2020-2021学年第3节 元素周期表的应用第3课时学案

课时3　预测元素及其化合物的性质

学习任务一　根据同周期、同主族元素性质的递变规律预测硅的性质

1.元素性质的推断依据

元素的性质通常包括元素①　化合价　、原子②　半径　、元素原子的③　得失电子能力　等,可以根据元素原子④　结构　的特点和元素在周期表中的⑤　位置　认识元素的性质。 

2.预测硅的性质

(1)硅元素的原子结构及性质分析

(2)硅及其化合物的性质预测

　　3.化学性质验证

(1)硅

a.硅的位置和存在

　　b.化学性质

(2)二氧化硅

　　(3)硅酸(H2SiO3)

(4)硅酸盐与无机非金属材料

①硅酸盐:由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物的总称。

②传统的无机非金属材料之一——硅酸盐材料

判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕”)。

1.因为硅的化学性质不活泼,所以在自然界中有游离态的硅存在(✕)

2.硅单质不与任何酸发生化学反应(✕)

3.SiO2是酸性氧化物,所以SiO2能与H2O反应生成硅酸(✕)

4.因为SiO2能导电,所以SiO2能用于制造光导纤维(✕)

5.太阳能电池可以采用硅材料制作(√)

1.由H2SiO3的酸性比H2CO3弱可知,非金属性硅比碳弱,你还能用什么方式进行证明?

答案　可以用气态氢化物的稳定性进行验证,四氢化硅的稳定性不如甲烷的稳定性强。

2.已知C、Si、P三种元素的原子结构示意图:C、Si 、P,分析、比较,并回答相关问题。

(1)写出Si元素在元素周期表中的位置。

(2)Si元素的最高正化合价和最低负化合价分别为多少?

(3)分析、比较硅元素与碳、磷两种元素原子的得电子能力,并说明理由。

答案　(1)第3周期ⅣA族

(2)+4、-4

(3)与同周期磷元素的原子相比,硅元素原子的核电荷数较小,原子半径较大,原子核对最外层电子的吸引作用较弱,因此硅元素原子的得电子能力较弱;与同主族碳元素的原子相比,二者最外层电子数相同,硅原子半径较大,原子核对最外层电子的吸引作用较弱,因此硅元素原子的得电子能力较弱。

3.二氧化碳和二氧化硅是同主族元素形成的两种氧化物,试分析下列问题:

(1)将少量CO2通入Na2SiO3溶液会生成白色沉淀,写出相关的化学方程式,并比较碳酸和硅酸的酸性强弱。

(2)根据反应SiO2+Na2CO3 CO2↑+Na2SiO3,能判断硅酸的酸性比碳酸强吗?为什么?

答案　(1)化学方程式为H2O+CO2+Na2SiO3 Na2CO3+H2SiO3↓,说明硅酸的酸性比碳酸弱。

(2)不能。“强酸制弱酸”一般用于水溶液中的复分解反应。题中反应由SiO2生成CO2是在高温下进行的,不是在水溶液中进行的。

4.石英的主要成分是SiO2,试回答下列问题。

(1)用适量NaOH溶液溶解石英,则溶解过程中石英主要发生了什么反应?

(2)过滤,向滤液中加入盐酸,至沉淀不再产生,此过程中发生了什么反应?

(3)微热,浓缩硅酸溶液,加热蒸干溶液,并使固体完全分解,中间发生了什么变化?

答案　(1)石英主要成分是酸性氧化物SiO2,与碱反应生成盐和水:2NaOH+SiO2 Na2SiO3+H2O

(2)过滤,除去石英中的杂质,得到的滤液的溶质主要为Na2SiO3,硅酸是弱酸,Na2SiO3与盐酸发生复分解反应:Na2SiO3+2HCl 2NaCl+H2SiO3↓。

(3)微热,浓缩H2SiO3(aq),加热蒸干溶液,并使固体完全分解,发生反应:H2SiO3 H2O+SiO2。

5.硅是无机非金属材料的主角,硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%。

(1)SiO2是玻璃的成分之一。工艺师常用氢氟酸来刻蚀玻璃,为什么?

(2)实验室中盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞,为什么?

