1、第四章非金属及其化合物第一节 无机非金属材料的主角硅课堂互动探究课前自主学习课时作业随堂基础巩固第2课时 硅酸盐和硅单质课前自主学习01 自主学习打基础一、硅酸盐1概念：硅酸盐是由_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_于水，化学性质很_。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：_；长石：KAlSi3O8：_。4最常见的硅酸盐Na2SiO3Na2SiO3的水溶液俗称_，能制备_和_。5三种常见的硅酸盐产品硅酸盐产品原料主要设备主要成分水泥_硅酸二钙 2CaOSiO2硅酸三钙 3CaOSiO2铝酸三钙 3CaOAl
2、2O3玻璃_Na2OCaO6SiO2陶瓷_6.其他含硅的物质物质性质用途SiC俗称_，具有_结构，硬度很大砂纸、砂轮的磨料含4%的硅钢 很高的_变压器铁芯硅橡胶既耐_，又耐_，在60250保持良好的弹性制火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料人工制造分子筛(铝硅酸盐)有均匀微孔结构作吸附剂和催化剂二、硅单质1物理性质晶体硅是有金属光泽的_色固体，熔点_、硬度_、有脆性。晶体硅的导电性介于_和_之间，是良好的_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_、_和_反应。化学方程式分别为：_，_，_。(2)还原性：在加热条件下，硅能与一些非金属单质发生反应：Si2Cl2=高温 _，Si
3、O2=_，SiC=高温 _。3工业制法(1)制粗硅：_(2)粗硅提纯：_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_。(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。答案一、1.硅、氧和金属 2.不溶 稳定3Na2OSiO2 K2OAl2O36SiO24水玻璃 硅胶 木材防火剂5石灰石、黏土 水泥回转窑 纯碱、石灰石和石英 玻璃窑 黏土6金刚砂 金刚石 导磁性 高温 低温二、1.灰黑 高 大 导体 绝缘体 半导体2氟气(F2)氢氟酸(HF)强碱溶液 Si2F2=SiF4，Si4HF=SiF42H2，Si2
4、NaOHH2O=Na2SiO32H2 SiCl4 SiO2 SiC3SiO22C=高温 Si(粗)2CO Si2Cl2=SiCl4，SiCl42H2=高温 Si(纯)4HCl4半导体器件课堂互动探究02 课堂探究提能力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。硅酸盐的表示方法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“”
5、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：2MgOSiO2不能认为是2(MgOSiO2)。(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？答：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
6、Na2SiO3溶液会出现白色胶状沉淀，反应的方程式为：Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3(胶体)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2KAlSi3O82CO27H2O=2K2HCO3 4H2SiO3Al2(Si2O5)(OH)4。(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物的形式：KAlSi3O8_；Al2(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
7、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H2CO3H2SiO3，发生了
8、较强酸制较弱酸的反应。【标准答案】(1)K2OAl2O36SiO2Al2O32SiO22H2O(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()A钙沸石Ca(Al2Si3O10)3H2O，表示为Al2O3CaO3SiO23H2OB镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO12SiO2C钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O2H2O3Al2O36SiO2D高岭石Al2(Si2O5)(OH)4，表示为Al2O32SiO22H2O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12，C正确的写法应为K2O3Al2O36Si
9、O22H2O，D的写法完全符合上述要求。答案：D物质碳硅原子结构示意图硅及其化合物的特性存在形式碳在自然界中有稳定的单质存在。在地壳中主要形成石灰岩和碳酸盐等矿物，在大气中主要以CO2形式存在硅是一种亲氧元素，在自然界中无单质硅存在，主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在单质金刚石、石墨、C60晶体硅、无定形硅物理性质金刚石：无色透明晶体，熔沸点高、硬度大石墨：深灰色固体，质软，熔沸点高C60：熔沸点较低晶体硅：灰黑色，有金属光泽，硬而脆，半导体材料 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。SiO22C=高温 Si2CO(2)非金属单质与强碱溶液反应
10、一般不生成H2，而硅却可以。Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2(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。Si4HF=SiF42H2(4)一般情况下，酸性氧化物不与酸反应，而SiO2却能。SiO24HF=SiF42H2O(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Na2SiO3H2OCO2=H2SiO3Na2CO3，但制玻璃时却发生了下列反应：Na2CO3SiO2=高温 Na2SiO3CO2(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
11、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：Si2F2=SiF4Si4HF=SiF42H2SiO24HF=SiF42H2O1硅与NaOH溶液反应的原理是什么？答：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：Si3H2O=H2SiO32H2；然后，H2SiO3与NaOH反应：H2SiO32NaOH=Na2SiO32H2O。当标电子转移的方向和数目时，应表示为=Na2SiO32H22H2O。2硅的还原性比碳强，这和碳能置换出SiO2中的硅是否
12、矛盾？答：两者并不矛盾，碳和硅位于元素周期表中的第A族，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2CSiO2=高温 Si2CO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：高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si3HCl=300 SiHCl3H2；SiHCl3与过量H2在1 0001 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)第步制备粗硅的化学方程式为_。(2)用SiHCl3
13、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)：装置B中的试剂是_，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_。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_。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
14、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 0001 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。【标准答案】(1)SiO22C=高温 Si2CO(2)浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 有固体物质生成 在此反应温度下，普通玻璃会软化 SiHCl3H2=1 0001 100 Si3HCl 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
15、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 焦炭高温 粗硅HCl573 K以上 SiHCl3粗 精馏 SiHCl3纯H21 357 K 高纯硅写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：_。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
16、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)H2还原SiHCl3可制备Si，化学方程式为SiHCl3H2=1 357 KSi3HCl。SiHCl3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Na2CO3SiO2=高温 Na2SiO3CO2，CaCO3SiO2=高温 CaSiO3CO2，但玻璃没有固定的熔点，E项，Si与HCl不反应。答案：(1)SiHCl3H2=1 357 KSi3HCl SiHCl33H2O=H2SiO33HClH2；高温下H2与O2混合发生爆炸(2)A、B、C