2020-2021高中化学1学案：4.1 第2课时硅酸盐和硅单质含解析

2020-2021学年高中化学人教版必修1学案：4.1 第2课时硅酸盐和硅单质含解析
第2课时硅酸盐和硅单质
一、硅酸盐
1．概念：硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。

2．硅酸盐的性质:
硅酸盐是一类结构复杂的固态物质，大多不溶于水，化学性质很稳定.
3．硅酸盐组成的表示：
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成.
例如：Na2SiO3：Na2O·SiO2；
长石：KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2。

4．最常见的硅酸盐——Na2SiO3。

Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，能制备硅胶和木材防火剂。

5．三种常见的硅酸盐产品。

6.其他含硅的物质。

二、硅单质
1．物理性质
晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性。

晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

2．化学性质
(1)稳定性：常温下硅的化学性质不活泼，只能与氟气（F2)、氢氟酸（HF）和强碱溶液反应.化学方程式分别为：Si＋2F2===SiF4，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

(2）还原性:在加热条件下,硅能与一些非金属单质发生反应：Si＋2Cl2错误!SiCl4，
Si＋O2错误!SiO2，
Si＋C错误!SiC。

3．工业制法
（1)制粗硅：SiO2＋2C错误!Si(粗）＋2CO↑;
(2）粗硅提纯：Si＋2Cl2错误!SiCl4,SiCl4＋2H2错误!Si(纯)＋4HCl。

4．用途
（1)用做半导体材料，制造集成电路、晶体管、硅整流器等半
导体器件。

（2)制合金，如含硅4%的钢可制成变压器的铁芯,含硅15％的钢可制造耐酸设备等。

（3）制造光电池，将光能直接转换为电能。

知识点一硅酸盐的表示方法
1．规律
通常用氧化物的形式来表示硅酸盐的组成。

硅酸盐中的硅元素以SiO2的形式表示，金属元素如Na、K、Mg、Al、Ca等，以它们常见的氧化物形式表示,氢元素以H2O的形式表示。

氧化物的一般顺序：较活泼金属的氧化物·较不活泼金属的氧化物·二氧化硅·水。

2．方法
(1）找出组成元素。

（2）写成氧化物的形式。

(3）注意原子守恒。

（4)检查有无遗漏。

3．注意事项
（1)氧化物之间以“·”隔开。

（2)氧化物前面的计量数配置出现分数时应化为整数,且计量数只表示该氧化物的数目.
（3)用氧化物形式表示时，各元素的化合价保持不变,各元素原子个数比符合原来的组成。

（4)在硅酸盐氧化物的表示式中，氧化物前面的计量数只对该氧化物起作用，对其他氧化物不起作用。

如：2MgO·SiO2不能认为是2（MgO·SiO2)。

(5）这种组成只是代表物质的化学组成成分，并不是说从结构
上看成是“分子式”或氧化物的“分子加合物”.
实验室应如何保存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，故要密封保存，并放在带橡皮塞的玻璃试剂瓶中。

敞口放置的Na2SiO3溶液会出现白色胶状沉淀，反应的方程式为：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3.
［例1］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，此处所说的风化作用是指矿物与水和CO2同时作用的过程。

例如，钾长石（KAlSi3O8）风化生成高岭土［Al2(Si2O5）（OH）4］,此反应的离子方程式为2KAlSi3O8＋2CO2＋7H2O===2K＋＋2HCO错误!＋4H2SiO3＋Al2(Si2O5)(OH）4。

（1）将上述复杂硅酸盐改写成氧化物的形式:
①KAlSi3O8_________________________________；
②Al2（Si2O5）（OH）4_________________________________.
(2)上述反应能够发生的原因是_________________________________.
［思路分析]用氧化物形式表示硅酸盐的方法及注意事项：（1）方法:找出组成元素;写成氧化物的形式；注意原子守恒；检查有无遗漏.
（2)氧化物的顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。

（3）氧化物前化学计量数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置化学计量数，如果出现分数,扩
大倍数化为整数.
（4)氧化物之间用“·”隔开。

［解析](1）将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物形式时,只需将除O以外所有的元素写成其常见氧化物形式，并用“·”将它们合起来，但应注意各种原子个数比符合原来的组成，在某种（或几种）氧化物前加合适的化学计量数。

(2）分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的反应，是由于酸性H2CO3>H2SiO3，发生了较强酸制较弱酸的反应。

[答案](1）①K2O·Al2O3·6SiO2
②Al2O3·2SiO2·2H2O
（2）较强酸制较弱酸
用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是(D)
A．钙沸石［Ca(Al2Si3O10）·3H2O］，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O
B．镁橄榄石（Mg2SiO4），表示为MgO·错误!SiO2
C．钾云母（K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2 D．高岭石[Al2（Si2O5）（OH）4]，表示为Al2O3·2SiO2·2H2O 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中化学计量数出现错误!，C正确的写法应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O，D的写法完全符合上述要求.
知识点二硅及其化合物
1．碳与硅的对比
2.硅及其化合物的特性
（1)硅的还原性比碳强，但碳在高温下能从SiO2中还原出硅。

