高中化學(xué)人教版必修1學(xué)案4-1第2課時(shí)硅酸鹽和硅單質(zhì)

第2課時(shí)硅酸鹽和硅單質(zhì)一、硅酸鹽1．概念：硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱(chēng)。2．硅酸鹽的性質(zhì)：硅酸鹽是一類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)物質(zhì)，大多不溶于水，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。3．硅酸鹽組成的表示：通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示其組成。例如：Na2SiO3：Na2O·SiO2；長(zhǎng)石：KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2。4．最常見(jiàn)的硅酸鹽——Na2SiO3。Na2SiO3的水溶液俗稱(chēng)水玻璃，能制備硅膠和木材防火劑。5．三種常見(jiàn)的硅酸鹽產(chǎn)品。6.其他含硅的物質(zhì)。二、硅單質(zhì)1．物理性質(zhì)晶體硅是有金屬光澤的灰黑色固體，熔點(diǎn)高、硬度大、有脆性。晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料。2．化學(xué)性質(zhì)(1)穩(wěn)定性：常溫下硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，只能與氟氣(F2)、氫氟酸(HF)和強(qiáng)堿溶液反應(yīng)?；瘜W(xué)方程式分別為：Si＋2F2=SiF4，Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)還原性：在加熱條件下，硅能與一些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(高溫))SiCl4，Si＋O2eq\o(=,\s\up17(△))SiO2，Si＋Ceq\o(=,\s\up17(高溫))SiC。3．工業(yè)制法(1)制粗硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高溫))Si(粗)＋2CO↑；(2)粗硅提純：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(△))SiCl4，SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up17(高溫))Si(純)＋4HCl。4．用途(1)用做半導(dǎo)體材料，制造集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件。(2)制合金，如含硅4%的鋼可制成變壓器的鐵芯，含硅15%的鋼可制造耐酸設(shè)備等。(3)制造光電池，將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。知識(shí)點(diǎn)一硅酸鹽的表示方法1．規(guī)律通常用氧化物的形式來(lái)表示硅酸鹽的組成。硅酸鹽中的硅元素以SiO2的形式表示，金屬元素如Na、K、Mg、Al、Ca等，以它們常見(jiàn)的氧化物形式表示，氫元素以H2O的形式表示。氧化物的一般順序：較活潑金屬的氧化物·較不活潑金屬的氧化物·二氧化硅·水。2．方法(1)找出組成元素。(2)寫(xiě)成氧化物的形式。(3)注意原子守恒。(4)檢查有無(wú)遺漏。3．注意事項(xiàng)(1)氧化物之間以“·”隔開(kāi)。(2)氧化物前面的計(jì)量數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)時(shí)應(yīng)化為整數(shù)，且計(jì)量數(shù)只表示該氧化物的數(shù)目。(3)用氧化物形式表示時(shí)，各元素的化合價(jià)保持不變，各元素原子個(gè)數(shù)比符合原來(lái)的組成。(4)在硅酸鹽氧化物的表示式中，氧化物前面的計(jì)量數(shù)只對(duì)該氧化物起作用，對(duì)其他氧化物不起作用。如：2MgO·SiO2不能認(rèn)為是2(MgO·SiO2)。(5)這種組成只是代表物質(zhì)的化學(xué)組成成分，并不是說(shuō)從結(jié)構(gòu)上看成是“分子式”或氧化物的“分子加合物”。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)如何保存Na2SiO3溶液，如果敞口放置一段時(shí)間，溶液會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？提示：由于Na2SiO3溶液能與空氣中的CO2反應(yīng)而變質(zhì)，故要密封保存，并放在帶橡皮塞的玻璃試劑瓶中。敞口放置的Na2SiO3溶液會(huì)出現(xiàn)白色膠狀沉淀，反應(yīng)的方程式為：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3。[例1]礦泉水一般是由巖石風(fēng)化后被地下水溶解其中可溶部分生成的，此處所說(shuō)的風(fēng)化作用是指礦物與水和CO2同時(shí)作用的過(guò)程。例如，鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)風(fēng)化生成高嶺土[Al2(Si2O5)(OH)4]，此反應(yīng)的離子方程式為2KAlSi3O8＋2CO2＋7H2O=2K＋＋2HCOeq\o\al(－,3)＋4H2SiO3＋Al2(Si2O5)(OH)4。(1)將上述復(fù)雜硅酸鹽改寫(xiě)成氧化物的形式：①KAlSi3O8_________________________________；②Al2(Si2O5)(OH)4_________________________________。