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專題19 無機(jī)非金屬材料的主角——硅 【知識(shí)回放】 1．碳和硅在自然界中以什么形式存在？ 2．CO2的物理性質(zhì)：是一種 色 體， 溶于水，固態(tài)CO2俗稱 。 3．完成以下方程式： （1）CO2 + H2O → （2）CO2 + NaOH → （3）CO2 + CaO → 4．請(qǐng)寫出硅原子和碳原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖。 5．根據(jù)Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑能說明硅酸酸性比碳酸強(qiáng)嗎？ 6．由于SiO2既可與堿反應(yīng)，也可與氫氟酸反應(yīng)，所以SiO2為兩性氧化物，這種說法是否正確? 【答案】 1．碳在自然界中有游離態(tài)和化合態(tài)兩種形式存在，硅在自然界中以化合態(tài)存在。 2．無色無味 氣體 能 干冰 3．（1）CO2 + H2O = H2CO3 （2）CO2 + 2NaOH = Na2CO3+H2O （3）CO2 + CaO = CaCO3 4． 【新知精講】 一、二氧化硅 1.存在 存在形態(tài)有結(jié)晶形和無定形兩大類,水晶、瑪瑙的主要成分是結(jié)晶的二氧化硅。 2.物理性質(zhì) 熔點(diǎn) 硬度 溶解性 高 大 不溶于水 3.化學(xué)性質(zhì) 4.用途 (1)以SiO2為主要成分的沙子是基本的建筑材料。 (2)純凈的SiO2是現(xiàn)代光學(xué)及光纖制品的基本原料,可以制作光導(dǎo)纖維。 (3)用石英和瑪瑙制作飾物和工藝品。 二、硅酸 1.硅酸的性質(zhì) (1)弱酸性。 向Na2SiO3溶液中通入CO2,反應(yīng)的化學(xué)方程式為Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3(膠體)+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O===H2SiO3(膠體)+2NaHCO3。 結(jié)論:H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。 (2)不穩(wěn)定性。 H2SiO3受熱易分解,化學(xué)方程式為H2SiO3SiO2+H2O。 2.硅酸的制備 (1)Na2SiO3溶液與CO2的反應(yīng):Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3(膠體)+Na2CO3。 (2)Na2SiO3與鹽酸的反應(yīng):Na2SiO3+2HCl===H2SiO3(膠體)+2NaCl。 3.硅酸的存在及用途 (1)濃度小時(shí):形成硅酸溶膠。 (2)濃度大時(shí):形成硅酸凝膠。 (3)硅膠。 硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水得到的硅酸干凝膠,稱為“硅膠”,具有很強(qiáng)的吸水性,常用作干燥劑或催化劑的載體。 三、硅酸鹽 1.概念 硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱。 2.硅酸鹽的性質(zhì) 硅酸鹽是一大類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)物質(zhì),大多不溶于水,化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。 3.硅酸鹽組成的表示 通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示其組成。 例如:Na2SiO3:Na2OSiO2; 長(zhǎng)石KAlSi3O8:K2OAl2O36SiO2。 4.最常見的硅酸鹽——Na2SiO3 Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃,能制備硅膠和木材防火劑。 5.三種常見的硅酸鹽產(chǎn)品 硅酸鹽產(chǎn)品 原料 主要設(shè)備 水泥 石灰石、黏土 水泥回轉(zhuǎn)窯 玻璃 純堿、石灰石和石英 玻璃窯 陶瓷 黏土 — 6.其他含硅的物質(zhì) 物質(zhì) 性質(zhì) 用途 SiC 俗稱金剛砂,具有金剛石結(jié)構(gòu),硬度很大 砂紙、砂輪的磨料 含4%硅的硅鋼 很高的導(dǎo)磁性 變壓器鐵芯 硅橡膠 既耐高溫又耐低溫,在-60~250 ℃保持良好的彈性 制造火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)的零件和絕緣材料等 人工制造的分 子篩(鋁硅酸鹽) 有均勻微孔結(jié)構(gòu) 作吸附劑和催化劑 四、硅單質(zhì) 1.