(3)根据题(2)思考玛瑙饰品在佩戴时的注意事项。

答案　(1)氢氟酸能够与SiO2反应。

(2)玻璃的主要成分之一是SiO2,其与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠,因此实验室中盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞。

(3)由于二氧化硅与碱发生反应,在佩戴过程中应尽量减少与碱或者碱性物质的接触。

1.硅的特性

(1)一般情况下,非金属单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅熔、沸点高,硬度大;非金属单质一般不导电,但Si为半导体材料,有一定的导电能力。

(2)非金属单质一般不跟非氧化性酸反应,但Si却能与氢氟酸反应:Si+4HF SiF4↑+2H2↑。

(3)Si的还原性大于C,但C却能在高温下还原出Si:SiO2+2C Si+2CO↑。

(4)一般非金属单质跟碱液的反应中,非金属单质既作氧化剂又作还原剂,且无H2放出,但Si与碱液(如NaOH溶液)反应只作还原剂,且放出H2:Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2↑。

2.硅的化合物的特性

(1)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它与水不反应,不能直接用它与水反应来制取H2SiO3。

(2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的却很高。

(3)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能跟氢氟酸作用:SiO2+4HF SiF4↑+2H2O。

(4)H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以有Na2SiO3+CO2(少量)+H2O H2SiO3↓+Na2CO3,但Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑也能发生,原因是CO2是低沸点、易挥发的气体,SiO2是高沸点、难挥发的固体。

(5)无机酸一般易溶于水,但H2SiO3却难溶于水,且易分解:H2SiO3 SiO2+H2O。

1.光导纤维是一种比头发丝还细的玻璃纤维丝,其主要成分为二氧化硅,下列有关二氧化硅表述正确的是(　　)

A.二氧化硅不是制造太阳能电池的材料

B.二氧化硅是酸性氧化物,不与任何酸发生反应

C.二氧化硅可以与水反应生成硅酸

D.二氧化硅既能与氢氟酸反应,又能与NaOH溶液反应,故二氧化硅是两性氧化物

答案　A　A项,太阳能电池板的主要材料是硅单质,正确;B项,二氧化硅是酸性氧化物,但可与氢氟酸反应生成SiF4气体和H2O,错误;C项,SiO2不溶于水,也不能与水发生反应,错误;D项,SiO2与NaOH溶液反应生成Na2SiO3和H2O,但与氢氟酸反应生成SiF4气体和H2O,不生成盐,故SiO2不是两性氧化物,错误。

2.下列有关说法中正确的是(　　)

A.硅是非金属单质,与任何酸都不发生反应

B.SiO2溶于水生成硅酸,其水溶液显酸性

C.硅的性质很稳定,但在自然界中不存在游离态

D.二氧化硅是酸性氧化物,可以与碱反应,但是不能与酸反应

答案　C　硅在常温下可以与氢氟酸反应,A项错误;SiO2不溶于水,也不能与水反应,B项错误;自然界中没有游离态的硅,C项正确;SiO2是酸性氧化物,但是可以与氢氟酸反应,D项错误。

3.碳和硅均为ⅣA族的元素,二者性质既有一定的相似性又有一定的递变性。下列关于SiO2和CO2的说法中,正确的是　(　　)

A.CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸

B.SiO2与CO2都不能与酸反应

C.SiO2与CO2都能够与氢氧化钠溶液反应

D.水晶的主要成分是SiC

答案　C　A项,CO2与水反应,SiO2不与水反应,也不溶于水;B项,SiO2能与氢氟酸反应,但CO2不与酸反应;C项,SiO2、CO2均能与NaOH溶液反应:SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O,CO2+2NaOH Na2CO3+H2O;D项,水晶的主要成分是SiO2,SiC俗称金刚砂。

4.能证明碳酸比硅酸酸性强的实验事实是(　　)

A.CO2是气体,SiO2是固体

B.高温下能发生反应:Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑

C.CO2溶于水,而SiO2却不溶于水

D.CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成

答案　D　酸性强弱与这种酸的酸酐所处的状态无关,所以A项不正确;B项反应在高温下发生,利用了CO2的沸点低的性质,B项不正确;C项是它们的物理性质,C项不正确;D项“强酸制弱酸”能够证明两者的酸性强弱,D项正确。

学习任务二　元素周期表的应用

1.利用元素周期表寻找新材料

(1)在金属元素和非金属元素的交界处寻找①　半导体材料　。 

(2)在过渡元素中寻找优良的②　催化剂　。 

(3)在ⅣB到ⅥB族的过渡元素中寻找③　耐高温　、④　耐腐蚀　的材料,用以制造火箭、导弹、宇宙飞船等。 

(4)寻找合适的⑤　超导　材料、⑥　磁性　材料等。 

2.科学预测

根据元素在周期表中的位置,推测元素的原子结构,预测其主要性质,为研究物质结构、发现新元素、合成新物质等提供许多有价值的指导。

判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕”)。

1.在元素周期表的过渡元素中可以寻找耐高温、耐腐蚀材料　(√)

2.人们使用最早的半导体材料为硅(✕)

3.半导体材料可以在周期表中的金属元素区域寻找(✕)

4.根据有关知识预测氢氧化镭是强碱(√)

1.根据元素在周期表中的位置,推断下列物质的性质:

