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概念认知自主学习一、硅元素的存在与二氧化硅1硅元素的存在和原子结构2二氧化硅(1)存在石英、水晶、玛瑙、光导纤维、沙子的主要成分是_。SiO2(2)结构SiO2晶体是由Si和O按_的比例组成的立体网状结构的晶体，每个Si与4个O结合，每个O与2个Si结合。(3)物理性质熔点：_；硬度：_；溶解性：_溶于水。12高大难(4)化学性质(5)用途(1)(情境思考)光导纤维被认为是 20 世纪最伟大的发明之一，它使信息高速公路在全球迅猛发展。光导纤维的主要成分是什么？碱性环境下，光导纤维为什么会失去传播信号的能力？提示：光导纤维的主要成分是 SiO
2、2。碱性条件下，SiO2 与碱反应生成硅酸盐和水，光导纤维会失去传播信号的能力。(2)(教材二次开发)教材中描述“SiO2 是酸性氧化物”，酸性氧化物与碱反应生成盐和水，SiO2 既能与 NaOH 溶液反应，也能与氢氟酸反应，SiO2 为什么不属于两性氧化物？提示：SiO2 能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水，这只是 SiO2 的一个特性，SiO2 属于酸性氧化物。二、硅酸1硅酸的制备实验操作实验现象滴加酚酞溶液后溶液呈_色，滴加稀盐酸后溶液变为_色，有_生成结论Na2SiO3溶液呈_性；可溶性硅酸盐与盐酸反应可以制得硅酸，反应的化学方程式为_红无白色絮状沉淀碱Na2SiO32HCl=H2SiO
3、32NaCl2.性质3硅胶(1)(情境思考)“玛瑙”早期被书写成“马脑”。因“色如马脑，故从彼名”。自佛经传入中国后，翻译人员考虑到“马脑属玉石类”，于是巧妙地译成“玛瑙”。玛瑙的主要成分为二氧化硅，由于与水化二氧化硅(硅酸)交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属，颜色可从极淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸？提示：二氧化硅不与水反应，故应先与碱(如 NaOH 溶液)反应生成硅酸盐，再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。(2)(教材二次开发)教材中描述“硅酸是一种很弱的酸，酸性比碳酸的还弱”，如何证明H2SiO3 的酸性比 H2CO3 弱？提示：向 Na2SiO3 溶液中通入 CO2，若生成白色沉
4、淀，则证明酸性：H2CO3H2SiO3。三、硅酸盐1定义：由硅、氧和金属组成的化合物的总称。2性质：结构复杂，大多不溶于水，化学性质稳定。3表示：通常以二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。例如，(1)Na2SiO3：_。(2)长石(KAlSi3O8)：_。(3)镁橄榄石(Mg2SiO4)：_。Na2OSiO2K2OAl2O36SiO22MgOSiO24最简单的硅酸盐Na2SiO35三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石灰石、黏土水泥回转窑3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3玻璃纯碱、石灰石、石英砂玻璃窑Na2OCaO6SiO2陶瓷黏土硅酸盐6.其他含硅物质
5、(连一连)(1)Na2SiO3 溶液很稳定，在空气中放置不会变质。这种说法是否正确？提示：不正确。Na2SiO3 溶液与空气中 CO2 反应生成硅酸沉淀。(2)制玻璃和水泥的共同原料有什么？提示：石灰石。制玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英砂；制水泥的原料是石灰石、黏土。(3)(情境思考)古籍记载中的石棉称之为火浣布，列子书中记载：“火浣之布，浣之必投于火，布则火色、垢则布色，出火而振之，皓然凝乎雪”，说的是石棉纤维制作的织物，因污染后经火烧即洁白如新。青石棉是石棉的一种，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉的化学组成用氧化物可表示为什么形式？提示：Na2O3FeOFe2O38Si