種類：?jiǎn)钨|(zhì)硅有晶體和無定形兩類。 2.結(jié)構(gòu)：晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石相似。 3.性質(zhì) (1)物理性質(zhì): 色、態(tài) 光澤 熔點(diǎn) 硬度 質(zhì)地 導(dǎo)電性 灰黑色固體 金屬光澤 高 大 脆 半導(dǎo)體 (2)化學(xué)性質(zhì):在常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑,但能與氫氟酸、強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)。 4.用途 (1)半導(dǎo)體材料,如硅芯片等。 (2)新型能源,如光電池等。 【科學(xué)探究】 探究一 二氧化硅的性質(zhì) 問題導(dǎo)引 二氧化硅的平面結(jié)構(gòu) 1.實(shí)驗(yàn)室保存NaOH溶液時(shí)為何不能使用玻璃塞? 提示因NaOH會(huì)與玻璃的主要成分SiO2反應(yīng),生成的Na2SiO3溶液會(huì)使瓶塞與瓶口黏連在一起。 2.SiO2既能與NaOH溶液反應(yīng),也能與氫氟酸反應(yīng),SiO2屬于兩性氧化物嗎? 探究二 硅酸的性質(zhì)和制備 問題導(dǎo)引 硅酸的制備 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 滴加酚酞溶液后溶液呈紅色,滴加稀鹽酸后溶液變?yōu)闊o色,有白色膠狀沉淀生成 1.SiO2屬于酸性氧化物,能否用SiO2與H2O直接反應(yīng)制取H2SiO3? 提示不能。雖然SiO2屬于酸性氧化物,但SiO2難溶于水,無法用SiO2與H2O反應(yīng)制取H2SiO3,可用Na2SiO3與酸反應(yīng)制取。 2.已知SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑,這能否證明硅酸的酸性比碳酸強(qiáng)? 提示不能。該反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行,產(chǎn)物中CO2為氣體,生成后脫離反應(yīng)體系,使反應(yīng)能向右進(jìn)行到底。 探究三 硅酸鹽的組成和性質(zhì) 問題導(dǎo)引 常見的硅酸鹽礦物 1.思考:硅酸鹽可寫成二氧化硅和金屬氧化物的形式,是否可理解成硅酸鹽是二氧化硅和金屬氧化物的混合物? 提示不可以。硅酸鹽結(jié)構(gòu)復(fù)雜,只是用二氧化硅和金屬氧化物的形式來表示,并不是它們的混合物。 2.請(qǐng)結(jié)合硅酸鹽的性質(zhì),分析在實(shí)驗(yàn)室里如何保存Na2SiO3溶液?如果敞口放置一段時(shí)間,溶液會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象? 探究四 硅單質(zhì)的性質(zhì)和用途 問題導(dǎo)引 太陽能汽車 單質(zhì)硅在常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑,所以硅在自然界中以游離態(tài)存在,這種說法是否正確? 提示不正確。硅是一種親氧元素,在自然界中總是與氧相互化合,以熔點(diǎn)很高的氧化物及硅酸鹽的形式存在。所以自然界中無游離態(tài)的硅存在。 【重點(diǎn)突破】 1.SiO2的特性 (1)酸性氧化物一般能與水反應(yīng)生成對(duì)應(yīng)的酸,但SiO2不溶于H2O,不能直接與H2O反應(yīng)生成H2SiO3。 (2)非金屬氧化物的熔點(diǎn)一般較低,但二氧化硅的熔點(diǎn)很高。 (3)酸性氧化物一般不與酸反應(yīng),但SiO2可以與氫氟酸反應(yīng):SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。 2.CO2與SiO2的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的異同 二氧化碳(CO2) 二氧化硅(SiO2) 類別 均為酸性氧化物 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 由二氧化碳分子構(gòu)成 由氧原子與硅原子構(gòu)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),無SiO2分子 物理性質(zhì) 常溫為無色氣體,熔點(diǎn)和沸點(diǎn)低,可溶于水 常溫為堅(jiān)硬難熔的固體,不溶于水 與水反應(yīng) CO2與H2O反應(yīng)生成H2CO3 不反應(yīng) 化學(xué)性質(zhì) 與酸反應(yīng) 不反應(yīng) 只與氫氟酸反應(yīng):SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O 與NaOH反應(yīng) CO2少量:CO2+2NaOH=== Na2CO3+H2O CO2過量: CO2+NaOH===NaHCO3 SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O 與CaO反應(yīng) CO2+CaO===CaCO3 SiO2+CaOCaSiO3 3.