第一节 无机非金属材料主角.doc

第一节 无机非金属材料主角——硅　1．了解二氧化硅的结构，掌握二氧化硅的化学性质　　2．了解硅酸的制法　　3．了解硅酸盐以及硅酸盐材料　　4．了解硅单质的性质和用途　　5．认识硅及其化合物的广泛用途，体会化学的创造性和实用性　　6．以硅及其化合物的学习为线索，体会学习物质及其化学性质的一般方法，提高自主学习能力　　重点：二氧化硅的性质　　难点：硅酸盐的丰富性和多样性[知识要点梳理]知识点一：二氧化硅　　要点诠释：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约占地壳质量的12%，其存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石　　二氧化硅是一种坚硬难熔的固体，不溶于水纯净的二氧化硅晶体无色透明，称为水晶具有彩色环带状或层状的石英晶体，称为玛瑙沙子中也存在小粒的石英晶体，是基本的建筑材料纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料；石英、玛瑙可用来制作饰物和工艺品1．二氧化硅的结构　　二氧化硅晶体中，每个Si周围连着4个O，每个O连着2个Si，即每个硅原子位于正四面体的中心，四个氧位于4个顶角，而每个O被两个正四面体共用所以SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体，因此SiO2不是分子式。

　　二氧化碳晶体中则是由CO2小分子构成的，CO2是分子式所以CO2与SiO2的性质差别较大2．二氧化硅的化学性质　　二氧化硅的化学性质很不活泼，作为一种酸性氧化物，它不溶于水，也不与水 水在常温下，SiO2可与氢氟酸（HF）、强碱（如NaOH）溶液反应，化学方程式如下：SiO2+4HF==SiF4+2H2O　 SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O　　在高温下，SiO2可与CaO、C、碳酸盐发生反应，反应方程式如下：　　SiO2+2CSi+2CO↑　　　　　　 SiO2+CaOCaSiO3　　SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑　　 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑　　说明：　　（1）由于常温下SiO2与氢氟酸反应，所以可以用氢氟酸来刻蚀玻璃　　（2）由于常温下SiO2可与强碱溶液反应，生成粘结性的硅酸钠溶液，可将磨口玻璃塞与瓶口粘在一起，所以实验室盛装NaOH溶液的玻璃试剂瓶要用橡皮塞而不用玻璃塞　　（3）工业上用SiO2与C反应制取粗硅；利用SiO2与Na2CO3和CaCO3反应制取玻璃知识点二：硅酸（H2SiO3）　　要点诠释：硅酸是一种很弱的酸，其酸性比碳酸还弱。

可与强碱溶液反应生成硅酸盐和水，难溶于水，受热时可分解生成SiO2和水　　化学方程式如下：Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3　　　　　　　　　　H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O　　H2SiO3H2O+SiO2 　　硅酸可用可溶性硅酸盐与其他酸反应制得生成的H2SiO3聚集成硅酸溶胶；硅酸浓度大时，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后得到多孔的硅酸干凝胶，称为“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，也可用作催化剂的载体　　实验步骤：　　1．在试管中加入3～5 mL Na2SiO3溶液，滴入1～2滴酚酞溶液，观察现象　　2．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观察现象　　实验现象：实验步骤12实验现象溶液变红色先形成硅酸胶体，后有白色沉淀生成结　 论Na2SiO3溶液显碱性Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaOH　　实验结果分析：　　（1）步骤1中溶液呈红色，是因为Na2SiO3溶液中的SiO32－水解，使溶液呈碱性　　　　 SiO32－+2H2OH2SiO3+2OH－　　（2）步骤2中先生成硅酸胶体，后聚集成硅酸沉淀。

知识点三：硅酸盐及硅酸盐工业　　要点诠释：硅酸盐是一大类结构复杂的固态物，大多不溶于水，化学性质很稳定硅酸盐在自然界分布极广1．硅酸钠（Na2SiO3）　　硅酸钠是最简单的硅酸盐，它可溶于水，其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料　　实验步骤：取两个小木条或滤纸条，分别放入蒸馏水和Na2SiO3饱和溶液中，使之充分吸湿、浸透，取出稍沥干（不再滴液后），同时分别放置在酒精灯外焰外　　实验现象：被蒸馏水浸透的小木条或滤纸条一段时间后会着火燃烧，而被饱和Na2SiO3溶液浸透的小木条或滤纸条则不会着火燃烧　　实验结论：Na2SiO3可用作防火剂2．硅酸盐的组成的表示方法　　硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物，通常可用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成一般地先按金属活动性写出金属氧化物，再写二氧化硅，最后写水例如：　　硅酸钠：Na2O·SiO2　　　　石棉：CaO·3MgO·4SiO2　　长石：K2O·Al2O3·6SiO2　 黏土：Al2O3·2SiO2·2H2O3．硅酸盐工业　　陶瓷、玻璃、水泥等硅酸盐产品是使用量最大的无机非金属材料　　（1）陶瓷：以黏土为原料，经高温烧结而成。

常用作日用器皿、建筑饰材、卫生洁具等　　近年来，具有特殊功能的新型陶瓷得到迅速发展，其成分与传统陶瓷已发生了很大的变化例如高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等，它们的特殊功能使之成为某一领域的理想材料　　（2）普通玻璃：以纯碱、石灰石和石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃室中熔融制得，其主要成分可表示为：Na2O·CaO·6SiO2，发生反应如下：　　Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑　 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑　　改变成分或生产工艺，可以制得具有不同用途的玻璃　　（3）水泥：以黏土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中锻烧，再加入适量石膏，研成细粉就得到普通水泥其主要成分为：硅酸二钙：2CaO·SiO2　 硅酸三钙：3CaO·SiO2　 铝酸三钙：3CaO·Al2O3是各种建筑工程中广泛使用的建筑材料　　（4）其它含硅的产品　　①碳化硅（SiC）：俗称金刚砂，具有金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料　　②硅钢：含硅4%的硅钢有很高的导磁性，主要用作变压器的铁芯　　③硅橡胶：目前最好的既而高温又耐低温的橡胶，在－60～250℃仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等。