SiO2＋2C错误!Si＋2CO↑
（2)非金属单质与强碱溶液反应一般不生成H2，而硅却可以.
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
(3)一般情况下,活泼金属与酸发生置换反应生成H2，非金属单质与非氧化性酸不反应，但硅例外。

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
(4）一般情况下，酸性氧化物不与酸反应,而SiO2却能。

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
（5)一般情况下，较强的酸与较弱的酸的盐溶液反应,能制得较弱的酸，如Na2SiO3＋H2O＋CO2===H2SiO3↓＋Na2CO3,但制玻璃时却发生了下列反应：
Na2CO3＋SiO2=====，高温
Na2SiO3＋CO2↑
（6）SiO2是熔点很高的非金属氧化物,H2SiO3在常温下是固态的酸。

（7）Na2SiO3俗称泡花碱，但它是盐,其水溶液叫水玻璃，但它和玻璃的成分并不相同。

（8)硅与烧碱溶液反应的实质和铝与烧碱溶液反应的实质相似,氧化剂都是水.
(9）硅具有“亲氟”性:
Si＋2F2===SiF4
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
1。

硅与NaOH溶液反应的原理是什么？
提示：在硅与NaOH溶液的反应中，还原剂是硅，氧化剂是水，该反应可理解为分两步进行。

首先，硅与水反应生成H2SiO3和H2：Si＋3H2O===H2SiO3＋2H2↑；然后，H2SiO3与NaOH反应：H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O.
当标电子转移的方向和数目时，应表示为
2．硅的还原性比碳强，这和碳能置换出SiO2中的硅是否矛盾？
提示：两者并不矛盾，碳和硅最外层电子数均为4，碳的原子半径比硅的小,失去电子的能力比硅弱，所以硅的还原性比碳的强。

而反应2C＋SiO2错误!Si＋2CO↑是在高温条件下进行的，且生成物CO为气体，从反应体系逸出，有利于反应向右进行。

［例2］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;
300 ℃
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1 000～1 100 ℃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①步制备粗硅的化学方程式为________。

(2）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(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气密性，控制好反应温度以及________。

［思路分析］理解题给信息→书写相关反应的化学方程式→结合“SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃”等信息→分析实验装置各部分的作用及实验操作步骤。

［解析］(1）在高温条件下，用C还原SiO2生成Si和CO。

(2）因为由Zn、稀硫酸制得的H2中会混有少量H2O,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1 000～1 100 ℃下反应，温度很高，普通玻璃会软化，因此不能使用普通玻璃管。

因为SiHCl3在空气中易自燃，实验中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错误!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错误!Si＋3HCl③排尽装置中的空气
硅单质及其化合物应用范围很广。

请回答下列问题：
（1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅,三氯甲硅烷(SiHCl3）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：
石英砂错误!错误!错误!错误!错误!错误!错误!错误!
①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式:SiHCl3＋H2错误! Si＋3HCl。

②整个制备过程必须严格控制无水无氧。

SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质,写出配平的化学反应方程式：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是高温下H2与O2混合发生爆炸.
(2）下列有关硅材料的说法正确的是A、B、C(填字母)。

A．碳化硅硬度大,可用于生产砂纸、砂轮等
B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承
C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
解析：(1）①H2还原SiHCl3可制备Si，化学方程式为SiHCl3＋H2错误!Si＋3HCl.②SiHCl3和H2O反应生成H2SiO3、HCl和H2；用H2还原SiHCl3过程中若混入O2,则高温下H2与O2反应发生爆炸。

（2)A项碳化硅硬度很大，可用于生产砂纸、砂轮等。

B项氮化硅熔点高，硬度大，可用于制作高温陶瓷和轴承。

D项普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，是由石英砂(SiO2）、石灰石、纯碱高温下反应生成的，化学方程式为Na2CO3＋SiO2错误!
Na2SiO3＋CO2↑,CaCO3＋SiO2错误!CaSiO3＋CO2↑，但玻璃没有固定的熔点，E项Si与HCl不反应。

1．下列说法中正确的是(D)
A．石英玻璃和普通玻璃成分相同
B．工艺师可用盐酸蚀刻玻璃工艺品
C．由石英砂制备单晶硅的过程不涉及氧化还原反应
D．Si可用于信息存储，SiO2可用于光纤通讯
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盐，A项错误；工艺师用氢氟酸刻蚀玻璃工艺品，B项错误;石英砂制备单晶硅的过程中,涉及的反应有SiO2→粗硅→SiCl4→Si，以上反应均为氧化还原反应，C项错误。

