化学必修1第四章 非金属及其化合物综合与测试导学案

无机非金属材料的主角——硅

编稿：房鑫 　　　审稿：曹玉婷

【学习目标】

1、掌握硅、二氧化硅的物理、化学性质，粗硅的制法；

2、认识硅酸盐作为无机非金属材料的特性及其用途。

【要点梳理】

 要点一、二氧化硅

【高清课堂：无机非金属材料的主角——硅ID：395499#二氧化硅的性质探究】

1．二氧化碳与二氧化硅性质比较

 要点诠释：

（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞。

    （2）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。

    （3）因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。

 2．二氧化硅的用途

常被用作石英表中的压电材料，高性能的现代通讯材料——光导纤维。

3．二氧化硅的结构特点

在SiO2晶体中，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合。实际上，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。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。

要点二、硅酸（H2SiO3）

    1．硅酸的性质

    硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，能形成胶体。硅酸经干燥脱水形成硅酸干凝胶——“硅胶”。

    硅酸的酸性很弱，比碳酸的酸性还弱，在与碱反应时只能与强碱反应。如：H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O。

    硅酸的热稳定性很差，受热分解为SiO2和H2O。

    2．硅酸的制取

    由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得的。

    Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaCl，

    Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3（证明酸性：H2CO3＞H2SiO3）。

 要点三、硅酸盐

    1．硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。一般不溶于水，稳定性高。它是构成岩石和土壤的主要成分，硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常用氧化物的形式来表示其组成。例如：硅酸钠Na2SiO3（Na2O·SiO2），高岭石Al2Si2O5(OH)4（Al2O3·2SiO2·2H2O）。

    书写顺序为：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。

    注意事项：（1）氧化物之间以“· ”隔开；（2）计量数配置出现分数应化为整数。

    例如：钾长石KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

    2．常用的硅酸盐是硅酸钠，其水溶液俗称水玻璃，可用作肥皂填料、木材防火剂及黏胶剂。

    3．无机非金属材料。

    （1）传统无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥。

    （2）新型无机非金属材料：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。

  要点四、硅的单质

    1．硅的化学性质。

    在常温下，硅的化学性质不活泼。不与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等反应。但可与氟气、氢氟酸和强碱反应。

    （1）硅和氟气反应：Si+2F2==SiF4。

    （2）硅和氢氟酸反应：Si+4HF==SiF4↑+2H2↑。

    （3）硅和氢氧化钠溶液反应：Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑。

    （4）硅在氧气中加热：Si+O2SiO2。

    规律总结：硅与烧碱溶液反应的实质是：

    Si+3H2OH2SiO3+2H2↑，

    H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O。

    从分步反应看，起氧化作用的只是H2O，而NaOH既不是氧化剂又不是还原剂，仅为反应物。其电子转移情况为：

    2．硅的工业制法。

    3．晶体硅的用途。

    用来制造半导体器件，制成太阳能电池、芯片和耐酸设备等。

【典型例题】

类型一、 SiO2的性质和用途

例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
   【答案】C
   【解析】SiO2作为酸性氧化物，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。

【总结升华】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。
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、浓硫酸、高氯酸
　　D．NaOH溶液、KOH溶液、Na2SiO3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
【变式3】地壳中含量位于第一、二位的元素之间形成的化合物不具有的性质是（    ）。

    A．常温下与苛性钠反应    B．常温下与水反应

    C．常温下与氢氟酸反应    D．高温下与氧化钙反应

【答案】B

【变式4】下列关于二氧化硅的叙述不正确的是（    ）。

    A．二氧化硅晶体是由SiO2分子构成的，它的熔点高、硬度大

    B．不可用石英坩埚熔融烧碱

    C．二氧化硅可用于制造石英钟表的压电材料和光导纤维

D．二氧化硅能溶于氢氟酸中，这是由它的晶体结构决定的

   【答案】AD

【解析】在SiO2晶体中只存在Si、O两种原子，而没有SiO2分子；石英的主要成分是SiO2，它能与烧碱反应，故不能用石英坩埚熔融烧碱；SiO2可用于制造石英钟表的压电材料和光导纤维：二氧化硅之所以能溶于氢氟酸是因为二者反应生成了SiF4气体和H2O，这与它的晶体结构无关。

类型二、 硅酸的性质和制备

例2、写出以SiO2为原料制备H2SiO3的化学反应方程式________。

    【答案】①SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O；

②Na2SiO3+2HCl==2NaCl+H2SiO3↓（或Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H2SiO3↓）

【解析】SiO2难溶于水，不能与水发生反应，这样就只能先用SiO2与其他物质作用生成硅酸盐，再根据硅酸是弱酸，用硅酸盐与酸作用来制备硅酸。

【总结升华】一般来说，受热易分解的酸或碱，其对应的氧化物不能与水反应。如H2SiO3SiO2+H2O，则SiO2不能与水反应；Cu(OH)2 CuO+H2O，则CuO不能与水反应。

