无机非金属材料的主角硅教案.docx

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无机非金属材料的主角硅教案

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1、了解硅在自然界中的含量、存在、用途

2、了解二氧化硅的物理性质，掌握二氧化硅的化学性质

第四章第一节无机非金属材料的主角------硅

（一）

硅在地壳中含量丰富，仅次于氧，排在第二位，约占26.3%

一、二氧化硅和硅酸

1、二氧化硅（SiO2）

（1）存在

C、Si的原子结构简图，并由此分析：

硅的化学性质活不活泼，为什么？

硅的化合价主要是多少？

Si原子最外层有四个电子,既不易失电子,也不易得电子,所以,硅的化学性质不活泼。

主要形成四价的化合物。

硅是一种亲氧元素，在自然界它总是与氧相互化合。

所以在氧化气氛包围的地球上，硅主要以熔点很高的

氧化物及硅酸盐的形式存在。

［思考］常温下，单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质（金刚石）存在，而硅却没有，说明了什么？

单质硅的化学性质虽然稳定，但硅是一种亲氧元素，硅原子和氧原子的结合非常牢固，形成的二氧化硅或硅酸盐中的硅氧化学键非常牢固，硅氧键一旦形成就很难被破坏，所以，自然界中硅都是以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，没有游离态的硅。

SiO2是硅的重要化合物。

地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12％，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。

水晶是自然界中六方柱状的透明晶体，玛瑙的成分也是SiO2，它们除了一些常见的可作饰物等用途外，SiO2在工业上用途也非学广泛，例如，以石英为材料而制成的纤维在电信行业的应用等。

（2）用途

①、制光导纤维②、石英玻璃制化学仪器③、石英表、石英钟

④、水晶制光学仪器和工艺品⑤、玛瑙制精密轴承和装饰品

（3）物理性质：

熔点高，硬度大的固体、不溶于水，纯净的SiO2晶体无色透明

为什么SiO2与CO2的性质上有着这么大的差别呢？

主要取决于结构的不同。

CO2是C与O通过化学键所连接的分子结构，而SiO2是Si—O四面体结构

硅氧四面体结构

[SiO4]四面体：

每1个Si原子周围结合4个O原子，Si在中心,O在四个顶角.同时每1个O原子周围结合2个Si原子相结合。

二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：

1,通常用SiO2来表示二氧化硅的组成.

（4）结构：

空间网状结构

（5）化学性质：

稳定，不活泼

具有酸性氧化物的性质：

（不溶于水且不和水反应）

与强碱反应：

SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O

与碱性氧化物反应：

SiO2+CaO

CaSiO3

与HF的反应：

SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O

除此之外，SiO2在制水泥、玻璃、纯硅时，还有一些特殊反应

弱氧化性：

SiO2+2C

Si+2CO↑（工业上制粗硅）

与某些盐反应：

Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑

CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑（工业上制玻璃的主要反应）

1、实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？

HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。

2、实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？

NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，使瓶塞部分粘结而无法打开。

因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。

刚才我们提到SiO2不能溶于H2O得到相应的酸，但它对应的酸叫硅酸，那么硅酸是一种怎样制得的酸呢？

2、硅酸（H2SiO3）

硅酸是一种弱酸，是一种比H2CO3还要弱的酸，它不溶于水，不能使指示剂变色，是一种白色粉末状的固体。

制备硅酸原理Na2SiO3+2HCl==2NaCl+H2SiO3↓

Na2SiO3+H2SO4==Na2SO4+H2SiO3↓

Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H2SiO3↓

所生成的硅酸逐渐聚合而形成胶体－硅酸溶胶，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就形成硅酸干胶，称为“硅胶”。

