1、第三单元 含硅矿物与信息材料 专题3 从矿物到基础材料 新知初探自学导引 自主学习一、硅酸盐矿物与硅酸盐产品 1硅元素在自然界中以_态形式存在，无_态。硅元素在地壳中的含量居第_位。2硅酸盐的表示方法 化合游离二方法 化学式法 氧化物法 适用范围 组成简单的硅酸盐 组成复杂的硅酸盐 举例 硅酸钠：Na2SiO3 硅酸钙：CaSiO3 锆石：ZrO2SiO2 红柱石：Al2O3SiO2 钙铝石榴子石：3CaOAl2O33SiO2 镁橄榄石：2MgOSiO2 3.硅酸钠(1)物理性质：可溶于水，其水溶液俗称_。(2)化学性质：和盐酸、碳酸等反应生成白色的H2SiO3沉淀。(写化学方程式)HCl：_
2、。水玻璃2HClNa2SiO3=H2SiO32NaCl少量CO2：_。(3)用途：建筑业的黏合剂。木材、纺织品的防腐剂和防火剂。H2SiO3Na2CO3CO2H2ONa2SiO3=想一想保存Na2SiO3溶液时应注意什么？试说明原因。提示：要密封保存且不能用带玻璃塞的试剂瓶。硅酸钠溶液会与二氧化碳发生反应而变质，所以要密封保存;硅酸钠有较强的黏性,也不能用磨口的玻璃瓶和玻璃塞，以免瓶口黏结。4.硅酸盐工业产品 常见的硅酸盐工业产品有水泥、玻璃、陶瓷.(1)水泥 主要原料：黏土、石灰石、石膏(注意：石膏的作用：_)。主要设备：_。生产原理：复杂的物理、化学变化。主要成分:_.调节水泥硬化速度水泥
3、回转窑硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙主要性质：有_性，即细粉状水泥遇水后变为坚硬的固体。主要用途：用于制造建筑材料。例如，水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物；混凝土：水泥、沙子和碎石的混合物。(2)陶瓷 主要原料：黏土。生产原理：复杂的物理、化学变化。水硬生产过程：混合、成型、干燥、烧结、冷却.主要特点：具有抗氧化性、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。主要用途：餐具、砖瓦、化学仪器、电绝缘器、工艺品等。(3)玻璃主要原料：石灰石、纯碱、石英。主要设备：玻璃窑。反应原理：复杂的物理、化学变化。其中的主要化学反应是：CaCO3SiO2=高温 CaSiO3CO2Na2CO3SiO2=高温 Na2S
4、iO3CO2普通玻璃的组成：_。Na2OCaO6SiO2二、二氧化硅与信息材料 1二氧化硅(SiO2)(1)存在：天然产透明的二氧化硅晶体俗称_，为无色透明的六棱柱状。另外，_等的主要成分也是二氧化硅。(2)用途：二氧化硅可用于制备_等。水晶石英、沙子光导纤维(3)物理性质:熔沸点_、硬度_，_溶于水。纯净的SiO2晶体是无色透明的固体。(4)化学性质 SiO2的化学性质_活泼，但也能发生一些化学反应。SiO2是_氧化物，具有_氧化物的某些性质。在常温下与强碱反应，生成盐和水。SiO22NaOH=Na2SiO3H2O高大难很不酸性酸性在高温下与碱性氧化物反应生成盐。SiO2CaO=高温 CaS
5、iO3特殊反应：a.SiO24HF=SiF42H2Ob高温下能与 Na2CO3、CaCO3发生反应。2信息材料(1)SiO2应用于制造光导纤维。(2)Si 应用于制造集成电路、晶体管等半导体器件。3硅晶体 硅晶体的熔点和沸点都很_，硬度也很_。在常温下,单质硅比较稳定,与O2、Cl2、HNO3、H2SO4等都很难发生反应。高大自主体验1下列属于硅酸盐材料的是()水泥 玻璃 陶瓷 水晶A BCD解析：选D。硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称；水晶的主要成分是SiO2，不属于硅酸盐。2根据水泥和玻璃的生产，总结出硅酸盐工业的一般特点是()生成物是硅酸盐 反应条件是高温 含有硅的物质作原料 反
6、应原理是一系列复杂的物理化学变化ABCD解析：选D。硅酸盐工业的特点包含题干所述四项内容。3在一定条件下，下列不能与二氧化硅反应的物质是()焦炭 纯碱 碳酸钙 氢氟酸 硝酸 氢氧化钾 氧化钙A只有B只有C只有D只有解析：选D。SiO2不与强酸反应，只能与酸中的氢氟酸反应。要点突破讲练互动 探究导引1硅酸盐和硅酸盐产品有何差异？提示：硅酸盐是指由硅、氧、金属元素组成的一大类化合物，它是构成地壳岩石的主要成分，硅酸盐和硅酸盐产品 自然界中存在的各种天然硅酸盐矿物约占地壳质量的5%；硅酸盐产品指的是硅酸盐材料，它是由以含硅的物质为原料，在高温条件下经过复杂的物理化学变化而制备的一种材料，人类制造出的