6、O2H2O。四、硅单质1形态和结构2性质(1)物理性质(2)化学性质色、态光泽熔点硬度质地导电性灰黑色固体金属光泽_大脆半导体高(3)工业制备(4)用途(1)判断下列说法是否正确。硅是人类将太阳能转变为电能的常用材料()提示：硅可用于制造太阳能电池。硅在自然界中主要以单质形式存在，地壳中含量居于第二位()提示：硅在自然界中主要以化合物形式存在。(2)(知识前后串联)铝与 NaOH 溶液反应铝失电子，H2O 中 H 得电子生成氢气，硅与NaOH 溶液反应的原理是什么？标出电子转移的方向和数目。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
7、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，应表示为能力形成合作探究知识点一 CO2 和 SiO2 深度对比化学式CO2SiO2构成CO2 分子1 个 Si 周围有 4 个 O，1 个 O 周围有 2 个 Si，呈空间立体网状结构，无 SiO2 分子物理性质气体，熔、沸点低，溶于水固体，熔、沸点高，硬度大，不溶于水化学式CO2SiO2与碱性氧化物反应CaOCO2=CaCO3CaOSiO2=高温 CaSiO3与碱溶液反应2NaOHCO2=Na2CO3H2OSiO
8、22NaOH=Na2SiO3H2O与盐反应Na2SiO3CO2H2O=Na2CO3H2SiO3SiO2Na2CO3=高温Na2SiO3CO2化学式CO2SiO2与碳反应CCO2=2CO2CSiO2=高温 Si2CO与 H2O 作用CO2H2OH2CO3与水不反应与酸反应不反应只与氢氟酸反应 SiO24HF=SiF42H2O用途干冰用于人工降雨，合成肥料制饰品、实验室里的坩埚、光导纤维(1)(思维升华)为什么实验室盛放 NaOH 溶液的试剂瓶要用橡胶塞而不能用玻璃塞？(宏观辨识与微观探析)提示：当玻璃瓶配玻璃塞时，瓶口内壁和瓶塞外壁都进行了磨砂处理。玻璃中含 SiO2，磨砂玻璃遇到强碱如 NaO
9、H 溶液时，SiO2 与 NaOH 反应生成 Na2SiO3，使试剂瓶受腐蚀；Na2SiO3 溶液有良好的粘结性，它易使瓶口与瓶塞粘在一起而难以开启。故使用橡胶塞而不能使用玻璃塞。(2)(情境应用)现有硅酸钠、石灰石、二氧化硅三种白色粉末，只用一种试剂就可以将它们鉴别开来，请考虑选择什么试剂合适？(科学探究与创新意识)提示：盐酸、硝酸等。硅酸钠溶液与盐酸反应会出现白色胶状沉淀，后两种与盐酸反应分别出现气泡和无明显现象，可以鉴别。(3)(教材二次开发)制备熔融烧碱时应选用的器皿可以是石英坩埚、普通玻璃坩埚、瓷坩埚吗？可选择什么材质的坩埚？提示：石英坩埚、普通玻璃坩埚以及瓷坩埚的成分中都含有 Si
10、O2，不能用于制备熔融烧碱。可选择生铁坩埚。【典例】下列关于 SiO2 和 CO2 的说法中正确的是()ACO2、SiO2 都能与碱及碱性氧化物反应BCO2 和 SiO2 与水反应分别生成相应的酸CSiO2 可用来制作干燥剂，因 SiO2 可与水反应DCO2 和 SiO2 都是由相应的分子构成的【解题指南】解答本题注意以下两点：(1)二氧化碳、二氧化硅的构成不同。(2)二氧化碳和二氧化硅所属类别相同，但性质存在很大差异。【解析】选 A。CO2、SiO2 都是酸性氧化物，都能与碱及碱性氧化物反应，故 A 正确；SiO2 不溶于水，也不能和水反应生成硅酸，B 不正确；硅胶可用作干燥剂，但 SiO2
11、不与水反应，C 不正确；CO2 是由分子构成的，SiO2 是由 Si、O 原子直接构成的，D不正确。【母题追问】(1)实验室能否用玻璃瓶保存氢氟酸？提示：不能。因为氢氟酸腐蚀玻璃，和玻璃中的成分 SiO2 反应。(2)常见的由原子构成的物质有哪些？提示：Si、SiO2、SiC、金刚石等。(2021合肥高一检测)北京时间 2020 年 10 月 27 日至 29 日，全球光纤光缆行业的顶级盛会2020 年世界光纤光缆大会召开。共话后疫情时代全球纤缆产业发展。光缆的主要成分为 SiO2。下列叙述正确的是()ACO2 与 SiO2 都能跟 H2O 反应生成相应的酸BSiO2 与 CO2 都不能与酸反
12、应CSiO2 与 CO2(干冰)都能够与氢氧化钠溶液反应D水晶的主要成分是 SiC【解析】选 C。A 项，CO2 与水反应，SiO2 不与水反应，也不溶于水；B 项，SiO2为酸性氧化物，能与 HF 反应，但 CO2 不与酸反应；C 项，SiO2、CO2 均能与 NaOH溶液反应：SiO22NaOH=Na2SiO3H2O，CO22NaOH=Na2CO3H2O；D 项，水晶是纯净的 SiO2，SiC 俗称金刚砂。知识点二 硅及其化合物的特殊性质和转化1硅及其化合物的特殊性质(1)硅单质的特殊性Si 的还原性大于 C，但 C 却能在高温下还原出 Si：SiO22C=高温 Si2CO；非金属单质跟碱
