高中化学专题3第三单元含硅矿物与信息材料学案苏教版必修.docx
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高中化学专题3第三单元含硅矿物与信息材料学案苏教版必修
学习资料专题
第三单元 含硅矿物与信息材料
知识内容
必考要求
加试要求
1.硅在自然界的存在形式。
2．硅及其化合物（以SiO2和Na2SiO3为例）的重要性质。
3．工业制备高纯硅的方法。
4．三大硅酸盐产品：
水泥、陶瓷、玻璃。
5．硅、二氧化硅在信息技术、材料科学等领域中的应用。
6．光导纤维的组成和作用。
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目标
定位
1.知道硅在自然界的存在形式和硅酸盐产品的重要应用，会用氧化物的形式表示复杂硅酸盐的组成。
2．知道硅及其重要化合物二氧化硅的性质及其应用。
一 硅酸盐
1．硅酸盐的表示方法
（1）化学式法：
适用于组成简单的硅酸盐。
如硅酸钠：
Na2SiO3。
（2）氧化物法：
与大多数其他盐不同，硅酸盐的组成相当复杂。
如锆石（ZrSiO4），红柱石（Al2SiO5），钙铝石榴子石（Ca3Al2Si3O12），镁橄榄石（Mg2SiO4）。
它们种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用氧化物表示它们的组成。
上述四种硅酸盐用氧化物表示为ZrO·SiO2、Al2O3·SiO2、3CaO·Al2O3·3SiO2、2MgO·SiO2。
2．硅酸钠
硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。
用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现它具有阻燃的功能，因此可作防火剂。
按要求完成下列实验。
（1）在盛有饱和硅酸钠溶液的试管中，滴加2～3滴酚酞溶液，观察到的现象是溶液变为红色；再滴加稀盐酸观察到的现象是溶液由红色变为无色，有白色胶状沉淀生成，反应的化学方程式是Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。
（2）若将少量二氧化碳通入饱和硅酸钠溶液中，观察到的现象是有白色胶状沉淀生成，反应的化学方程式是Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
归纳总结
1．用氧化物的形式表示硅酸盐组成的方法
（1）将硅酸盐中所有元素都写成氧化物（二氧化硅和氧化物组合）。
氧化物的书写顺序：
活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。
（2）氧化物之间以“·”隔开。
（3）在氧化物前面按化学式中的比例添加数字。
（4）书写原则：
硅酸盐中各元素化合价及原子个数比保持不变。
2．硅酸钠及硅酸
（1）硅酸钠，化学性质相对稳定，不易腐蚀，不能燃烧，热稳定性强，其水溶液呈碱性，能与酸反应，其离子方程式为SiO
＋2H＋===H2SiO3↓。
（2）硅酸是难溶于水的弱酸，其酸性比碳酸弱。
硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色。
①硅酸不稳定，受热易分解：
H2SiO3
H2O＋SiO2。
②硅酸能与强碱溶液反应：
2NaOH＋H2SiO3===Na2SiO3＋2H2O。
[提醒] 硅酸盐氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示结构，不能认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。
1．古瓷中所用颜料的成分一直是个谜，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·2SiO2
B．性质稳定，不易脱色
C．易溶解于强酸和强碱
D．x等于6
答案 C
解析 根据化合物中元素化合价代数和等于零的原则，2＋2＋2×4＝2x，所以x＝6；BaCuSi2O6可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2；硅酸铜钡属于硅酸盐，不溶于强酸，由于古瓷中所用颜料能长时间保留原来的颜色，所以硅酸铜钡的性质稳定，不易脱色。
2．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是（ ）
A．这是一种矿物胶，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．木材、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
答案 D
解析 水玻璃的化学性质稳定，但在空气中易与二氧化碳反应生成硅酸。
二 硅酸盐产品
硅酸盐产品有着广泛的应用，大家熟悉的玻璃、水泥和陶瓷是常见的硅酸盐产品，也是使用量最大的无机非金属材料。
阅读教材填写下表：
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
3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3
玻璃
纯碱、石灰石、石英
玻璃熔炉
Na2O·CaO·6SiO2
陶瓷
黏土
硅酸盐
归纳总结
工业上制普通玻璃的主要反应
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
CaCO2＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑
3．下列关于玻璃的叙述正确的是（ ）
A．制普通玻璃的原料主要是纯碱和石英
B．普通玻璃的主要成分不是二氧化硅
C．玻璃是几种成分熔化在一起的晶体，有固定的熔点
D．过量的泥沙、纯碱和石灰石熔融后生成玻璃
答案 D
解析 普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，是一种混合物，没有固定的熔点。
三 二氧化硅与信息材料
1．二氧化硅
（1）存在：
沙子、石英、水晶、硅藻土等都是天然存在的二氧化硅。