(2)上述反應(yīng)能夠發(fā)生的原因是_________________________________。[思路分析]用氧化物形式表示硅酸鹽的方法及注意事項(xiàng)：(1)方法：找出組成元素；寫(xiě)成氧化物的形式；注意原子守恒；檢查有無(wú)遺漏。(2)氧化物的順序：活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→二氧化硅→水。(3)氧化物前化學(xué)計(jì)量數(shù)配置原則：除氧元素外，其他元素按配置前后原子個(gè)數(shù)守恒原則配置化學(xué)計(jì)量數(shù)，如果出現(xiàn)分?jǐn)?shù)，擴(kuò)大倍數(shù)化為整數(shù)。(4)氧化物之間用“·”隔開(kāi)。[解析](1)將復(fù)雜硅酸鹽化學(xué)式改寫(xiě)成氧化物形式時(shí)，只需將除O以外所有的元素寫(xiě)成其常見(jiàn)氧化物形式，并用“·”將它們合起來(lái)，但應(yīng)注意各種原子個(gè)數(shù)比符合原來(lái)的組成，在某種(或幾種)氧化物前加合適的化學(xué)計(jì)量數(shù)。(2)分析反應(yīng)前后物質(zhì)的種類(lèi)，可知屬于酸與鹽發(fā)生的反應(yīng)，是由于酸性H2CO3>H2SiO3，發(fā)生了較強(qiáng)酸制較弱酸的反應(yīng)。[答案](1)①K2O·Al2O3·6SiO2②Al2O3·2SiO2·2H2O(2)較強(qiáng)酸制較弱酸用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成，其中正確的是(D)A．鈣沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示為Al2O3·CaO·3SiO2·3H2OB．鎂橄欖石(Mg2SiO4)，表示為MgO·eq\f(1,2)SiO2C．鉀云母(K2Al6Si6H4O24)，表示為K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2D．高嶺石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示為Al2O3·2SiO2·2H2O解析：根據(jù)硅酸鹽改寫(xiě)氧化物的要求可以判斷，A中Al2O3和CaO的排列順序有誤，B中化學(xué)計(jì)量數(shù)出現(xiàn)eq\f(1,2)，C正確的寫(xiě)法應(yīng)為K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O，D的寫(xiě)法完全符合上述要求。知識(shí)點(diǎn)二硅及其化合物1．碳與硅的對(duì)比2.硅及其化合物的特性(1)硅的還原性比碳強(qiáng)，但碳在高溫下能從SiO2中還原出硅。SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高溫))Si＋2CO↑(2)非金屬單質(zhì)與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)一般不生成H2，而硅卻可以。Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑(3)一般情況下，活潑金屬與酸發(fā)生置換反應(yīng)生成H2，非金屬單質(zhì)與非氧化性酸不反應(yīng)，但硅例外。Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑(4)一般情況下，酸性氧化物不與酸反應(yīng)，而SiO2卻能。SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O(5)一般情況下，較強(qiáng)的酸與較弱的酸的鹽溶液反應(yīng)，能制得較弱的酸，如Na2SiO3＋H2O＋CO2=H2SiO3↓＋Na2CO3，但制玻璃時(shí)卻發(fā)生了下列反應(yīng)：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))Na2SiO3＋CO2↑(6)SiO2是熔點(diǎn)很高的非金屬氧化物，H2SiO3在常溫下是固態(tài)的酸。(7)Na2SiO3俗稱(chēng)泡花堿，但它是鹽，其水溶液叫水玻璃，但它和玻璃的成分并不相同。(8)硅與燒堿溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)和鋁與燒堿溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)相似，氧化劑都是水。(9)硅具有“親氟”性：Si＋2F2=SiF4Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O1.硅與NaOH溶液反應(yīng)的原理是什么？提示：在硅與NaOH溶液的反應(yīng)中，還原劑是硅，氧化劑是水，該反應(yīng)可理解為分兩步進(jìn)行。首先，硅與水反應(yīng)生成H2SiO3和H2：Si＋3H2O=H2SiO3＋2H2↑；然后，H2SiO3與NaOH反應(yīng)：H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。當(dāng)標(biāo)電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目時(shí)，應(yīng)表示為2．硅的還原性比碳強(qiáng)，這和碳能置換出SiO2中的硅是否矛盾？提示：兩者并不矛盾，碳和硅最外層電子數(shù)均為4，碳的原子半徑比硅的小，失去電子的能力比硅弱，所以硅的還原性比碳的強(qiáng)。而反應(yīng)2C＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))Si＋2CO↑是在高溫條件下進(jìn)行的，且生成物CO為氣體，從反應(yīng)體系逸出，有利于反應(yīng)向右進(jìn)行。