13、液作用一般无 H2 放出，但 Si 与碱液作用却放出 H2：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2；非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但 Si 能与 HF 作用：Si4HF=SiF42H2；非金属单质大多为非导体，但 Si 为半导体。(2)含硅化合物的特殊性SiO2 是 H2SiO3 的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备 H2SiO3；酸性氧化物一般不与酸作用，但 SiO2 能跟 HF 作用：SiO24HF=SiF42H2O；无机酸一般易溶于水，但 H2SiO3 难溶于水；因 H2CO3 的酸性大于 H2SiO3，所以在 Na2SiO3 溶液中通入 CO2 能发生下列反应：Na2Si
14、O3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3，但在高温下 SiO2Na2CO3=高温Na2SiO3CO2也能发生。2硅及其化合物的转化发生反应的化学方程式：SiO2=SiO2；SiO22NaOH=Na2SiO3H2O；CO2H2ONa2SiO3=Na2CO3H2SiO3；H2SiO3=SiO2H2O；SiO22C=高温 Si2CO。1(情境应用)金刚砂又名碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。关于工业制金刚砂的反应：SiO23C=高温SiC2CO，氧化剂和还原剂的物质的量之比是多少？提示：12。由价态变化知该
15、反应是单质碳自身的氧化还原反应，作为氧化剂和还原剂的碳的物质的量之比为 12。2(思维升华)将足量 CO2 气体通入 Na2SiO3 溶液中，然后加热蒸干所得溶液，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是什么？提示：Na2SiO3。发生反应：2CO2Na2SiO32H2O=H2SiO32NaHCO3，H2SiO3=H2OSiO2，2NaHCO3=Na2CO3CO2H2O，SiO2Na2CO3=高温 Na2SiO3CO2。各物质间存在如下关系：H2SiO32NaHCO3，H2SiO3SiO2，2NaHCO3Na2CO3SiO2。由上述关系可知，最后所得的固体物质是 Na2SiO3。【典例 1】(
16、2020揭阳高一检测)能证明碳酸的酸性比硅酸强的事实是()ACO2 溶于水生成碳酸，SiO2 不溶于水也不能跟水反应生成硅酸B在高温条件下，SiO2 和 CaCO3 能发生反应：SiO2CaCO3=高温 CaSiO3CO2CSiO2 熔点比 CO2 高DCO2 通入 Na2SiO3 稀溶液中，生成白色胶状沉淀，所生成的 H2SiO3 逐渐聚合而形成硅酸溶胶【解题指南】解答本题需注意以下三点：(1)比较酸性的强弱，必须是在通常情况下发生的反应。(2)物理性质与酸性的强弱无关。(3)通常情况下发生反应：较强酸较弱酸的盐较强酸的盐较弱酸。【解析】选 D。SiO2 与 CO2 的结构不同，SiO2 为
17、正四面体结构，熔沸点高，硬度大，既不溶于水也不与水反应生成 H2SiO3，但不能由此证明 H2CO3 酸性比 H2SiO3 强，A、C 错；反应 SiO2CaCO3=高温 CaSiO3CO2是在高温下进行，因为 CO2 为气体，能脱离反应体系而使反应得以进行，所以不能由此证明 H2CO3 与 H2SiO3 的酸性强弱；CO2 通入 Na2SiO3 溶液生成 H2SiO3，符合强酸制弱酸规律，符合题意。【母题追问】(1)上题 B 项中反应是哪类工业生产中的主要反应？提示：玻璃工业。玻璃制备的主要反应为：SiO2Na2CO3=高温 Na2SiO3CO2，SiO2CaCO3=高温 CaSiO3CO2
18、。(2)SiO2 不能跟水直接反应生成硅酸，请设计由 SiO2 制备硅酸的流程。提示：【典例 2】为确认 HCl、H2CO3、H2SiO3 的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。请据此回答：(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为_。(2)装置 B 所盛的试剂是_，其作用是_。(3)装置 C 所盛试剂是_，C 中反应的离子方程式是_。(4)由此得到结论，酸性：_。【解题指南】解答本题注意以下两点：(1)明确三种酸酸性强弱的大小。(2)根据酸性强弱明确每个装置的作用，但注意酸的挥发性对后续实验的影响。【解析】根据强酸弱酸盐弱酸强酸盐分析
