2018-2019学年高一化学人教全国通用版必修1学案：第4章 第1节 无机非金属材料的主角——硅 第2课时

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Na2SiO33三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Al2O3·2SiO2·2H2O4.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Si 4%)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：Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2。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。Si与NaOH溶液：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2。Si与氢氟酸：Si4HF=SiF42H2。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玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元素是()A氮B硫 C硅D氯解析玻璃、陶瓷、水泥属于传统的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有硅元素和氧元素，故选项C正确。答案C3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)水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。(5)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)水晶的成分是SiO2，(4)不正确；(5)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SiO22CSi2CO，Si2Cl2SiCl4，SiCl42H2Si4HCl。【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与氟气反应：Si2F2=SiF4与氢氟酸反应：Si4HF=SiF42H2与NaOH溶液反应Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2(2)加热和高温时，能与O2、Cl2、C等反应与O2反应：SiO2SiO2与Cl2反应：Si2Cl2SiCl4与C反应：SiCSiC3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：2CSiO2Si(粗硅)2CO(2)纯硅的制备：Si(粗硅)2Cl2SiCl4、SiCl42H2Si(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：高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si3HClSiHCl3H2；SiHCl3与过量H2在1 0001 100 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)：装置B中的试剂是_。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_。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_。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1 0001 100 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)SiO22CSi2CO(2)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化有固体物质生成在此反应温度下，普通玻璃会软化SiHCl3H2Si3HCl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Na2SiO3H2OCO2=Na2CO3H2SO3(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：2KAlSi3O82H2CO35H2O=2K2HCO4H2SiO3Al2Si2O5(OH)4(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式。KAlSi3O8_；Al2Si2O5(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。KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2；Al2Si2O5(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)K2O·Al2O3·6SiO2Al2O3·2SiO2·2H2O(2)较强的酸能制取较弱的酸【学以致用2】歌曲青花瓷中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案生动形象，但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·2SiO2B性质稳定，不易脱色C易溶于强酸和强碱Dx等于6解析BaCuSi2Ox中，Ba为2价，Cu为2价，Si为4价，O为2价，由化合价规则：(2)(2)2×(4)(2)×x0，得x6，则用氧化物形式表示硅酸铜钡为BaO·CuO·2