(1)已知S和Se同主族,试比较H2SO4和H2SeO4的酸性强弱。

(2)根据元素周期律推断Ba(OH)2和Ca(OH)2的碱性强弱。

答案　(1)因为S、Se同主族,主族元素自上而下,元素的非金属性减弱,其最高价氧化物对应的水化物酸性减弱,故酸性:H2SO4>H2SeO4。

(2)在元素周期表中,Ba和Ca位于同一主族,且Ba位于Ca的下方,故碱性:Ca(OH)2<Ba(OH)2。

2.2016年IUPAC命名117号元素为Ts,Ts的原子最外层电子数是7,则该元素在周期表中的哪个位置?与我们较为熟悉的碘元素相比,其非金属性更强还是更弱?与HI相比,HTs的稳定性更强还是更弱?

答案　Ts是第7周期ⅦA族元素;同主族元素从上到下非金属性依次减弱,所以Ts的非金属性比I弱;同主族元素从上到下非金属性逐渐减弱,气态氢化物的稳定性减弱,所以HTs的稳定性比HI更弱。

3.镓是“类铝”元素。镓的原子序数为31,是ⅢA族元素。镓的熔点为29.78 ℃,沸点高达2 403 ℃。镓有过冷现象(即冷至熔点下不凝固),它可过冷到-120 ℃。

由此判断下列有关镓的性质及其用途叙述不正确的是什么?

①镓是制造高温温度计的上佳材料

②镓能溶于强酸和强碱的溶液中

③镓与锌、锡、铟等金属制成的合金,可用在自动救火的水龙头中

④近年来镓成为电子工业的新宠,其主要用途是制造半导体材料,被誉为“半导体家族的新成员”,这是利用了镓的导电性介于导体和绝缘体之间的性质

答案　④。镓的熔点为29.78 ℃,沸点高达2 403 ℃;镓有过冷现象(即冷至熔点下不凝固),它可过冷到-120 ℃,因此①③正确。铝能溶于强酸和强碱的溶液中,镓是“类铝”元素,所以镓能溶于强酸和强碱溶液中,②正确。镓是电的良导体而不是半导体,④不正确。

元素“位、构、性”的关系

1.元素的原子结构与元素在周期表中位置的关系

2.原子结构与主族元素性质的关系

3.主族元素性质与元素在周期表中位置的关系

1.关于元素周期表,下列叙述中不正确的是(　　)

A.在金属元素与非金属元素的分界线附近可以寻找制备半导体材料的元素

B.在过渡元素中可以寻找制备催化剂及耐高温、耐腐蚀的元素

C.在非金属元素区域可以寻找制备新型农药的元素

D.地球上元素的含量分布和它们在元素周期表中的位置有密切关系

答案　D　地球上元素的含量分布与其在周期表中的位置无关。

2.(2020山东日照高一月考)锗(Ge)是第4周期ⅣA族元素,门捷列夫把它命名为“类硅”。

下列叙述正确的是(　　)

A.锗是一种金属性很强的元素

B.锗的单质具有半导体的性质

C.氢化锗(GeH4)稳定性很强

D.锗酸(H4GeO4)是难溶于水的强酸

答案　B　锗处于金属区与非金属区的分界线附近,元素金属性和非金属性都较弱,反应中既不易得电子,也不易失去电子,常用作半导体材料;氢化锗(GeH4)稳定性很弱;锗和硅处于同一主族,主族元素的非金属性从上到下逐渐减弱,则硅的非金属性大于锗,非金属性越强,对应的最高价氧化物的水化物的酸性越强,所以锗酸酸性比硅酸弱,为弱酸,碳酸溶于水,硅酸难溶于水,推知锗酸(H4GeO4)应难溶于水。

3.科学家根据元素周期律和原子结构理论预测,原子序数为114的元素位于第7周期ⅣA族,称为类铅元素。下面关于它的原子结构和性质预测正确的是(　　)

A.类铅元素原子的最外层电子数为6

B.其常见价态为+4、-4

C.它的金属性比铅强

D.它的原子半径比铅小

答案　C　114号元素位于第7周期ⅣA族,因此其最外层电子数为4,故A项错误;铅元素没有负化合价,故B项错误;因同主族元素从上到下,金属性逐渐增强,原子半径逐渐增大,故114号类铅元素是一种典型的金属元素,且其金属性比铅强,原子半径比铅大,故C项正确,D项错误。

4.镭是元素周期表中第7周期ⅡA族元素,关于其叙述不正确的是(　　)

A.镭的金属性比钙弱

B.单质能与水反应生成H2

C.镭在化合物中呈+2价

D.碳酸镭难溶于水

答案　A　镭与钙均为ⅡA族元素,且原子序数:镭>钙,故金属性:镭>钙。