学案412 硅酸盐和硅单质.docx
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学案412硅酸盐和硅单质
第2课时 硅酸盐和硅单质
学习目标
核心素养建构
1.了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。
2.认识硅的性质、用途和制法。
3.了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。
[知识梳理]
一、硅酸盐
1．硅酸盐的组成和性质
2．最简单的硅酸盐——Na2SiO3
3．三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
4.特殊功能的含硅物质
（1）金刚砂（SiC）具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮磨料。
（2）硅钢（含Si4%）具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯。
（3）硅橡胶，既耐高温又耐低温，用于制造火箭、导弹的零件。
（4）人造分子筛（具有均匀微孔结构的铝硅酸盐）主要作吸附剂和催化剂。
【自主思考】
1．制造玻璃时发生以下反应：
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑。
该反应能否说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？
为什么？
提示 SiO2与Na2CO3反应，是在高温下，且生成的产物是CO2气体，可以脱离反应体系，并不能说明H2SiO3酸性强于H2CO3。
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：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
②Si与氢氟酸：
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。
【自主思考】
2．单质硅在常温下化学性质不活泼，所以硅在自然界中以游离态存在，这种说法是否正确？
提示 错误。
硅是一种亲氧元素，在自然界中总是与氧相互化合，以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。
所以自然界中无游离态的硅存在。
[效果自测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
（1）硅酸钠可以改写为Na2O·SiO2，故硅酸钠是混合物，含有Na2O和SiO2。
（ ）
（2）硅酸钠俗称水玻璃，是一种防火剂。
（ ）
（3）硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质。
（ ）
（4）普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。
（ ）
（5）光电池可以将光能直接转化为电能。
（ ）
答案
（1）×
（2）× （3）√ （4）√ （5）√
2．下列有关硅及其化合物的说法正确的是（ ）
A．Si用途广泛，是太阳能电池和光导纤维的主要成分
B．SiO2是硅酸的酸酐，只能与NaOH溶液反应，不能与任何酸反应
C．硅酸酸性比碳酸弱，所以SiO2不能跟Na2CO3反应
D．绝大多数硅酸盐难溶于水，组成复杂，通常用氧化物的形式表示其组成
解析 A项，光导纤维的主要成分是SiO2不是Si；B项，SiO2与氢氟酸反应；C项，SiO2在高温下与Na2CO3可以反应。
答案 D
3．材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是（ ）
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
普通水泥、普通玻璃
硅酸盐
D
光导纤维、石英
二氧化硅
答案 A
4．下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是________（填序号）。
（1）硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。
（2）硅的导电性介于导体与绝缘体之间。
（3）硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应。
（4）硅酸钠可以写成Na2O·SiO2，故硅酸钠是混合物。
（5）水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。
（6）高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。
解析
（1）硅在自然界中只有化合态，没有游离态，硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，硅石的主要成分是SiO2，
（1）不正确；
（2）正确；（3）硅在常温下能与F2、HF和强碱溶液反应，（3）不正确；（4）Na2SiO3属于纯净物，（4）不正确；（5）水晶的成分是SiO2，（5）不正确；（6）SiO2用于制光导纤维而不是硅。
答案
（2）
探究一、硅及其化合物的特性和制备
【探究讨论】
1．能与NaOH溶液反应产生H2的单质一定是金属Al吗？
提示 Si和Al都能与NaOH溶液反应生成H2。
2．如何利用二氧化硅制取纯硅？
提示 SiO2＋2C
Si＋2CO↑，Si＋2Cl2
SiCl4，SiCl4＋2H2
Si＋4HCl。
【点拨提升】
1．硅及其化合物特性
（1）Si、SiO2都能与氢氟酸反应。
（2）常见单质中能与NaOH溶液反应产生H2的有金属Al，非金属Si。
（3）粗硅制备时，要隔绝空气，在电炉中进行，且生成的是CO而不是CO2。
（4）硅酸是不溶于水的弱酸。
2．硅单质的化学性质
（1）在常温下，能与F2、氢氟酸和强碱溶液反应
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）加热和高温时，能与O2、Cl2、C等反应