举一反三：

【变式1】下列离子方程式不正确的是（    ）。

    A．石英与烧碱溶液反应：SiO2+2OH－==SiO32－+H2O

    B．向氢氧化钠溶液中通入过量CO2：CO2+2OH－==CO32－+H2O

    C．向硅酸钠溶液中加入盐酸：2H++SiO32－==H2SiO3↓

    D．向碳酸钙上滴稀硝酸：CO32－+2H+==H2O+CO2↑

【答案】BD

【变式2】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3】下列过程中，生成物的化学成分相同的是（　 ）
　　（1）纯碱晶体置于空气中，会生成白色粉末状物质
　　（2）盛澄清石灰水的烧杯内壁内附着白色物质
　　（3）生石灰久置于空气中，会生成白色固体物质
　　（4）Na2SiO3的水溶液置于敞口容器中，溶液中出现白色浑浊
　　A．（1）（4）　 B．（2）（3）　 C．（1）（2）　 D．（3）（4）
　　【答案】B
【变式4】能证明碳酸比硅酸的酸性强的实验事实是（　 ）
　　A．CO2通入Na2SiO3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
　　【答案】A
　　【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。
　

类型三、 硅酸盐的性质及其表示方法

例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[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示为3SiO2·CaO·Al2O3·3H2O

    B．镁橄榄石（Mg2SiO4），表示为MgO·SiO2

    C．钾云母（K2Al6Si6H4O24），表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2

    D．高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示为Al2O3·2SiO2·2H2O

   【答案】D

     【解析】根据硅酸盐改写氧化物的要求可以判断，A中Al2O3和SiO2的排列顺序有误，正确写法为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O，B中化学计量数出现了，C正确的写法应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O，D的写法完全符合上述要求。

     【总结升华】硅酸盐表示成氧化物形式按以下顺序：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水。
举一反三：

【变式1】正长石（KAlSi3O8）风化生成高岭土[Al2S2O5(OH)4]时反应的离子方程式为：

2KAlSi3O8+2H2CO3+5H2O==2K++2H2CO3+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____________。

【答案】（1）①K2O·Al2O3·6SiO2    ②Al2O3·2SiO2·2H2O （2）强酸制弱酸

【变式2】高岭土是制造瓷器的主要原料，其组成可以表示为Al2Si2Ox(OH)y。其中x、y的数值分别是（　 ）
　　A．7、2　　　 B．5、4　　　 C．6、3　　　 D．3、6
　　 【答案】B
【变式3】用二氧化硅和金属氧化物的形式表示硅酸盐的组成，不正确的是（　 ）
　　A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10·3H2O)]　 CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
　　B．镁橄榄石[Mg2SiO4] 2MgO·SiO2
　　C．正长石[KAlSi3O8] K2O·Al2O3·3SiO2
　　D．高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]　 Al2O3·2SiO2·2H2O

　　 【答案】C
 

类型四、单质硅
　例4、下列关于硅的说法不正确的是（　 ）
　　A．硅是非金属，但它的单质是灰黑色且有金属光泽的固体
　　B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
　　C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应
　　D．当加热到一定温度时，硅能与氧气、氯气等非金属反应
    【答案】C
　  【解析】硅是一种具有金属光泽的灰黑色固体，A正确；硅是良好的半导体材料，B正确；硅在常温下可与氟气、强碱溶液反应，C错误；在加热时，硅与氧气、氯气等反应，D正确。
　　【总结升华】要注意归纳硅的特殊性质：硅的化学性质稳定，常温下可与氟气、烧碱溶液发生；在加热条件下，硅能与氧气、氯气等非金属反应。
举一反三：

【变式1】可以用来做半导体材料的是（　 ）
　　A．二氧化硅　 B．粗硅　 C．高纯硅　 D．硅酸盐
　　【答案】C
【变式2】硅在太阳能发电过程中具有重要作用，有关硅的说法中不正确的是（　 ）
　　A．硅的化学性质稳定，常温下不与酸、碱反应
　　B．自然界中硅贮量丰富，易于开采
　　C．高纯度的硅可被用于制造计算机芯片
　　D．自然界中硅主要以二氧化硅的形式存在，SiO2是光导纤维的主要成分
     【答案】A

【变式3】有A、B、C、D四种含硅元素的物质，它们能发生如下反应：

    （1）C与烧碱反应生成A和水；

    （2）A溶液与钙盐溶液反应生成白色沉淀D；

    （3）B在空气中燃烧生成C；

    （4）C在高温下与碳反应生成单质B。

    根据上述变化，写出A、B、C、D的化学式：A________，B________，C________，D________。

【答案】Na2SiO3   Si   SiO2   CaSiO3

【变式4】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。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    粗硅    SiHCl3(粗)  SiHCl3(纯)  高纯硅

    ①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式________。

    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________；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是________。

    （2）下列有关硅材料的说法正确的是________（填字母）。

    A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥

    B．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维

    C．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高

    D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅

      【答案】（1）①SiHCl3+H2Si+3HCl

    ②SiHCl3+3H2O==H2SiO3↓+3HCl↑+H2↑

    氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3    （2）B

【解析】（1）①根据给定的反应物和生成物写出化学方程式，注意反应条件和配平。

    ②写出反应物和给出的生成物H2SiO3和HCl，用原子守恒法找出另一种生成物为H2，并配平。

    （2）A项水泥的成分是硅酸盐；B项回忆课本硅的化合物用途可知，说法正确。C项玻璃是混合物没有固定熔点，熔点不高；D项盐酸和硅不反应。