19、可知，分液漏斗中盛装盐酸，A 中盛放 Na2CO3，根据 Na2CO32HCl=2NaClH2OCO2可以知道酸性 HCl 强于H2CO3；然后将生成的 CO2 通入 Na2SiO3 溶液中，反应为 Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3，由此判断酸性 H2CO3H2SiO3。但需注意的是 A 中反应会有 HCl 气体逸出，通入 Na2SiO3 溶液前需将 HCl 吸收，但不能吸收 CO2，故可选用饱和 NaHCO3 溶液。答案：(1)盐酸(2)饱和 NaHCO3 溶液 吸收 HCl 气体(3)Na2SiO3 溶液 SiO23CO2H2O=H2SiO3CO23(4)HCl H2C
20、O3 H2SiO3【母题追问】(1)向某溶液中滴加 HCl 若产生白色沉淀，溶液中可能含有哪些离子？提示：Ag、SiO23；AgCl 和 H2SiO3 均是不溶于盐酸的白色沉淀。(2)能否利用反应Na2CO3SiO2=高温 Na2SiO3CO2证明H2CO3的酸性强于H2SiO3?提示：不能。酸性强弱的比较必须在水溶液中进行，该反应是在高温下进行，产物是 CO2，不能证明 H2CO3 和 H2SiO3 的酸性强弱。1下列说法正确的是()A只有金属与酸反应才产生 H2B由 SiO22C=高温 Si2CO可知，碳的还原性强于硅C能与 NaOH 溶液反应产生 H2 的只有 Si 单质DSi 和 Si
21、O2 都能与 HF 溶液反应生成 SiF4【解析】选 D。硅可与 HF 溶液发生反应生成 H2，A 项错误；硅的还原性强于碳，B项错误；金属 Al 也能与 NaOH 溶液反应产生 H2，C 项错误。2(2020芜湖高一检测)下列关于硅酸的说法正确的是()A硅酸可以通过 SiO2 和水的化合反应直接制得B用反应 Na2SiO32HCl=2NaClH2SiO3制取硅酸是利用了强酸制弱酸的性质C因为硅酸难溶于水，所以它不能与 NaOH 溶液反应D硅胶不可用作袋装食品的干燥剂【解析】选 B。SiO2 和 H2O 不反应，A 项错；硅酸与 NaOH 溶液可以反应，C 项错。硅胶能吸水，可以作为食品的干燥
22、剂，D 项错。3工业上制备高纯硅有多种方法，其中的一种工艺流程如下：已知：流化床反应的产物中，除 SiCl4 外，还有 SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3 等。下列说法正确的是()A电弧炉中发生的反应为 CSiO2=高温CO2SiBSiCl4 进入还原炉之前需要经过蒸馏提纯C每生产 1 mol 高纯硅，需要 44.8 L Cl2(标准状况)D该工艺 Si 的产率高，符合绿色化学要求【解析】选 B。二氧化硅与碳在高温下生成粗硅和一氧化碳，电弧炉中发生的反应为2CSiO2=高温 2COSi，选项 A 错误；SiCl4 进入还原炉之前在流化床反应器中除SiCl4 外，还有 SiH
23、Cl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3 等，需要利用相互溶解的物质沸点不同，经过蒸馏提纯，选项 B 正确；根据转化关系 SiSiCl4Si，每生产 1 mol 高纯硅，需要 22.4 L Cl2(标准状况)，选项 C 错误；该工艺中产生氯化氢气体且有氯气的参与，容易引起空气污染，不符合绿色化学要求，选项 D 错误。三言两语话重点1熟记两种物质的用途：SiO2 制光导纤维；Si半导体材料、太阳能电池材料。2牢记三种物质的性质：SiO2酸性、氧化性；H2SiO3酸性、不稳定性；Si与 HF、F2、NaOH 反应。3理解硅酸盐的表示方法：金属氧化物SiO2H2O。4记住物质成分(玻璃)：N
24、a2SiO3、CaSiO3、SiO2。学情诊断课堂检测1我国已跨入“互联网”时代，而“互联网”的建设离不开无机非金属材料硅。下列物品中用到硅单质的是()A陶瓷餐具 B石英钟表C计算机芯片D光导纤维【解析】选 C。陶瓷餐具是硅酸盐产品，主要成分为硅酸盐，A 错误；石英主要成分为二氧化硅，不是硅单质，B 错误；硅单质是半导体材料，可以制计算机芯片，C 正确；光导纤维主要成分为二氧化硅，是硅的氧化物，不是单质硅，D 错误。2用胶头滴管向用石蜡围成的“Spark”凹槽内注入某溶液，即可在玻璃上刻蚀出“Spark”的字样，则该溶液是()A.盐酸 B氢氟酸 C烧碱 D饱和食盐水【解析】选 B。能腐蚀玻璃的