　　④分子筛：是一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐，主要用作吸附剂和催化剂知识点四：硅单质　　要点诠释：单质硅有晶体和无定形两种晶体硅的结构与金刚石相似，它是一种带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大，有脆性，是一种良好的半导体材料　　硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料利用高纯单质硅制成的光电池，可将光能直接转换为电能光电池可用作计算器、人造卫星、登月车、火星探测器、太阳能电动汽车等的动力，是极有发展前景的新型能源　　单质硅在常温下化学性质稳定，但可与氟气、强碱溶液等反应；在加热时，可与氧气、氯气等反应反应方程式如下：　　Si+2F2==SiF4　Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑　 Si+O2SiO2　 Si+2Cl2SiCl4　　利用二氧化硅与焦炭在电炉中高温可制得粗硅，粗硅经提纯可制得用于半导体材料的高纯硅反应方程式如下：　　SiO2+2C Si+2CO↑　 Si+2Cl2SiCl4　 SiCl4+2H2Si+4HCl[规律方法指导]　　本节内容可分为三部分：　　（1）二氧化硅的存在、晶体结构、性质、用途；　　（2）硅酸和硅酸盐的性质、制取和用途；　　（3）单质硅的性质和用途。

重点是二氧化硅的化学性质和硅酸及硅酸盐的化学性质和用途　　可总结如下：　　　　 [经典例题透析]类型一：二氧化硅　　题1．在一定条件下，下列物质不能与二氧化硅反应的是（　 ）　　①焦炭　 ②纯碱　 ③碳酸钙　 ④氢氟酸　 ⑤浓硝酸　 ⑥烧碱溶液　 ⑦氧化钙　 ⑧氮气　　A．③⑤⑦⑧　 B．⑤⑦⑧　 C．⑤⑧　 D．⑤　　思路点拨：二氧化硅的化学性质很稳定，常温下只与氢氟酸、强碱溶液反应，在加热条件下可体现二氧化硅酸性氧化物的通性　　解析：作为酸性氧化物，SiO2可与强碱和碱性氧化物反应，在常温下SiO2可与氢氟酸反应，在加热时SiO2可被焦炭还原，可与碳酸钙、纯碱反应　　答案：C　　总结升华：掌握SiO2与一些物质反应的条件及化学方程式，就可迅速解题　　举一反三：　　[变式1] 不能用磨口玻璃塞的试剂瓶贮存的一组物质是（　 ）　　A．溴水、氯水、碘水　　B．氢溴酸、盐酸、氢硫酸　　C．浓硝酸、浓硝酸、高氯酸　　D．NaOH溶液、KOH溶液、Na2 SiO3溶液　　[答案]　 D　　[变式2] 赏心悦目的雕花玻璃是用下列物质中的一种对玻璃进行刻蚀而成的这种物质是（　 ）　　A．盐酸　 B．氢氟酸　 C．烧碱　 D．纯碱　　[答案]　 B　　题2．在反应SiO2+2CSi+2CO↑中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为（　 ）　　A．1∶3　 B．3∶1　 C．2∶1　 D．1∶2　　思路点拨：利用氧化还原反应规律进行分析，确定出氧化剂和还原剂，就可顺利解题。

　　解析：根据化合价升降规律，SiO2→Si中硅元素化合价降低，所以SiO2是氧化剂，Si是还原产物；C→CO中碳元素化合价升高，所以C是还原剂，CO是氧化产物由化学方程式的计量数可知SiO2与C的物质的量之比为1∶2　　答案：D　　总结升华：对化学反应方程式不仅要会写，还要分析其量的关系，以加深对其的认识　　举一反三：　　[变式3] 将30 g石英和60 g石灰石在高温下反应，产生的气体在标准状况下的体积是（　 ）　　A．5.6 L　 B．11.2 L　 C．13.44 L　 D．6.72 L　　[答案]　 B　　[变式4] 把26 g含有SiO2的CaCO3固体在高温下加热至质量不变时为止，冷却后质量为17.2 g　　（1）生成的CO2在标准状况下的体积为多少？　　（2）原混合物中含SiO2的质量为多少？　　[答案]　 （1）4.48 L　 （2）6 g类型二：硅酸　　题3．能证明碳酸比硅酸的酸性强的实验事实是（　 ）　　A．CO2通入Na2SO3溶液中有胶状沉淀生成　　B．干冰（CO2）是由分子组成的，而SiO2是由原子直接组成的　　C．高温下能发生反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑　　D．CO2溶于水生成碳酸，而SiO2却不溶于水　　思路点拨：可利用强酸与弱酸盐反应，生成弱酸和强酸盐来证明。

　　解析：A中反应方程为Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3，符合强酸制弱酸的规律，可证明碳酸比硅酸酸性强；B中是CO2和SiO晶体结构的对比，D中是CO2和SiO2溶解性的对比，都不能证明碳酸酸性比硅酸强；C中说明高温下硅酸盐比碳酸盐稳定，也不能证明碳酸比硅酸酸性强　　答案：A　　总结升华：首先要弄清强酸与弱酸比较的判据和方法，才能准确迅速解题　　举一反三：　　[变式5] 下列变化中，不可能通过一步反应实现的是（　 ）　　A．Na2SiO3→H2SiO3　　B．SiO2→Na2SiO3　　C．H2SiO3→SiO2　　　 D．SiO2→H2SiO3　　[答案]　 D　　[变式6] 下列过程中。