硅酸的性質(zhì)與制備 二氧化硅對(duì)應(yīng)的水化物是硅酸。 (1)性質(zhì): ①硅酸為白色固體,難溶于水。 ②酸性極弱,比碳酸還弱,不能使指示劑變色,只能與強(qiáng)堿反應(yīng),例如H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O。 ③硅酸不穩(wěn)定,受熱易分解,化學(xué)方程式為H2SiO3SiO2+H2O。 (2)制備: 由于二氧化硅不能與水化合,所以制備硅酸時(shí)只能使用間接的方法,如向Na2SiO3溶液中滴加鹽酸或通入CO2氣體等,利用的原理都是:強(qiáng)酸+弱酸鹽弱酸+強(qiáng)酸鹽。如:CO2+Na2SiO3+H2O===H2SiO3(膠體)+Na2CO3。 硅酸鹽的氧化物形式的改寫 硅酸鹽由于組成比較復(fù)雜,通常用二氧化硅和金屬氧 化物的形式表示其組成,改寫時(shí)的規(guī)律為: 書寫形式 化學(xué)計(jì)量數(shù) 例如:鈉長(zhǎng)石NaAlSi3O8不能寫成1/2Na2O1/2Al2O33SiO2,應(yīng)寫成Na2OAl2O36SiO2。 4.硅單質(zhì)性質(zhì)的特殊性 物質(zhì) 一般規(guī)律 硅單質(zhì)的特性 Si 硅還原性強(qiáng)于碳 碳和二氧化硅在高溫下反應(yīng):2C+SiO2Si+2CO↑ 非金屬單質(zhì)與強(qiáng)堿溶液一般不產(chǎn)生H2 硅與氫氧化鈉溶液反應(yīng)產(chǎn)生H2: Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑ 非金屬一般不與非氧化性酸反應(yīng) 硅和氫氟酸反應(yīng):Si+4HF===SiF4↑+2H2↑ 一般非金屬單質(zhì)為絕緣體 硅為半導(dǎo)體,常用于電子部件 5.硅的制取 (1)粗硅的制取。2C+SiO22CO↑+Si(粗硅) (2)純硅的制取。Si(粗硅)+2Cl2SiCl4 SiCl4+2H2Si(純硅)+4HCl 【典題探究】 典例1 關(guān)于二氧化硅的敘述不正確的是(　　) ①水晶的主要成分是SiO2②能跟強(qiáng)堿反應(yīng),但不能與水反應(yīng)?、酃枧c碳最外層都有4個(gè)電子,故SiO2的物理性質(zhì)與CO2類似④既屬于酸性氧化物,又屬于堿性氧化物 A.②③ B.③④ C.②④ D.①④ 【答案】:B 【解析】:SiO2區(qū)別于CO2的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),SiO2區(qū)別于Al2O3的兩性。 典例2 下列說法正確的是(　　) A.硅酸不溶于水,因此不與NaOH溶液反應(yīng) B.根據(jù)SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑的反應(yīng),可推知硅酸酸性比碳酸酸性強(qiáng) C.CO2氣體通入硅酸鈉溶液中可以制得硅酸 D.SiO2溶于水顯酸性 【答案】:C 酸、碳酸酸性的強(qiáng)弱;C項(xiàng)符合“強(qiáng)酸制弱酸”的一般規(guī)律;SiO2不溶于水,也不能與水反應(yīng),D錯(cuò)誤。 典例3 在無機(jī)非金屬材料中,硅一直扮演著主要的角色。制備純硅的主要步驟如下: ①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅; ②粗硅與干燥的HCl氣體反應(yīng)制得SiHCl3: Si+3HClSiHCl3+H2; ③SiHCl3與過量H2在1 000~1 100 ℃反應(yīng)制得純硅。 請(qǐng)回答下列問題: (1)第①步制備粗硅反應(yīng)的化學(xué)方程式為 　。 (2)粗硅與HCl反應(yīng)完全后,經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點(diǎn)33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸點(diǎn)57.6 ℃)和HCl(沸點(diǎn)-84.7 ℃),提純SiHCl3采用的方法為 　。 (3)從基本反應(yīng)類型角度分類,步驟③中發(fā)生的反應(yīng)屬于 。 (4)為鑒定產(chǎn)品硅中是否含微量鐵單質(zhì),將試樣用稀鹽酸溶解,取上層清液后需再加入的試劑是 (填寫字母代號(hào)) 。 A.氯水 B.NaOH溶液 C.KSCN溶液 D.Na2SO3溶液 【答案】:(1)SiO2+2CSi(粗)+2CO↑　 (2)蒸餾(或分餾)　 (3)置換反應(yīng)　 (4)AC 典例4 用地殼中某主要元素生產(chǎn)的多種產(chǎn)品在現(xiàn)代高科技中占有重要位置,足見化學(xué)對(duì)現(xiàn)代物質(zhì)文明的重要作用。例如: (1)計(jì)算機(jī)芯片的主要成分是 　; (2)光導(dǎo)纖維的主要成分是 　; (3)目前應(yīng)用最多的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化材料是 　; (4)常用作吸附劑、干燥劑或催化劑載體的物質(zhì)是　 。 【答案】:(1)硅(或Si或單晶硅) (2)二氧化硅(或SiO2) (3)硅(或Si) (4)硅膠 典例5 昆侖玉的成分可簡(jiǎn)單看成是Ca2Mg5Si8O22(OH)2,則其用二氧化硅和金屬氧化物的形式可表示為(　　) A.CaOMgOSiO2H2O B.2CaO5MgO8SiO2H2O C.2CaOMgOSiO22H2O D.5CaO2MgO8SiO2H2O 【答案】:B 【解析】:根據(jù)昆侖玉的化學(xué)式,將Ca、Mg、Si、H分別寫成氧化物的形式,再調(diào)整各氧化物前的計(jì)量數(shù)并使其原子組成與昆侖玉的化學(xué)式一致,可得昆侖玉用氧化物的形式表示為2CaO5MgO8SiO2H2O。 典例6(雙選) 下列關(guān)于二氧化硅的說法中,錯(cuò)誤的是(　　) A.二氧化硅也叫做硅酸酐 B.二氧化硅分子由一個(gè)硅原子和兩個(gè)氧原子構(gòu)成 C.不能用二氧化硅與水直接作用制取硅酸 D.二氧化硅既能與氫氟酸反應(yīng),又能與燒堿反應(yīng),所以它是兩性氧化物 【答案】:BD 【解析】:A.酸酐與對(duì)應(yīng)的酸中元素化合價(jià)相同,SiO2和H2SiO3的化合價(jià)相同,所以SiO2盡管難溶于水,但它仍是硅酸的酸酐，正確B SiO2晶體是由Si和O按1∶2的比例所組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并不存在SiO2分子,錯(cuò)誤C二氧化硅難溶于水,且不與水反應(yīng),無法直接與水反應(yīng)制取硅酸, 正確SiO2與氫氟酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O,SiO2與氫氟酸反應(yīng)只是一種特殊情況,所以不能說SiO2是兩性氧化物，錯(cuò)誤。 典例7 在一定條件下,既能與CO2反應(yīng),又能與SiO2反應(yīng)的物質(zhì)是(　　) ①NaHCO3溶液　②濃硫酸?、跱aOH溶液　④碳 A.①② B.①③ C.②④ D.③④ 【答案】:D 典例8 能證明碳酸比硅酸酸性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)是（ ） A.CO2溶于水生成碳酸而SiO2卻不溶于水 B.高溫時(shí)發(fā)生反應(yīng):Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑ C.碳酸比硅酸受熱易分解 D.將CO2通入Na2SiO3的水溶液中有白色膠狀沉淀生成 【答案】:D 【解析】:利用強(qiáng)酸制取弱酸的反應(yīng)原理,CO2溶于水形成碳酸,碳酸與Na2SiO3溶液反應(yīng)得到硅酸膠體,從而證明碳酸的酸性強(qiáng)于硅酸。 典例9 長(zhǎng)石(KAlSi3O8)風(fēng)化生成高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]的離子方程式為: 2KAlSi3O8+2H2CO3+5H2O===2K++2HCO3-+4H2SiO3+Al2Si2O5(OH)4 (1)將上述復(fù)雜硅酸鹽改寫成氧化物形式。 ①KAlSi3O8 　; ②Al2Si2O5(OH)4　 ; (2)上述反應(yīng)能夠發(fā)生的原因是 　。 【答案】: (1)①K2OAl2O36SiO2 ②Al2O32SiO22H2O (2)較強(qiáng)的酸能制較弱的酸 (2)分析反應(yīng)前后物質(zhì)的種類,可知屬于酸與鹽發(fā)生的復(fù)分解反應(yīng),是由于酸性:H2CO3>H2SiO3,發(fā)生了較強(qiáng)的酸制取較弱的酸的反應(yīng)。 易錯(cuò)警示 長(zhǎng)石:KAlSi3O8不能寫成K2OAl2O33SiO2,應(yīng)寫成K2OAl2O36SiO2,即原子個(gè)數(shù)比不變。