硅胶多孔，吸附水分能力强，常用做实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。

如果对硅酸加热，其可以分解生成SiO2

H2SiO3

H2O+SiO2

1、制造光导纤维的主要原料是（）

A.晶体硅B.二氧化硅C.石墨D.硅酸钠

2、下列说法正确的是（　　）

A．SiO2溶于水显酸性B．CO2通入水玻璃（硅酸钠的水溶液）可得硅酸

C．SiO2是酸性氧化物，它不溶于任何酸D．SiO2晶体中不存在单个SiO2分子

3、下列物质中,不能用玻璃瓶来盛装的是（）

A.烧碱溶液B.浓硫酸C.氢氟酸D.碳酸钠溶液

4、要除去SiO2中的CaO杂质，最适宜的试剂是（）

A.纯碱溶液B盐酸C硫酸D苛性钠溶液

5、加热熔融烧碱时应使用下列哪种坩埚（）

A.石英坩埚B.普通玻璃坩埚C.铁坩埚D.陶瓷坩埚

6、CO2通入下列各溶液中,不可能产生沉淀的是（）

A石灰水B饱和碳酸钠溶液C硅酸钠溶液D氯化钙溶液

二、硅酸盐（silicate）

1、定义：

硅酸盐是由硅、氧、金属所组成的化合物的总称。

硅酸盐结构复杂，一般不溶于水，性质很稳定。

最简单的硅酸盐是硅酸钠

2、硅酸钠

（1）物理性质：

白色固体，易溶于水，水溶液俗称水玻璃或泡花碱，是一种泡花碱

（2）化学性质：

相对稳定，不能燃烧，不易被腐蚀，热稳定性强

3、表示方法：

原则：

金属氧化物（较活泼------较不活泼）

方法

找组成元素

写成氧化物的形式

原子个数比不变

检查有无遗漏

例、请用氧化物的形式表示下列硅酸盐的组成：

硅酸钠（Na2SiO3）————————————

镁橄榄石（Mg2SiO4）————————————

高岭土{Al2（Si2O5）（OH）4}————————————

传统硅酸盐材料：

（1）陶瓷：

日用器皿、建筑饰材、卫生洁具

（2）玻璃：

（3）水泥：

以黏土和石灰石为主要原料

具有特殊功能的含硅物质：

（1）碳化硅（金刚砂）

（2）硅钢：

导磁性良好，用作变压器铁芯

（3）硅橡胶（4）分子筛：

具有均匀微孔结构的铝硅酸盐（5）生物陶瓷：

人造骨

三、硅（silicon）单质

1、存在形态：

有晶体硅和无定形硅两种同素异形体

2、晶体结构：

正四面体形

3、物理性质：

灰黑色具有金属光泽的固体、熔点高、硬度大、质脆、导电性介于导体和绝缘体之间，是好的半导体材料。

因为Si在元素周期表中的位置仅次于金属与非金属分界线附近，因此硅有些性质与金属相似。

硅的化学性质不活泼，常温下硅的化学性质很稳定，除F2、HF和NaOH外，Si不跟其他物质起反应。

4、化学性质

（1）常温下的反应：

Si+2F2==SiF4Si+4HF==SiF4↑+2H2↑

Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑

（2）高温下的反应：

Si+O2

SiO2Si+2Cl2

SiCl4

5、硅的制备

（1）工业上制粗硅

SiO2+2C

Si+2CO↑

石英砂焦炭电炉中粗硅

（2）由粗硅制纯硅

Si+2Cl2

SiCl4SiCl4+2H2

Si+4HCl

第四章第一节无机非金属材料的主角——硅

一、选择题（本题包括10小题，每小题5分，共50分）

1．（2010·广州综合测试）有些科学家提出硅是“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．下列关于硅的说法不正确的是

A．高纯度的单质硅被广泛用于制作计算机芯片

B．硅可由二氧化硅还原制得

C．常温时硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应

D．自然界硅元素的贮量丰富，并存在大量的单质硅

2．下列关于碳和硅的叙述中，正确的是（　　）

A．其氧化物都能与NaOH溶液反应B．其单质在加热时都能跟O2反应

C．其氧化物都能溶于水生成相应的酸D．碳和硅两种元素共有两种单质

3．下列物质：

①氢氟酸；②浓H2SO4；③烧碱溶液；④Na2CO3固体；⑤氧化钙；⑥浓HNO3，其中在一定条件下能与SiO2反应的有（　　）

A．①②⑥B.全部C．①③④⑤D．②③⑥

4．下列离子方程式不正确的是（　　）

A．硅酸钠溶液与澄清石灰水反应：

SiO

＋Ca2＋===CaSiO3↓

B．向澄清的石灰水中通入过量的CO2：

CO2＋OH－===HCO

C．向小苏打溶液中加入过量的石灰水：

2HCO

＋Ca2＋＋2OH－===CaCO3↓＋2H2O＋CO

D．向水玻璃中加入过量盐酸：

2H＋＋SiO

===H2SiO3↓

5．下列说法正确的是（　　）

A．硅材料广泛应用于光纤通讯B．工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品

C．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品D．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应

