必修2 第五章 第三节 无机非金属材料.docx

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必修2第五章第三节无机非金属材料

无机非金属材料

重难点

题型

分值

重点

1.掌握硅、二氧化硅的存在、结构特点和性质；

2.了解硅在无机非金属材料中的生产和应用；

3.重点掌握二氧化硅的化学性质

4.了解硅酸钠的性质和主要用途

选择和填空

4-6分

难点

掌握硅、二氧化硅的存在、结构特点和性质；

了解硅酸钠的性质和主要用途

核心知识点一：

一、硅酸盐材料

硅酸盐是由盐、氧和金属组成的化合物的总称，在自然界分布极广。

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。

1.硅酸

（1）物理性质

不溶于水、无色透明、胶状（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，也可以用催化剂的载体。

（2）化学性质

弱酸性：

所以在与碱反应时只能与强碱反应

H2SiO3+2NaOH＝Na2SiO3+H2OH2SiO3+2OH－＝SiO32－+2H2O

比碳酸酸性弱：

Na2SiO3+CO2+H2O＝Na2CO3+H2SiO3

硅酸的热稳定性较弱，受热易分解为SiO2和水：

H2SiO3

H2O＋SiO2

（3）制备方法

由于SiO2不溶于水，所以硅酸只能用间接的方法制取，一般用可溶性硅酸盐+酸制得。

实验步骤

在试管中加入3~5mLNa2SiO3溶液（饱和Na2SiO3溶液按1∶2或1∶3的体积比用水稀释），滴入1~2滴酚酞溶液，再用胶头滴管逐滴加入稀盐酸，边加边振荡，至溶液红色变浅并接近消失时停止。

静置。

仔细观察变化过程及其现象

实验现象

滴加酚酞溶液后，溶液显红色；滴加盐酸后，溶液的红色逐渐消失，生成软而透明的胶冻状的凝胶

实验结论

硅酸钠溶液显碱性，可与酸反应；硅酸为白色固体，难溶于水

Na2SiO3+2HCl＝2NaCl+H2SiO3↓SiO32－+2H+＝H2SiO3↓

【注意】①硅酸不溶于水，不能用SiO2与水反应制取硅酸

②硅酸的酸性比碳酸的酸性还弱，所以往可溶性硅酸盐溶液中通入CO2也可以制取硅酸：

Na2SiO3＋CO2＋H2O＝Na2CO3＋H2SiO3↓SiO32－＋CO2＋H2O＝CO32－＋H2SiO3↓

③如前所述，SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑，该反应在高温条件下进行，有利于CO2从体系中挥发出来，而SiO2为高熔点固体，不能挥发，所以反应可以进行，符合难挥发性酸酐制取易挥发性酸酐的原理；而上述反应“Na2SiO3+CO2+H2O＝Na2CO3+H2SiO3↓”可以进行，是因为该反应是在溶液中进行的，符合复分解反应的原理，两者反应原理不矛盾

【想一想】碳酸和硅酸的酸性比较

2.硅酸钠

（1）物理性质：

最简单的硅酸盐是硅酸钠（Na2SiO3），可溶于水，其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。

【注意】①硅酸钠溶液可用玻璃瓶盛装，但是不能用玻璃塞，应用橡胶塞或木塞。

②玻璃中含有二氧化硅，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。

（2）化学性质

硅酸钠水溶液呈碱性，使酚酞溶液变红。

②硅酸钠与酸反应生成硅酸

由于硅酸是比碳酸还弱的酸，所以水玻璃易跟碳酸（CO2＋H2O）及更强的酸反应，生成难溶于水的硅酸，如：

①通入少量的CO2：

Na2SiO3＋CO2＋H2O＝Na2CO3＋H2SiO3↓

SiO32－＋CO2＋H2O＝CO32－＋H2SiO3↓

由此可知Na2SiO3水溶液在空气中易变质

②通入过量的CO2：

Na2SiO3＋2CO2＋2H2O＝2NaHCO3＋H2SiO3↓

SiO32－＋2CO2＋2H2O＝2HCO3－＋H2SiO3↓

（3）硅酸盐的组成

①表示方法：

与其他盐不同，硅酸盐的组成相当复杂，通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示他们的组成，其通式为aMxOy•bSiO2•cH2O。