（2）物理性质：
熔、沸点高，硬度大，不溶于水。
（3）化学性质：
①酸性氧化物的通性：
与NaOH溶液反应：
2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O；
与碱性氧化物（CaO）反应：
CaO＋SiO2
CaSiO3。
②特性：
与氢氟酸反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
（4）用途：
制作光学镜片、石英坩埚，还可用于制作光导纤维。
2．硅
（1）物理性质：
晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体，根据其结构分析可知，晶体硅熔点高、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：
硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。
常温下，除与F2、HF和强碱溶液反应外，硅不与其他物质（如强酸和强氧化剂）反应。
加热时，硅能与O2、Cl2、C发生化合反应。
（3）硅的工业制法
①粗制：
制备原理：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑（隔绝空气条件下进行，C过量）。
氧化剂：
SiO2，还原剂：
C。
②精制：
将粗硅（含杂质较多）与Cl2在高温下反应生成SiCl4。
SiCl4经提纯后再用H2还原，即得高纯硅，有关反应的化学方程式为Si＋2Cl2
SiCl4，SiCl4＋2H2
Si＋4HCl。
归纳总结
二氧化硅的性质
（1）碳与硅、二氧化硅与二氧化碳性质差别较大的原因是由于其结构不同。
（2）SiO2是酸性氧化物，但它不溶于水，不与水反应，也不与酸（氢氟酸除外）反应：
SiO2→H2SiO3需间接实现，如SiO2
SiO
H2SiO3。
（3）SiO2晶体中不存在SiO2分子，SiO2表示二氧化硅中Si原子和O原子个数比为1∶2的化学式。
（4）可以用玻璃瓶盛放碱液但不能用玻璃塞。
玻璃中含有SiO2，SiO2与NaOH溶液反应生成了Na2SiO3，使瓶口与瓶塞黏在一起而难以开启。
（5）Si、SiO2的转化关系
4．下列关于SiO2的说法中不正确的是（ ）
A．不能与水反应B．属于酸性氧化物
C．不与任何酸反应D．在高温下可与碳反应
答案 C
1．科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点，假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是（ ）
A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是比较安全的燃料
B．自然界中存在大量单质硅
C．硅燃烧放出热量大，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制
D．自然界中硅的贮量丰富
答案 B
解析 硅常温下为固体，性质较稳定，便于贮存，较为安全，A正确；硅在自然界中含量丰富，主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在，仅次于氧，B错误；硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用说明燃烧放出的热量大，硅燃烧生成二氧化硅，二氧化硅是固体，容易有效控制，C正确；硅在自然界中含量丰富，仅次于氧，D正确。
2．下列说法正确的是（ ）
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．二氧化硅分子由1个硅原子和2个氧原子构成
C．硅酸的酸性比碳酸的酸性强，且硅酸不溶于水
D．CO2与SiO2均具有氧化性，可作氧化剂
答案 D
解析 SiO2可以跟氢氟酸反应，反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以A不正确；二氧化硅中不存在SiO2分子，所以B项不正确；硅酸的酸性比碳酸弱，且不溶于水，所以C不正确。
3．能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（ ）
A．CO2是气体，SiO2是固体
B．二氧化硅的熔点比二氧化碳高
C．反应SiO2＋CaCO3
CaSiO3＋CO2↑能发生
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
答案 D
解析 酸性强弱与这种酸的氧化物的状态和物理性质无关，A、B均不正确；C项反应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，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强；D项属于较强的酸制取较弱的酸，能够证明硅酸的酸性弱于碳酸的酸性。
4．由二氧化硅制高纯硅的流程如下，下列判断错误的是（ ）
A．①②③均属于氧化还原反应
B．H2和HCl均可循环利用
C．SiO2是一种坚硬难熔的固体
D．SiHCl3摩尔质量为135.5g
答案 D
解析 SiO2→Si，Si→SiHCl3，SiHCl3→Si，都存在化合价变化，都是氧化还原反应，A正确；依据工艺流程可知，氢气、氯化氢既参与反应，最终又生成，所以均可循环利用，B正确；二氧化硅为原子晶体，硬度较大，C正确；SiHCl3摩尔质量为135.5g·mol－1，D错误。
5．硅单质及其化合物应用范围很广。
请回答下列问题：
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，生产过程示意图如图所示：
（1）写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：
___________________________
________________________________________________________________________。
（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，写出配平的化学方程式：