25、是氢氟酸，反应的化学方程式为 SiO24HF=SiF42H2O。3(2020康定高一检测)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是()A玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品B制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂C硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高D沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐【解析】选 C。陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A 项错误；纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B 项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C 项正确；沙子的主要成分是 SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，
26、D 项错误。4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3000 年以前，就已经使用玻璃了”。下列有关普通玻璃的说法不正确的是()A制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英砂B玻璃在加热熔化时有固定的熔点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反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起【解析】选 B。普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融制得，A 正确。玻璃是混合物，没有固定的熔点，B 错误。普通玻璃的大致组成为 Na2OCaO6SiO2，C 正确。二氧化硅易与碱液反应生成 Na
27、2SiO3，Na2SiO3 具有很强的粘结性，因此盛 NaOH 等强碱溶液的试剂瓶不得用玻璃塞。5(教材二次开发教材习题改编)单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。一个电脑芯片上可集成 10 亿个晶体管，其功能远比我们想象的要大得多，这对硅的纯度要求很高。化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为SiO22CSi2CO；Si2Cl2=SiCl4；SiCl42H2=高温Si4HCl。下列有关上述三个反应的叙述，不正确的是()A为置换反应B为化合反应C均为氧化还原反应D三个反应的反应物中硅元素均被还原【解析】选 D。反应中硅元素被还原，反应中硅元素被氧化，D 项错误。素养新思维6500 多年前，一艘载着
28、天然苏打晶体(Na2CO310H2O)的商船在航行中搁浅，船员们便在附近的沙滩上用几块苏打晶体支锅煮饭。之后他们惊奇地发现，在苏打与沙粒接触的地方出现了许多晶莹发亮的珠子。回答下列问题：(1)沙滩上沙粒的主要成分为_(填化学式)。(2)上述晶莹发亮的珠子可能是_(填字母)。A水晶颗粒 B无水碳酸钠C晶体硅D玻璃珠(3)生成该珠子时发生反应的化学方程式为_。(4)氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，原因是_(用化学方程式表示)。【解析】(1)沙滩上沙粒的主要成分为 SiO2。(2)由于沙子的主要成分是 SiO2，高温下能与 Na2CO3 反应，生成的 Na2SiO3 和 SiO2 熔合成的晶莹发亮的固体是玻璃的成分。(3)珠子是由 SiO2 在高温下与 Na2CO3 反应，生成 Na2SiO3，生成的 Na2SiO3 和 SiO2 熔合成晶莹发亮的珠子，所以反应的化学方程式为 SiO2Na2CO3=高温 Na2SiO3CO2。(4)氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，原因为它能与 SiO2 反应，其反应化学方程式为 SiO24HF=SiF42H2O。答案：(1)SiO2(2)D(3)SiO2Na2CO3=Na2SiO3CO2(4)SiO24HF=SiF42H2O