式中aMxOy表示金属氧化物。

②书写方式：

找出组成元素→写成氧化物形式→原子守恒→检查有无遗漏→氧化物之间用“•”隔开。

③书写顺序：

活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。

例如：

Na2SiO3可表示为NaO·SiO2；CaSiO3可表示为CaO·SiO2；

石棉可表示为CaO·3MgO·4SiO2

【注意】低价金属氧化物写在前，高价金属氧化物写在后；活泼金属的氧化物写在前，不活泼金属的氧化物写在后。

3.硅酸盐材料

水泥

玻璃

陶瓷

原料

黏土、石灰石

石灰石、石英、纯碱

黏土

设备

水泥回转窑

玻璃熔炉

陶瓷窑

变化

复杂的物理、化学变化过程。

（加入适量石膏，调节水泥的硬化速度。

研成细粉就得到普通水泥，熔融制得水泥具有水硬性）

主要反应：

Na2CO3与CaCO3各自与SiO2在高温条件下反应生成Na2SiO3与CO2、CaSiO3与CO2

加水混合→成型→干燥→烧结→冷却

组成

硅酸三钙（3CaO·SiO2）

硅酸二钙（2CaO·SiO2）

铝酸三钙（3CaO·Al2O3）

硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅

硅酸盐

用途

重要的建筑材料

玻璃瓶、化学实验用的玻璃仪器、窗玻璃等

在工农业、科技生活、实验室中使用广泛

核心知识点二：

二、新型无机非金属材料

1.硅单质

（1）存在

硅在地壳中的含量为26.3％，仅次于氧。

硅元素在自然界全部以化合态存在。

单质硅有晶体和无定形两种，硅是构成矿物和岩石的主要元素。

（2）物理性质

①硅在元素周期表中处理金属与非金属的过渡位置。

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。

带有金属光泽的灰黑色固体，晶体硅的熔点高（1410℃）、硬度大、有脆性。

②用途：

晶体硅的用途广泛，可以用来制造晶体管、光电池，硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心。

（3）化学性质

硅和碳是元素周期表里ⅣA族的元素，并且是上下邻居，它们原子结构的共同点是最外层是4个电子，但电子层数不同，碳原子和硅原子都既不容易失电子又不容易得电子，主要通过共用电子对形成正四价的化合物。

碳单质和硅单质的主要化学性质既有相似性又有差异性

（1）常温下化学性质不活泼，除与O2、F2、Cl2、HF、NaOH反应，一般不与其它物质反应

Si＋2O2

SiO2

Si＋2F2＝SiF4

Si＋2Cl2

SiCl4

Si+4HF＝SiF4↑+2H2↑

Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑

（2）加热时可与O2、Cl2等非金属反应

2.二氧化硅

（1）存在

二氧化硅是硅最重要的化合物

地球上存在的天然二氧化硅，其存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。

存在形式：

硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等（硅元素的亲氧性）

（2）结构

SiO2晶体具有多种晶型，其基本结构单元是如图所示的四面体，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O跟2个Si相结合。

实际上，SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所构成的立体网状结构的原子晶体，因此，通常用SiO2来表示二氧化硅的组成，但并不存在单独的SiO2分子。

SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着

（3）物理性质

熔点高、硬度大、难溶于水

（4）用途

光导纤维、化学仪器、光学仪器、钟表、建筑材料、饰品等；

但人长期吸入含有SiO2的粉尘就会患硅肺病（旧称为矽肺病）

（5）化学性质

二氧化硅的化学性质很不活泼，氢氟酸（HF）是唯一可以与之发生反应的酸：

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

SiO2是酸性氧化物，它可能发生哪些反应呢？

与碱性氧化物反应生成盐：

SiO2＋CaO

CaSiO3

与强碱反应生成盐：

SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O（在常温下反应进行得比较慢）

SiO2＋2OH－＝SiO32－＋H2O

实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，你知道为什么吗？

是因为该反应生成的Na2SiO3是一种矿物胶，日久能使瓶口与瓶塞发生黏合

与盐反应，在高温下，SiO2能与纯碱、大理石反应：

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑SiO2＋CaCO3

CaSiO3＋CO2↑

说明：

上述两个反应是玻璃工业生产的主要原理

⑤与碳反应

SiO2中硅元素的化合价为＋4价，这是硅元素的最高化合价，因此具有一定的氧化性，如SiO2在高温下能被C还原，制取粗硅。

SiO2＋2C

Si＋2CO↑

核心知识点一：

证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（　　）

A.二氧化碳是气体，二氧化硅是固体

B.二氧化硅的熔点比二氧化碳高

C.二氧化碳溶于水形成碳酸，二氧化硅难溶于水

D.二氧化碳通入硅酸钠溶液中析出硅酸沉淀

【答案】D

【解析】A.二氧化碳是气体，二氧化硅是固体，与其对应酸的强弱无关，所以不能证明硅酸酸性弱于碳酸，故A不选；B.二氧化硅的熔点比二氧化碳高，与其对应酸的强弱无关，所以不能证明硅酸酸性弱于碳酸，故B不选；C.二氧化碳溶于水形成碳酸，二氧化硅难溶于水，与其对应酸的强弱无关，所以不能证明硅酸酸性弱于碳酸，故C不选；D.二氧化碳通入硅酸钠溶液中析出硅酸沉淀，则碳酸和硅酸钠反应生成硅酸，强酸制取弱酸，所以能说明硅酸酸性弱于碳酸，故D选项正确。

【考点】二氧化硅的性质

利用如图所示装置进行实验，将仪器a中的溶液滴入b中，根据c中所盛溶液，预测其中现象的是（　　）

选型

a

b

c

C试管中现象

A

浓盐酸

KMnO4

FeCl2溶液

溶液变棕黄色

B

稀硫酸

Na2S2O3

溴水

产生浅黄色沉淀

C

硼酸

Na2CO3

Na2SiO3溶液

析出白色沉淀

D

浓硫酸

铁片

KI-淀粉溶液

溶液变蓝色

【答案】A

【解析】浓盐酸被高锰酸钾氧化生成氯气，氯气氧化氯化亚铁生成氯化铁，溶液变为棕黄色，A正确；稀硫酸和硫代硫酸钠反应生成S和SO2，SO2被溴水氧化生成硫酸，得不到浅黄色沉淀，B错误；硼酸的酸性弱于碳酸，不能与碳酸钠反应，C错误；常温下铁在浓硫酸中饨化，D错误。

【考点】硅酸的酸性

核心知识点二：

证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是（　　）

A.加入过量的盐酸，观察是否有气泡冒出

B.加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解

C.加热至高温，观察是否有气泡冒出，是否有硅酸钙生成

D.先加过量的盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现；若有不溶物则滤出，投入氢氧化钠溶液中看其是否溶解

【答案】D

【解析】SiO2不溶于除氢氟酸以外的酸，CaO、CaCO3均可溶于盐酸，且CaCO3溶于盐酸时会有气泡产生，SiO2能溶于NaOH溶液。

【考点】二氧化硅的化学性质

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高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅，同时得到一种可燃性气体；②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3（Si+3HCl

SiHCl3+H2）；③SiHCl3与过量的H2在1100～1200℃的温度下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃。

请回答：

（1）第一步制取粗硅反应的化学方程式为__________________________。

（2）粗硅与HCl气体反应完全后，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）实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示（加热和夹持装置略去）：

①装置B中的试剂是___________，装置C中的烧杯需要加热，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是______________________。

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的气密性，控制好反应温度以及________________________。

【答案】

（1）SiO2+2C

Si+2CO↑　

（2）分馏（或蒸馏）

（3）①浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化　②有固体物质生成　在题给反应温度下（1100～1200℃），普通的玻璃会软化　SiHCl3+H2