6．下列叙述正确的是（　　）

A．高温下二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，说明硅酸（H2SiO3）的酸性比碳酸强

B．陶瓷、玻璃、水泥容器都能贮存氢氟酸

C．石灰抹墙、水泥砌墙的硬化过程原理相同

D．玻璃窑中出来的气体的主要成分是二氧化碳

7．《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”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜，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·2SiO2B．性质稳定，不易脱色

C．易溶解于强酸和强碱D．x等于6

8．将过量的CO2分别通入①CaCl2溶液；②Na2SiO3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

解析：

根据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液无明显现象（一般弱酸不能制强酸）；过量的CO2通入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而无沉淀产生；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．答案：

B

9．下列叙述正确的是（　　）

①氧化铝是一种比较好的耐火材料，可用来制造耐火坩埚

②氧化铁常用作红色油漆和涂料

③硅酸钠是制备硅胶和木材防火剂的原料

④以纯碱、石灰石、石英为原料可制普通玻璃

⑤石灰石、高岭石、石英和水晶的主要成分都是SiO2

A．①③④⑤B．②③④⑤C．①②④⑤D．①②③④

解析：

⑤中石灰石的主要成分是碳酸钙，化学式是CaCO3，高岭石的主要成分是硅酸盐，化学式是Al2（Si2O5）（OH）4或Al2O3·2SiO2·2H2O，石英、水晶的主要成分是SiO2.答案：

D

10．对于第ⅣA族元素，下列叙述中不正确的是（　　）

A．SiO2和CO2中Si和O，C和O之间都是共价键

B．C、Si、Ge的最外层电子数都是4，次外层电子数都是8

C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应

D．该族元素的主要化合价是＋4价和＋2

解析：

第ⅣA族元素最外层电子数都是4，但C原子的次外层电子数是2，Ge的次外层电子数是18.答案：

B

二、非选择题（本题包括4小题，共50分）

11．（10分）硅单质和碳单质及相应氧化物、氢化物、盐在性质上有很多相似的地方．如它们的最高价氧化物都是酸性氧化物，都能与碱反应生成盐和水，都能和碱性氧化物（如CaO）反应生成盐等；它们的氢化物都能燃烧生成对应的氧化物和水．把河沙（主要成分是SiO2）跟镁粉按一定质量比（稍大于15∶24）混合均匀，装入试管中加热大约1分钟后发生剧烈反应，生成一种白色固体化合物和一种硅化物．待生成的混合物冷却后放入盛有稀硫酸的烧杯中，立即产生气泡并伴有爆炸声，产生的气体是一种能在空气中自燃的气态氢化物．

（1）写出河沙与镁粉在加热条件下的化学方程式：

__________________________

该反应是______反应（填“放热”或“吸热”）．

（2）生成的混合物放入稀硫酸中，产生的气体是（填化学式）________________．

（3）写出产生“爆炸声”的化学方程式：

_______________________________

.

解析：

m（SiO2）∶m（Mg）＞15∶24，则n（SiO2）∶n（Mg）＞1∶4.SiO2与Mg反应生成的硅化物必定是Mg2Si，则还要生成MgO.SiO2与Mg的混合物仅被加热1分钟后就剧烈反应，这说明反应放热．MgO与Mg2Si的混合物中加入稀硫酸后生成的气态氢化物应是SiH4，SiH4在空气中自燃的产物是SiO2和H2O.

答案：

（1）SiO2＋4Mg

Mg2Si＋2MgO　放热

（2）SiH4（3）SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O

12．（15分）硅单质及其化合物应用范围很广．

（1）制备硅半导体材料必须先得到高纯硅，工业上可以按如下步骤制备纯硅．

Ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅

Ⅱ.粗硅与干燥的氯气在450℃～500℃条件下反应制得SiCl4

Ⅲ.SiCl4液体经精馏提纯后与过量H2在1100℃～1200℃条件下反应制得纯硅

已知SiCl4沸点为57.6℃，能与H2O强烈反应.1molH2与SiCl4气体完全反应吸收的热量为120.2kJ.

请回答下列问题：

①第Ⅲ步反应的热化学方程式是______________________________________

②整个制备纯硅的过程中必须严格控制无水无氧．SiCl4在潮湿的空气中因水解而产生白色烟雾，其生成物是____________；H2还原SiCl4过程中若混入O2，可能引起的后果是____________．

解析：

根据水解定义和实验现象判断，SiCl4水解生成硅酸和HCl，产生白色烟雾．图示是阳离子交换膜电解槽，Na＋移向阴极，因此进入阳极室的应精制饱和食盐水．玻璃的化学组成可根据反应原理得到，n（CO2）＝n（Na2CO3）＋n（CaCO3）＝n（SiO2反应）＝1000mol.n（SiO2过量）＝（283－50－53－60）×1000/60＝2000mol，所以x＝4.