[例2]晶體硅是一種重要的非金屬材料。制備純硅的主要步驟如下：①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅；②粗硅與干燥的HCl氣體反應(yīng)制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(=,\s\up17(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3與過(guò)量H2在1000～1100℃已知SiHCl3能與H2O劇烈反應(yīng)，在空氣中易自燃。請(qǐng)回答下列問(wèn)題。(1)第①步制備粗硅的化學(xué)方程式為_(kāi)_______。(2)用SiHCl3與過(guò)量H2反應(yīng)制備純硅的裝置如圖所示(熱源及夾持裝置均已略去)：①裝置B中的試劑是________，裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是________。②反應(yīng)一段時(shí)間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是________，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是________，裝置D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)_______。③為保證制備純硅實(shí)驗(yàn)的成功，操作的關(guān)鍵是檢查實(shí)驗(yàn)裝置氣密性，控制好反應(yīng)溫度以及________。[思路分析]理解題給信息→書(shū)寫(xiě)相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式→結(jié)合“SiHCl3能與H2O劇烈反應(yīng)，在空氣中易自燃”等信息→分析實(shí)驗(yàn)裝置各部分的作用及實(shí)驗(yàn)操作步驟。[解析](1)在高溫條件下，用C還原SiO2生成Si和CO。(2)因?yàn)橛蒢n、稀硫酸制得的H2中會(huì)混有少量H2O，而SiHCl3能與H2O劇烈反應(yīng)，所以要對(duì)H2進(jìn)行干燥，根據(jù)裝置應(yīng)選擇液態(tài)干燥劑——濃硫酸。裝置C用水浴加熱SiHCl3使其汽化，和H2進(jìn)入裝置D反應(yīng)，因?yàn)镾iHCl3與H2在1000～1100℃下反應(yīng)，溫度很高，普通玻璃會(huì)軟化，因此不能使用普通玻璃管。因?yàn)镾iHCl3在空氣中易自燃，實(shí)驗(yàn)中還要注意先通一段時(shí)間H2[答案](1)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高溫))Si＋2CO↑(2)①濃硫酸使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化②有固體物質(zhì)生成在此反應(yīng)溫度下，普通玻璃會(huì)軟化SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1000～1100℃))Si＋3HCl③排盡裝置中的空氣硅單質(zhì)及其化合物應(yīng)用范圍很廣。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)制備硅半導(dǎo)體材料必須先得到高純硅，三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法，生產(chǎn)過(guò)程示意圖如下：eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up17(①焦炭),\s\do15(高溫))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up17(②HCl),\s\do15(573K以上))eq\x(SiHCl3粗)eq\o(→,\s\up17(③精餾),\s\do15())eq\x(SiHCl3純)eq\o(→,\s\up17(④H2),\s\do15(1357K))eq\x(高純硅)①寫(xiě)出由純SiHCl3制備高純硅的化學(xué)方程式：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。②整個(gè)制備過(guò)程必須嚴(yán)格控制無(wú)水無(wú)氧。SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，寫(xiě)出配平的化學(xué)反應(yīng)方程式：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑；H2還原SiHCl3過(guò)程中若混入O2，可能引起的后果是高溫下H2與O2混合發(fā)生爆炸。(2)下列有關(guān)硅材料的說(shuō)法正確的是A、B、C(填字母)。A．碳化硅硬度大，可用于生產(chǎn)砂紙、砂輪等B．氮化硅硬度大、熔點(diǎn)高，可用于制作高溫陶瓷和軸承C．高純度的二氧化硅可用于制造高性能通訊材料——光導(dǎo)纖維D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點(diǎn)很高E．鹽酸可以與硅反應(yīng)，故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅解析：(1)①H2還原SiHCl3可制備Si，化學(xué)方程式為SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。②SiHCl3和H2O反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和H2；用H2還原SiHCl3過(guò)程中若混入O2，則高溫下H2與O2反應(yīng)發(fā)生爆炸。