①与O2反应：
Si＋O2
SiO2
②与Cl2反应：
Si＋2Cl2
SiCl4
③与C反应：
Si＋C
SiC
3．硅的制备
硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个阶段：
（1）粗硅的制备：
2C＋SiO2
Si（粗硅）＋2CO↑
（2）纯硅的制备：
Si（粗硅）＋2Cl2
SiCl4、SiCl4＋2H2
Si（纯硅）＋4HCl。
【典题例证1】 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高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：
Si＋3HCl
SiHCl3＋H2；
③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃反应制得纯硅。
已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题：
（1）第①步制备粗硅的化学反应方程式为___________________________________________
______________________________________________________________________________。
（2）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下图所示（热源及夹持装置均已略去）：
①装置B中的试剂是________。
装置C中的烧瓶需要加热，其目的是______________________________________________________________________。
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为________________________________________________。
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______________________________________________________________________________。
解析
（1）在高温条件下，用C还原SiO2生成Si和CO。
（2）用Zn、稀硫酸制得的H2中会混有少量水蒸气，而SiHCl3能与H2O剧烈反应，所以要对H2进行干燥，根据装置应选择液态干燥剂——浓硫酸。
装置C用水浴加热SiHCl3使其汽化，和H2进入装置D反应。
因为SiHCl3与H2在1000～1100℃下反应，温度很高，在此温度下普通玻璃会软化，因此不能使用普通玻璃管。
SiHCl3在空气中易自燃，实验时还要注意先通一段时间H2以排尽装置中的空气。
答案
（1）SiO2＋2C
Si＋2CO↑
（2）①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体物质生成 在此反应温度下，普通玻璃会软化
SiHCl3＋H2
Si＋3HCl
③排尽装置中的空气
【学以致用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似，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．加热到一定温度时，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），但实际上属于非金属；硅原子与碳原子最外层电子数相同，晶体结构相似，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，加热至一定温度时，硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。
答案 C
探究二、硅酸盐的组成和性质
【探究讨论】
1．思考：
硅酸盐可写成二氧化硅和金属氧化物的形式，是否可理解成硅酸盐是二氧化硅和金属氧化物的混合物？
提示 不可以。
硅酸盐结构复杂，只是用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示，并不是它们的混合物。
2．请结合硅酸盐的性质，分析在实验室里如何保存Na2SiO3溶液？
如果敞口放置一段时间，溶液会出现什么现象？
提示 由于Na2SiO3溶液能与空气中的CO2反应而变质，故Na2SiO3要密封保存，并放在带橡胶塞的玻璃瓶中。
化学方程式为Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SO3（胶体），所以，敞口放置的Na2SiO3溶液会出现白色胶状沉淀。
【点拨提升】
硅酸盐的氧化物形式的改写
硅酸盐由于组成比较复杂，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：
例如：
钠长石NaAlSi3O8不能写成
Na2O·
Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。
【典题例证2】 矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的，此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2同时作用的过程。
例如长石（KAlSi3O8）风化生成高岭土[Al2Si2O5（OH）4]，此反应的离子方程式为：
2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋2HCO
＋4H2SiO3＋Al2Si2O5（OH）4
（1）将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式。
①KAlSi3O8____________________________________________________________________；
②Al2Si2O5（OH）4________________________________________________________________；