2．和田玉在我国至少有7 000年的历史，是我国玉文化的主体。

和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐,某种和田玉的化学成分是Ca2Mg3Fe2(Si4O11）2（OH)2，下列有关叙述正确的是（D)
A．其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2O
B．它能够抵抗任何酸、碱的腐蚀
C．其中铁元素的化合价为＋3
D．其中铁元素的化合价为＋2
解析：假设和田玉中铁元素的化合价为＋x，根据化合物中各元素的化合价代数和为0，可得：（＋2）×2＋(＋2)×3＋(＋x)×2＋（＋4)×8＋（－2）×22＋(－1）×2＝0,即x＝2，所以其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·2FeO·8SiO2·H2O；硅酸盐具有耐腐蚀性能，但并不是所有的酸、碱都不能腐蚀它,如氢氟酸可以和其中的硅元素反应生成SiF4气体，浓硝酸可以将其中所含的Fe2
＋氧化成Fe3＋,故只有D项正确。

3．有关SiO2或硅酸盐的说法中正确的是（C）
A．水泥、石英玻璃、陶瓷均是硅酸盐产品
B．硅太阳能电池板所用的是高纯度SiO2
C．钢化玻璃与普通玻璃成分相同
D．SiO2既能与HF反应又能与NaOH反应,故SiO2为两性氧化物
解析：石英玻璃的主要成分是SiO2，A项错误;硅太阳能电池板所用的材料是高纯度的硅，B项错误；钢化玻璃是将普通玻璃加热到软化温度，然后骤冷而成的,C项正确；SiO2与氢氟酸反应不产生盐,故不是两性氧化物，是酸性氧化物，D项错误。

4．下列有关硅及其化合物的说法正确的是（D)
A．晶体硅具有金属光泽，可以导电，属于金属材料
B．常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅大部分以游离态存在
C．SiO2是一种酸性氧化物,能够与水反应生成相应的酸
D．除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸
解析：解决此类题目可利用非金属单质及其化合物的相似性进行类推,但同时要注意硅及其化合物有不同于其他非金属及其化合物的特性。

A项，晶体硅虽然具有金属光泽,但它属于非金属单质；其导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料；B 项，虽然常温下硅的化学性质稳定,但自然界中没有游离态的硅，它主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在；C项，SiO2不同于其他酸性氧化物，它不溶于水也不与水反应；D项，SiO2不溶于稀盐酸，可使用稀盐酸除去其中混有的CaCO3，化学方程式为CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O.
5．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是(D)
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C．木料、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定,在空气中不易变质
解析:由于H2SiO3的酸性比碳酸要弱,故将水玻璃露置在空气中时,会发生以下反应而变质：Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。

6．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3 000年以前，就已经使用玻璃了。

”下列有关玻璃的说法不正确的是（A)
A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土
B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点
C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口黏在一起
解析:制玻璃的原料主要有纯碱、石灰石和石英砂，A不正确；普通玻璃是混合物，没有固定的熔点，B正确；从玻璃成分上分析,C正确；从二氧化硅性质上分析，D正确。

7．下列关于硅和硅的化合物的叙述，不正确的是(D)
①二氧化硅的晶体结构与金刚石相似，都是立体网状结构
②硅是地壳中含量最多的非金属元素
③晶体硅是良好的半导体材料
④二氧化硅是制造光导纤维的重要原料
⑤SiO2分子是由两个氧原子和一个硅原子组成的
⑥SiO2是酸性氧化物，它可溶于水生成硅酸
A．①②⑥B．①⑤⑥
C．③④⑤⑥D．②⑤⑥
解析：地壳中含量最多的非金属元素为氧；SiO2只是晶体二氧化硅的表示式,表示晶体中硅原子与氧原子个数比为12；SiO2不溶于水。

8．下列各单质和化合物之间存在如图所示转化关系,而且各单质和化合物的组成元素的原子皆不超过三个电子层。

由各物质间的关系推断：
(1）单质A是Si。

（2）单质B一定是金属还是非金属非金属。

（3）各化合物的化学式：甲SiO2、乙Na2SiO3、丙H2O、丁H2SiO3.
解析:由A＋NaOH（溶液）―→H2＋化合物乙，得A可能为Si或Al，因为原子核外不超过三个电子层的元素只有Si和Al可与NaOH溶液反应。

由化合物乙＋HCl（过量）―→丁，若A为Al，则乙应为NaAlO2，丁为AlCl3，当丁与NaOH溶液反应时，产物可能是Al（OH）3或NaAlO2,与前述乙为NaAlO2的推断矛盾，故A为Si,则丁只能为H2SiO3，其他物质均可一一推出。

攀上山峰，见识险峰，你的人生中，也许你就会有苍松不惧风吹和不惧雨打的大无畏精神，也许就会有腊梅的凌寒独自开的气魄，也许就会有春天的百花争艳的画卷，也许就会有钢铁般的意志。