Si+3HCl　

③排尽装置中的空气

【解析】

（1）粗硅的制取是用碳还原二氧化硅，化学方程式为SiO2+2C

Si+2CO↑。

（2）SiHCl3与SiCl4、HCl沸点相差很大，可用分馏法提纯SiHCl3。

（3）①因SiHCl3与水剧烈反应，故A中产生的H2必须干燥，因此B中的试剂为浓硫酸，且C中烧瓶需加热，其目的是使SiHCl3汽化，加快其与H2的反应速率。

②石英管中产生的物质应为硅，故D中有固体产生，由题给信息，制纯硅的反应条件为1100～1200℃，此温度下普通的玻璃容易软化。

③因高温下H2与O2反应容易爆炸，故还应排尽装置中的空气。

【考点】硅的制备

（答题时间：

25分钟）

一、选择题

1.下列试剂中，能用带玻璃塞的试剂瓶贮存的是（　　）

A.氢氟酸　　B.氢氧化钠溶液　　C.盐酸　　D.水玻璃

2.下列物质中在一定条件下能与SiO2起反应的是（）

①浓H2SO4；②H2O；③浓硝酸；④氢氟酸；⑤KOH溶液；⑥氧化钙；⑦碳酸钠

A.①②⑥B.②④C.④⑤⑥⑦D.③④⑤⑥

3.下列反应不能一步完成的是（　　）

A.SiO2→Na2SiO3B.SiO2→H2SiO3

C.Na2SiO3→H2SiO3D.H2SiO3→SiO2

4.下列关于二氧化硅和二氧化碳的说法中错误的是（　　）

A.与二氧化碳分子相似，1个硅原子和2个氧原子构成1个二氧化硅分子

B.通常状况下，二氧化碳为气态，二氧化硅为固体

C.二氧化硅和二氧化碳都能与氧化钙反应生成盐

D.二氧化硅和二氧化碳都能与氢氧化钠溶液反应生成盐和水

5.下列叙述中，正确的是（）

A.可用带玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH溶液

B.SiO2和CO2都是酸性氧化物，既能与水反应，又能与NaOH溶液反应

C.SiO2与纯碱在高温条件下反应生成CO2，说明硅酸的酸性比碳酸强

D.石灰石是工业制备普通玻璃和水泥的共同原料

6.《天工开物》记载：

“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”，“浇水转釉（主要为青色），与造砖同法”。

下列说法错误的是（　　）

A.沙子和黏土的主要成分为硅酸盐

B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化

C.烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦

D.黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料

7.下列关于无机非金属材料的说法中正确的是（　　）

A.传统无机非金属材料是指：

光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料

B.新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差

C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点

D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐

1.【答案】C

【解析】氢氟酸应该保存在塑料瓶中；保存氢氧化钠溶液用橡胶塞或软木塞；水玻璃具有黏性，能使玻璃瓶与瓶塞牢固地黏在一起，也应该用橡胶塞或软木塞。

2.【答案】C

【解析】①SiO2是酸性氧化物，与浓H2SO4不能反应，①不符合题意；

②H2O与SiO2不能反应，②不符合题意；

③SiO2是酸性氧化物，与浓硝酸不能反应，③不符合题意；

④氢氟酸与SiO2反应生成SiF4、H2O，④符合题意；

⑤SiO2是酸性氧化物，与强碱KOH溶液反应生成K2SiO3、H2O，⑤符合题意；

⑥氧化钙是碱性氧化物，可以与SiO2在高温下反应生成硅酸钙，⑥符合题意；

⑦SiO2与碳酸钠在高温下反应生成硅酸钠和二氧化碳，⑦符合题意；

可以与二氧化硅反应的为④⑤⑥⑦，因此合理选项是C。

3.【答案】B

【解析】二氧化硅可与氢氧化钠直接反应生成硅酸钠；Na2SiO3溶液中通入CO2或加入盐酸都可以生成H2SiO3；硅酸可直接加热分解生成二氧化硅，故只有B符合题意。

4.【答案】A

【解析】A.二氧化硅为原子晶体，是由硅原子与氧原子构成，不存在分子，故A错误；B.通常状况下，二氧化碳为气态，二氧化硅为固体，故B正确；C.二氧化硅和二氧化碳均为酸性氧化物，都能够与碱性氧化物氧化钙反应生成盐，故C正确；D.二氧化硅和二氧化碳均为酸性氧化物，都能与氢氧化钠溶液反应生成盐和水，故D正确。

5.【答案】D

【解析】A.NaOH溶液能够与玻璃的成分SiO2反应产生可溶性的硅酸钠，硅酸钠有粘性，会将玻璃塞与试剂瓶黏在一起，因此不可用带玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH溶液，A错误；B.SiO2是难溶于水的酸性氧化物，B错误；C.SiO2与纯碱在高温条件下反应生成CO2，是因为硅酸酸酐的沸点比碳酸酸酐的沸点高，与酸性强弱无关，C错误；D.制取普通玻璃的原料是石灰石、纯碱、二氧化硅，制取水泥的原料是黏土、石灰石，因此石灰石是工业制备普通玻璃和水泥的共同原料，D正确。

6.【答案】A

【解析】A项，沙子的主要成分是二氧化硅，不是硅酸盐，错误；B项，硅酸盐工业煅烧过程中发生一系列复杂的物理、化学变化，正确；C项，自然冷却生成的物质中铁元素为+3价，所以为红瓦，浇水过程中，水在高温下与碳反应生成还原性气体CO，Fe3+被还原为Fe2+，所以成青瓦，正确；D项，砖瓦和陶瓷的主要原料为黏土，正确。

7.【答案】C

【解析】A项中，光导纤维是新型无机非金属材料；B项中，强度比较差是错误的；D项中新型无机非金属材料中的光导纤维、单晶硅等其成分都不是硅酸盐。