(2)A項(xiàng)碳化硅硬度很大，可用于生產(chǎn)砂紙、砂輪等。B項(xiàng)氮化硅熔點(diǎn)高，硬度大，可用于制作高溫陶瓷和軸承。D項(xiàng)普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，是由石英砂(SiO2)、石灰石、純堿高溫下反應(yīng)生成的，化學(xué)方程式為Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))CaSiO3＋CO2↑，但玻璃沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，E項(xiàng)Si與HCl不反應(yīng)。1．下列說(shuō)法中正確的是(D)A．石英玻璃和普通玻璃成分相同B．工藝師可用鹽酸蝕刻玻璃工藝品C．由石英砂制備單晶硅的過(guò)程不涉及氧化還原反應(yīng)D．Si可用于信息存儲(chǔ)，SiO2可用于光纖通訊解析：石英玻璃的主要成分是SiO2，普通玻璃的主要成分是硅酸鹽，A項(xiàng)錯(cuò)誤；工藝師用氫氟酸刻蝕玻璃工藝品，B項(xiàng)錯(cuò)誤；石英砂制備單晶硅的過(guò)程中，涉及的反應(yīng)有SiO2→粗硅→SiCl4→Si，以上反應(yīng)均為氧化還原反應(yīng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤。2．和田玉在我國(guó)至少有7000年的歷史，是我國(guó)玉文化的主體。和田玉是一種具有鏈狀結(jié)構(gòu)的含水鈣鎂硅酸鹽，某種和田玉的化學(xué)成分是Ca2Mg3Fe2(Si4O11)2(OH)2，下列有關(guān)敘述正確的是(D)A．其化學(xué)式改寫(xiě)為氧化物的形式為2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2OB．它能夠抵抗任何酸、堿的腐蝕C．其中鐵元素的化合價(jià)為＋3D．其中鐵元素的化合價(jià)為＋2解析：假設(shè)和田玉中鐵元素的化合價(jià)為＋x，根據(jù)化合物中各元素的化合價(jià)代數(shù)和為0，可得：(＋2)×2＋(＋2)×3＋(＋x)×2＋(＋4)×8＋(－2)×22＋(－1)×2＝0，即x＝2，所以其化學(xué)式改寫(xiě)為氧化物的形式為2CaO·3MgO·2FeO·8SiO2·H2O；硅酸鹽具有耐腐蝕性能，但并不是所有的酸、堿都不能腐蝕它，如氫氟酸可以和其中的硅元素反應(yīng)生成SiF4氣體，濃硝酸可以將其中所含的Fe2＋氧化成Fe3＋，故只有D項(xiàng)正確。3．有關(guān)SiO2或硅酸鹽的說(shuō)法中正確的是(C)A．水泥、石英玻璃、陶瓷均是硅酸鹽產(chǎn)品B．硅太陽(yáng)能電池板所用的是高純度SiO2C．鋼化玻璃與普通玻璃成分相同D．SiO2既能與HF反應(yīng)又能與NaOH反應(yīng)，故SiO2為兩性氧化物解析：石英玻璃的主要成分是SiO2，A項(xiàng)錯(cuò)誤；硅太陽(yáng)能電池板所用的材料是高純度的硅，B項(xiàng)錯(cuò)誤；鋼化玻璃是將普通玻璃加熱到軟化溫度，然后驟冷而成的，C項(xiàng)正確；SiO2與氫氟酸反應(yīng)不產(chǎn)生鹽，故不是兩性氧化物，是酸性氧化物，D項(xiàng)錯(cuò)誤。4．下列有關(guān)硅及其化合物的說(shuō)法正確的是(D)A．晶體硅具有金屬光澤，可以導(dǎo)電，屬于金屬材料B．常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所以自然界中的硅大部分以游離態(tài)存在C．SiO2是一種酸性氧化物，能夠與水反應(yīng)生成相應(yīng)的酸D．除去SiO2中混有的CaCO3可加入適量的稀鹽酸解析：解決此類(lèi)題目可利用非金屬單質(zhì)及其化合物的相似性進(jìn)行類(lèi)推，但同時(shí)要注意硅及其化合物有不同于其他非金屬及其化合物的特性。A項(xiàng)，晶體硅雖然具有金屬光澤，但它屬于非金屬單質(zhì)；其導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料；B項(xiàng)，雖然常溫下硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但自然界中沒(méi)有游離態(tài)的硅，它主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在；C項(xiàng)，SiO2不同于其他酸性氧化物，它不溶于水也不與水反應(yīng)；D項(xiàng)，SiO2不溶于稀鹽酸，可使用稀鹽酸除去其中混有的CaCO3，化學(xué)方程式為CaCO3＋2HCl=CaCl2＋CO2↑＋H2O。5．下列關(guān)于水玻璃的性質(zhì)和用途的敘述中不正確的是(D)A．水玻璃是一種礦物膠，既不燃燒也不受腐蝕B．在建筑工業(yè)上可以作黏合劑、耐酸水泥摻料C．木料、織物浸過(guò)水玻璃后具有防腐性能且不易燃燒D．水玻璃的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中不易變質(zhì)解析：由于H2SiO3的酸性比碳酸要弱，故將水玻璃露置在空氣中時(shí)，會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)而變質(zhì)：Na2SiO3＋CO2＋H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓。6．世界著名的科技史專(zhuān)家、英國(guó)劍橋大學(xué)的李約瑟博士考證說(shuō)：“中國(guó)至少在距今3000年以前，就已經(jīng)使用玻璃了。”下列有關(guān)玻璃的說(shuō)法不正確的是(A)A．制普