________________________________________________；
H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是_____________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）SiHCl3＋H2
Si＋3HCl
（2）SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl 高温下，H2遇O2发生爆炸
解析
（1）根据质量守恒定律可知，SiHCl3与H2在高温下反应，生成Si和HCl，化学方程式为SiHCl3＋H2
Si＋3HCl。
（2）根据质量守恒定律，SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和H2，反应的化学方程式为SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl。
H2还原SiHCl3过程中若混入O2，高温下，H2遇O2发生爆炸。
6．硅胶和石英的主要成分都是SiO2，前者是结构疏松的SiO2，后者是结构致密的SiO2。
二者成分相同，结构不同，化学性质相同，物理性质上表现出差别，具有不同的用途。
由石英制取硅胶，经历以下三步，试写出每步反应的化学方程式（是离子反应的，写出离子方程式）。
（1）用NaOH（aq）溶解石英：
_________________________________________________。
（2）过滤，向滤液中加入盐酸，至沉淀不再产生：
______________________________
________________________________________________________________________。
（3）微热，浓缩硅酸溶液，加热蒸干溶液，并使固体完全分解：
__________________。
写出硅胶的一种用途：
________________。
答案
（1）2OH－＋SiO2===SiO
＋H2O
（2）SiO
＋2H＋===H2SiO3↓
（3）H2SiO3
H2O↑＋SiO2 干燥剂（或“催化剂载体”）
解析
（1）石英的主要成分是酸性氧化物SiO2，与碱反应生成盐和水：
2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O。
（2）过滤，除去石英中的杂质，得滤液为Na2SiO3（aq），硅酸是弱酸，Na2SiO3与盐酸发生复分解反应：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
（3）微热，H2SiO3（aq）浓缩，H2SiO3聚合为胶体，加热硅酸溶胶脱水，生成多孔硅胶：
H2SiO3
H2O↑＋SiO2。
硅胶的制备过程：
石英（SiO2）
Na2SiO3
H2SiO3
硅胶。
硅胶的主要用途有两种：
作干燥剂、作催化剂的载体。
课时作业
[经典基础题]
1．下列叙述中正确的是（ ）
A．自然界中存在大量的单质硅
B．石英、水晶、硅石的主要成分都是二氧化硅
C．二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸或碱溶液发生化学反应
D．自然界中二氧化硅都存在于石英中
答案 B
解析 自然界中硅元素含量很高，但都以化合态形式存在，A项错误；硅元素是亲氧元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，D项错误；二氧化硅的性质稳定，C项错误。
2．下列说法中正确的是（ ）
A．浓硫酸可刻蚀石英艺术品
B．硅胶可做袋装食品的干燥剂
C．SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应
D．如右图，若①、②、③中分别盛有浓硝酸、Na2CO3、Na2SiO3溶液，则可得出结论：
酸性：
硝酸＞碳酸＞硅酸
答案 B
解析 二氧化硅只与氢氟酸反应而不与浓H2SO4、浓盐酸反应，A、C两项错；硅胶多孔、吸附水分能力强，用作袋装食品的干燥剂；由于浓HNO3易挥发，所以③中的白色沉淀可能是挥发出的HNO3与Na2SiO3溶液反应所致，不能得出相关的酸性强弱的结论。
3．下列关于SiO2的说法正确的是（ ）
A．SiO2是制造光导纤维的重要材料
B．SiO2溶于水生成硅酸
C．SiO2对应水化物的酸性比碳酸强
D．SiO2是酸性氧化物，不跟任何酸反应
答案 A
解析 SiO2不溶于水；硅酸酸性比碳酸弱；SiO2是酸性氧化物，但可与氢氟酸反应。
4．下列关于硅的说法不正确的是（ ）
A．光导纤维的主要成分是二氧化硅
B．二氧化硅是硅酸的酸酐，但不可以用它和水直接反应来制取硅酸
C．硅的化学性质不活泼，但在常温下也可和某些物质反应
D．盛放硅酸钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞的主要原因是硅酸钠溶液水解呈碱性
答案 D
解析 光导纤维的主要成分是二氧化硅，A正确；二氧化硅是硅酸的酸酐，但不可以用它和水直接反应来制取硅酸，B正确；硅的化学性质不活泼，但在常温下也可和某些物质反应，例如氢氧化钠溶液等，C正确；盛放硅酸钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞的主要原因是硅酸钠溶液黏性强，容易使瓶塞和瓶口粘合在一起而不易打开，D错误。
5．下列关于硅酸盐产品的说法正确的是（ ）
A．玻璃、水泥属于硅酸盐产品，陶瓷不属于硅酸盐产品
B．普通玻璃的组成可表示为Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2
C．生产水泥的主要原料是纯碱、石灰石和石英
D．生产玻璃的主要原料是黏土、石灰石
答案 B
解析 陶瓷、玻璃、水泥都是硅酸盐产品，陶瓷还是古代的硅酸盐产品；普通玻璃的组成不仅可用Na2O·CaO·6SiO2表示，还可表示为Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2。
