现象；过量的CO2通入浓Na2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入Ca(OH)2溶液至过量，Ca(OH)2＋CO2=CaCO3↓＋H2O，CaCO3＋H2O＋CO2=Ca(HCO3)2，最终生成Ca(HCO3)2而无沉淀；过量CO2通入饱和Na2CO3溶液中：Na2CO3＋H2O＋CO2=2NaHCO3↓，生成的NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而结晶析出，故选B。答案：B12．在含有NaOH、NaAlO2、Na2SiO3的溶液中逐滴加入盐酸至过量，其图像正确的是()解析：若偏铝酸钠最先与盐酸反应，生成的氢氧化铝会溶于氢氧化钠溶液中；若硅酸钠最先与盐酸反应，生成的硅酸会溶于氢氧化钠溶液中，因此氢氧化钠最先与盐酸反应，然后偏铝酸钠和硅酸钠与盐酸反应生成氢氧化铝、硅酸，接着滴加盐酸，氢氧化铝溶解，硅酸不溶解。综上所述，C项符合题意。答案：C13．下图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是()A．SiO2属于两性氧化物B．酸性：H2SiO3>H2CO3C．硅胶吸水后可重复再生D．图中所示转化反应都是氧化还原反应解析：SiO2是酸性氧化物；酸性：H2CO3>H2SiO3；图中有的转化反应不是氧化还原反应，如SiO2与NaOH溶液的反应等。答案：C14．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。(1)计算机芯片和太阳能电池的主要成分是________，光导纤维的主要成分是________。(填化学式)(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________。(3)工业上利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶后进一步脱水处理可得到硅胶，写出水玻璃和盐酸反应的离子方程式：________________________________________________________________________。(4)玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，用氧化物形式表示为________________________________________________________________________。(5)高纯度单晶硅可以按下列方法制备：SiO2eq\o(→,\s\up7(①C),\s\do5(高温))Si(粗)eq\o(→,\s\up7(②HCl),\s\do5(300℃))SiHCl3eq\o(→,\s\up7(③过量H2),\s\do5(1000～1100℃))Si(纯)写出步骤①的化学方程式：________________________________________________________________________。步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6℃)，提纯SiHCl3主要操作的名称是________。步骤③须要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有担心全因素外，还可能使产品中混有杂质________。解析：(1)Si是半导体，可用于制造计算机芯片和太阳能电池，光导纤维的主要成分是SiO2。(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，是因为氢氟酸能和SiO2反应，反应的化学方程式为4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O。(3)工业上利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶后进一步脱水处理可得到硅胶，水玻璃(Na2SiO3)和盐酸反应的离子方程式为SiOeq\o\al(2－,3)＋2H＋=H2SiO3(胶体)。(4)翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，将其表示为氧化物形式为Na2O·Al2O3·4SiO2。(5)步骤①的化学方程式为2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗)＋2CO↑；步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6℃)，依据两者沸点不同，可采纳蒸馏的方法分别；步骤③须要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有担心全因素外，产品中的Si会和O2在高温的条件下反应生成SiO2。答案：(1)SiSiO2(2)4HF＋SiO