7、第一种材料陶瓷就是硅酸盐产品，硅酸盐材料也称为传统无机非金属材料。探究导引2如何用化学式表示硅酸盐？提示：用金属氧化物二氧化硅的形式表示.要点归纳(1)硅酸盐在自然界中的存在硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，存在于地球的每一个角落，硅元素在地壳中总含量居第二位。(2)硅酸盐的物理性质硅酸盐绝大部分都难溶于水，常见的易溶于水的硅酸盐是Na2SiO3、K2SiO3等。硅酸盐都有较高或很高的熔点。(3)硅酸盐的化学性质硅酸盐有很强的热稳定性，能耐高温。硅酸盐易跟酸发生反应。由于硅酸是比碳酸还弱的酸，所以水玻璃(Na2SiO3)易跟碳酸(CO2H2O)及更强的酸反应，生成难溶于水的硅酸，例如：Na2Si
8、O3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3SiO23 CO2H2O=H2SiO3CO23Na2SiO3 2CO2 2H2O=H2SiO3 2NaHCO3SiO23 2CO22H2O=H2SiO32HCO3Na2SiO32HCl=H2SiO32NaClSiO23 2H=H2SiO3(4)硅酸盐组成的表示方法硅酸盐的种类多、结构复杂，其组成的表示方法有两种：盐化学式法如硅酸钠：Na2SiO3、硅酸钙：CaSiO3等。此法一般用于组成较简单的硅酸盐。氧化物化学式法 如石棉(CaMg3Si4O12)可写为CaO3MgO4SiO2.特别提醒用氧化物表示硅酸盐组成时，a.各元素的价态保持不变。b.各元素原
9、子个数比不变。c.各氧化物的一般排列顺序为：较活泼金属的氧化物、较不活泼金属的氧化物、二氧化硅、水。d.各氧化物之间用“”隔开。即时应用1下列溶液中加入氯化钡溶液生成白色沉淀，再加入稀硝酸振荡，白色沉淀不消失的是()Na2SiO3 Na2CO3 Na2SO3 Na3PO4A BCD解析：选A。BaCO3和Ba3(PO4)2均为白色沉淀，二者均溶于HNO3。BaSiO3溶于HNO3后生成H2SiO3白色沉淀，BaSO3溶于HNO3后生成BaSO4白色沉淀。探究导引硅的化学性质很稳定，为什么自然界中没有游离态的硅？提示：硅是一种亲氧元素。硅及二氧化硅 要点归纳1硅的制取、性质与用途(1)硅的制取自
10、然界中没有游离态的硅，常见的化合态的硅有二氧化硅和硅酸盐等。工业上用碳在高温下还原二氧化硅的方法，制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅在高温下跟氯气反应生成四氯化硅(SiCl4)，四氯化硅经提纯后，再用氢气还原，就可以得到高纯度的硅。SiO22C=高温 Si2CO Si2Cl2=高温 SiCl4SiCl42H2=高温 Si4HCl(2)硅的性质单质硅是一种灰黑色、有金属光泽、硬度很大、质脆、熔沸点很高的固体，是良好的半导体材料。单质硅化学性质比较稳定，常温下，与 O2、Cl2、HNO3、H2SO4等很难发生反应，但能与氟气、氢氟酸、强碱反应。在加热时能跟 O2等物质发生反应。Si2F2=SiF4Si
11、4HF=SiF42H2Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2SiO2=SiO2(3)硅的用途 用于制造硅芯片、集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件；制造太阳能电池；制造合金，如含硅4%(质量分数)的钢导磁性好，用于制造变压器的铁芯；含硅15%(质量分数)的钢有良好的耐酸性。2二氧化硅SiO2是典型的酸性氧化物，其有酸性氧化物的通性，在物理、化学性质方面与CO2有较大差异。比较项目 SiO2 CO2 物 理 性 质 颜色状态 无色透明晶体或 白色粉末 无色气体 熔点 高(1723)低(57)沸点 高(2230)低(18.5 升华)硬度 大 小 溶解性 不溶于水 溶于水(11)比较项目 Si