答案：

（1）①2H2（g）＋SiCl4（g）===Si（s）＋4HCl（g）　ΔH＝＋240.4kJ/mol

（2）4

13．（15分）（2009·韶关调研）某活动课程小组拟用50mLNaOH溶液吸收CO2气体，制备Na2CO3溶液．为了防止通入过量的CO2气体生成NaHCO3，设计了如下实验步骤：

a．取25mLNaOH溶液吸收过量的CO2气体，至CO2气体不再溶解；

b．小火煮沸溶液1～2min，赶走溶解在溶液中的CO2气体；

c．在得到的溶液中加入另一半（25mL）NaOH溶液，使其充分混合反应．

（1）此方案能制得较纯净的Na2CO3，写出c步骤的离子方程式_________________．

此方案第一步的实验装置如下图所示：

（2）加入反应物前，如何检验整个装置的气密性__________________________

（3）若用大理石与盐酸制CO2，则装置B中盛放的试剂是______，作用是________________________________________________________________________．

（4）在实验室通常制法中，装置A还可作为下列______（填序号）气体的发生装置．

①CH4　②H2　③Cl2　④CH2===CH2

解析：

a步发生的化学反应：

NaOH＋CO2===NaHCO3，c步发生的化学反应：

NaHCO3＋NaOH===Na2CO3＋H2O.对于装置气密性的检验，要注意仪器的特点，可以一次检查A、B的气密性：

用止水夹夹住B、C间的乳胶管；然后从漏斗中注入一定量的水，使漏斗中的水面高于锥形瓶内的水面，过一会，观察漏斗内与锥形瓶中的液面差，若保持不变，说明装置不漏气；也可分别检查A、B的气密性：

用弹簧夹夹住A、B间的乳胶管，先检查A的气密性：

塞紧橡皮塞，从漏斗注入一定量的水，使漏斗中的水面高于锥形瓶内的水面，停止加水后，漏斗内与锥形瓶中的液面差保持不变，说明装置不漏气．然后检查B的气密性：

向烧杯中注入少量水，使导管口浸入水中，双手捂住广口瓶片刻有气泡冒出，松开手后，有少量水进入导管形成水柱，说明装置不漏气．装置A能用于液体与固体或液体与液体反应，且不需要加热制取气体．此种方法制备所得Na2CO3溶液的物质的量浓度为：

1.44g/mL×25mL×40%÷40g/mol÷0.050L＝7.2mol/L.

答案：

（1）HCO

＋OH－===CO

＋H2O

（2）方法①：

可一次检查A、B的气密性：

用止水夹夹住B、C间的乳胶管，然后从漏斗中注入一定量的水，使漏斗中的水面高于锥形瓶内的水面．过一会，观察漏斗内与锥形瓶中的液面差，若保持不变，说明装置不漏气．

方法②：

也可分别检查A、B的气密性：

用弹簧夹夹住A、B间的乳胶管，先检查A的气密性：

塞紧橡皮塞，从漏斗注入一定量的水，使漏斗中的水面高于锥形瓶内的水面，停止加水后，漏斗内与锥形瓶中的液面差保持不变，说明装置不漏气．然后检查B的气密性：

向烧杯中注入少量水，使导管口浸入水中，双手捂住广口瓶片刻有气泡冒出，松开手后，有少量水进入导管形成水柱，说明装置不漏气．

（3）饱和碳酸氢钠溶液　吸收HCl气体

（4）②　（5）7.2mol/L

14．（10分）已知SiO2、SO2、CO2都是酸性氧化物，化学性质具有一定的相似性；Mg和Na的化学性质也具有一定的相似性（提示：

2Mg＋CO2

2MgO＋C）．

用如图所示的装置进行Mg和SO2的实验：

（1）选择制取SO2的合适试剂________．

①10%的H2SO4溶液；②80%的H2SO4溶液；③Na2SO3固体；④CaSO3固体

（2）写出装置B中发生的主要反应的化学方程式：

_______________________

___________________________________________________________________.

（3）你认为该装置是否有不足之处？

________，如果有，请列出两点：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

课堂作业：

回家作业：