（2）上述反应能够发生的原因是___________________________________________________。
解析
（1）将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物时，只需将除O以外所有的元素写出其常见氧化物，并用“·”将它们合并起来，但需注意各种原子个数比符合原来的组成比。
在某种（或几种）氧化物前加合适的系数。
①KAlSi3O8：
K2O·Al2O3·6SiO2；②Al2Si2O5（OH）4：
Al2O3·2SiO2·2H2O。
（2）分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的复分解反应，是由于酸性：
H2CO3>H2SiO3，发生了较强的酸制取较弱的酸的反应。
答案
（1）①K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O
（2）较强的酸能制取较弱的酸
【学以致用2】 下列有关叙述中正确的是（ ）
A．大部分硅酸盐都难溶于水，Na2SiO3是常见的可溶性硅酸盐，其水溶液俗称水玻璃，可用作建筑黏合剂
B．H2SiO3既可由SiO2溶于水制得，也可由Na2SiO3和其他酸（如盐酸）反应制得
C．制普通玻璃、普通水泥时都用到了石灰石和黏土
D．石棉[Mg3Ca（SiO3）4]可表示为氧化物组合的形式：
3MgO·CaO·4SiO2
解析 B项SiO2与水不反应也不溶于水，故错误；C项制玻璃的原料为纯碱、石灰石和石英砂，没有黏土，故错误；D项由于Ca比Mg活泼，故应写为CaO·3MgO·4SiO2，故错误。
答案 A
1．有关硅元素的下列叙述中正确的是（ ）
A．硅与任何酸都不反应
B．硅元素是构成矿物岩石的主要成分之一，其化合态几乎全部是氧化物和硅酸盐
C．硅的性质很稳定，能以游离态形式存在于自然界中
D．常温时硅不与任何物质反应
解析 硅是亲氧元素，在自然界中全以化合态形式存在，主要是氧化物和硅酸盐的形式，B对，C错误；常温时，硅能与氟气、氢氟酸、氢氧化钠溶液等发生反应，A、D都错误。
答案 B
2．单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，其功能远比我们想象的要大得多，这对硅的纯度要求很高。
用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为：
（ ）
①SiO2＋2C
Si＋2CO↑
②Si＋2Cl2
SiCl4
③SiCl4＋2H2
Si＋4HCl。
下列对上述三个反应的叙述中，错误的是（ ）
A．①③为置换反应
B．②为化合反应
C．①②③均为氧化还原反应
D．三个反应的反应物中硅元素均被还原
解析 反应①③中硅元素被还原，反应②中硅元素被氧化，D错误。
答案 D
3．用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是（ ）
A．钙沸石[CaAl2Si3O10·3H2O]表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O
B．镁橄榄石（Mg2SiO4）表示为MgO·
SiO2
C．钾云母（K2Al6Si6H4O24）表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2
D．滑石（Mg3H2Si4O12）表示为3MgO·4SiO2·H2O
解析 根据硅酸盐改写氧化物的要求可以判断，A中Al2O3和CaO的排列顺序有误；B中化学计量数出现了
；C中正确的写法应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O；D的写法完全符合要求。
答案 D
4．硅被誉为无机非金属材料的主角。
下列有关说法正确的是（ ）
A．硅在地壳中含量居第二位，在地球上有丰富的硅资源，如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅
B．在野外，用硅、烧碱的混合物可以制取氢气
C．硅的性质稳定，不与任何酸反应
D．硅是一种良好的半导体材料，所以是制造光导纤维的基本原料
解析 A项，石英、水晶、玛瑙的主要成分为SiO2，错误；C项，硅可与氢氟酸反应，错误；D项，制造光导纤维的基本原料为SiO2，错误。
答案 B
5．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）SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为_____________________________________________________________________，
工艺师常用________（填物质名称）来雕刻玻璃。
（2）用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现Na2SiO3的用途可作________的原料。
（3）工业上常用2C＋SiO2
Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中有元素化合价升高的物质是________（填化学式，下同），氧化剂是________。
解析
（1）SiO2能与NaOH溶液发生反应SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；氢氟酸能与SiO2发生反应SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，故常用来雕刻玻璃。
（2）Na2SiO3的水溶液可用作防火材料。
（3）反应2C＋SiO2
Si＋2CO↑中，碳元素化合价升高，硅元素化合价降低，故单质碳作还原剂，SiO2作氧化剂。
答案
（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O 氢氟酸
（2）防火剂 （3）C SiO2
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