生产水泥的主要原料是黏土、石灰石，生产玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英，两者都用到石灰石。
6．下列叙述中不正确的是（ ）
A．石英坩埚、水泥、陶瓷都是硅酸盐产品
B．水晶、玛瑙的主要成分都是SiO2
C．二氧化硅能与氢氟酸反应，可利用此原理刻蚀玻璃
D．二氧化硅和大多数硅酸盐的化学性质都很稳定
答案 A
解析 石英是二氧化硅，不是硅酸盐，A错误；水晶、玛瑙的主要成分都是SiO2，B正确；二氧化硅能与氢氟酸反应，可利用此原理刻蚀玻璃，C正确；二氧化硅和大多数硅酸盐的化学性质都很稳定，D正确。
7．下列说法正确的是（ ）
A．单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料
B．SiO2与酸、碱均不反应
C．SiO2有导电性，因此SiO2可用于制备光导纤维
D．二氧化硅与水作用形成的溶液能与NH4Cl反应生成NH3
答案 A
解析 单质硅可用于太阳能电池，A项正确；SiO2，可与NaOH溶液反应，B项错误；SiO2可用于制备光导纤维而SiO2是非金属氧化物，不能导电，C项错误；二氧化硅不能与水反应，D项错误。
8．下列变化不能一步实现的是（ ）
A．Na2SiO3―→H2SiO3B．H2SiO3―→SiO2
C．SiO2―→H2SiO3D．SiO2―→Na2SiO3
答案 C
解析 Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl；H2SiO3
SiO2＋H2O；SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
9．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．②④
C．①②③D．②③
答案 B
解析 CO2溶于水：
CO2＋H2OH2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。
根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。
10．将足量CO2气体通入水玻璃（Na2SiO3溶液）中，然后加热蒸干，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是（ ）
A．Na2SiO3B．Na2CO3、Na2SiO3
C．Na2CO3、SiO2D．SiO2
答案 A
解析 将足量的CO2气体通入水玻璃中，发生反应：
2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3。
加热蒸干，高温灼烧时发生反应：
H2SiO3
H2O＋SiO2；2NaHCO3
Na2CO3＋CO2↑＋H2O；SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑。
由上述关系可知，最后所得固体物质是Na2SiO3。
[能力提升题]
11．硅在地壳中的含量较高。
硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中应用广泛。
回答下列问题：
（1）1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时，得到一种“金属”。
这种“金属”可能是_______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。
其中，生产普通玻璃的主要原料有________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。
工业上提纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：
发生的主要反应
电弧炉
SiO2＋2C
Si＋2CO↑
流化床反应器
Si＋3HCl
SiHCl3＋H2
还原炉
SiHCl3＋H2
Si＋3HCl
①用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该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，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和________。
物质
Si
SiCl4
SiHCl3
SiH2Cl2
SiH3Cl
HCl
SiH4
沸点/℃
2355
57.6
31.8
8.2
－30.4
－84.9
－111.9
答案
（1）含有硅、碳的铁合金（或硅铁）
（2）石英砂、纯碱和石灰石
（3）①SiO2＋3C
SiC＋2CO↑
②蒸馏（或精馏）
解析
（1）石英砂的主要成分为SiO2，其可与木炭在高温条件下发生反应：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑，生成的Si与未反应的C会混入铁中形成合金。
（2）普通玻璃的一般组成为Na2O·CaO·6SiO2，是将石灰石、纯碱、石英砂在玻璃熔炉中高温熔融制得的。
（3）①SiO2与C在高温条件下生成SiC的同时，另一产物应为CO，而非CO2，因为在高温条件下CO2会与C反应生成CO；②根据题给信息和表格中物质的沸点数据，流化床反应的温度为250～300℃，产物经沉降、冷凝后得到混合物，因它们的沸点差距较大，可通过蒸馏的方法进行提纯。
12．为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的实验装置，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）锥形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）由此得到的结论是酸性________>________＞________。
答案
（1）盐酸
（2）饱和NaH
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