12、O2 CO2 化 学 性 质 与碱性氧化物的反应 SiO2CaOCaSiO3 CO2CaO=CaCO3 与碱的反应 SiO22NaOH=Na2SiO3 H2O CO22NaOH=Na2CO3H2O CO2NaOH=NaHCO3=高温比较项目 SiO2 CO2 化 学 性 质 与盐的反应 CaCO3SiO2CaSiO3CO2 CO2 NaAlO2 2H2O=Al(OH)3NaHCO3 与水的反应 不反应 CO2H2OH2CO3=高温比较项目 SiO2 CO2 化 学 性 质 与氢氟酸的反应 SiO2 4HF=SiF42H2O 不反应 相互转化 Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2 CO2(少
13、 量)H2O Na2SiO3=Na2CO3H2SiO3 H2SiO3SiO2H2O(很重要)=高温即时应用2.关于地壳中含量占第一位与第二位的元素之间形成的化合物,下列说法正确的是()A可溶于水，显酸性B它的化学性质不活泼C是酸性氧化物，不溶于任何酸D它的熔、沸点较低，物理性质类似于CO2解析：选B。地壳中含量居第一位、第二位的元素分别是O、Si，它们形成的化合物是SiO2，SiO2不溶于水，不和水反应，熔、沸点较高，硬度较大，物理性质和CO2的差异很大，故A、D均不正确。SiO2虽是酸性氧化物,和很多酸不反应,但能和氢氟酸反应：SiO24HF=SiF42H2O,故C不正确。SiO2的化学性质
14、比较稳定，B正确。题型探究权威预测 硅酸盐及其产品()下列说法正确的是()A制取水泥和玻璃的原料中均有纯碱B普通玻璃是电的绝缘体，这种透明的固体物质是混合物，无固定的熔点C普通玻璃俗称水玻璃例1D硅酸盐工业使用的每一种原料都含有硅【解析】制取玻璃的原料中有纯碱，而制取水泥的原料中没有纯碱，A不正确；普通玻璃的组成一般为Na2OCaO6SiO2，故玻璃属于混合物，没有固定的熔、沸点，B正确；普通玻璃和水玻璃的成分不同，水玻璃不是普通玻璃的俗名，C不正确；制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石，石灰石中不含有硅，D不正确。【答案】B()普通玻璃中Na2SiO3CaSiO3SiO2114(物质的量之比)。
15、(1)若以aNa2ObCaOmSiO2表示此玻璃的组成，则abm_。(2)若要制备1000 kg上述玻璃，需要原料各多少千克？共可产生标准状况下的CO2气体多少升？【解析】(1)根据原子个数相等的原则，Na2SiO3CaSiO3SiO2 114 等 同 于Na2OCaO6SiO2，即 abm116。(2)制造玻璃的原料是 Na2CO3、CaCO3 和SiO2，根据反应原理：Na2CO3SiO2=高温Na2SiO3CO2、CaCO3SiO2=高温 CaSiO3CO2得：Na2OCaO6SiO2Na2CO3CaCO36SiO22CO2478 g 1 mol 1 mol 6 mol 2 mol100
16、0103 g xx6x2xx1106 g1 mol478 g2092 molm(Na2CO3)2092 mol106 gmol1103kgg1221.8 kgm(CaCO3)2092 mol100 gmol1103kgg1209.2 kgm(SiO2)2092 mol60 gmol16103kgg1753.1 kg V(CO2)2092 mol222.4 Lmol19.37104 L。CO2的另一种求法：制1000 kg玻璃需原料:221.8 kg209.2 kg753.1 kg1184.1 kg，两者质量之差就是放出CO2的质量，可由此求出标准状况下CO2的体积。【答案】(1)116(2)需
17、要Na2CO3 221.8 kg，CaCO3 209.2 kg,SiO2 753.1 kg；产 生 标 准 状 况 下 的 CO29.37104 L。【名师点睛】(1)硅酸盐工业使用的原料中有含硅的物质,但不是每种物质都含有硅;硅酸盐产品都是混合物。(2)解答本题的关键是熟悉制造玻璃的反应原理，并灵活运用守恒法和关系式法求解。本题易错在不能正确找出物质之间的关系和计算过程中产生错误。(3)要学会“从相同点和不同点”来比较各种硅酸盐工业；如：水泥和玻璃工业相同点是：高温条件、原料中均有石灰石(且石灰石均是反应物)、产品中均有硅酸盐，不同点是：设备不同(窑和炉)、原料有差别、主要成分不同。硅和二氧
18、化硅下列各单质和化合物之间有以下转化关系，而且各单质和化合物组成的元素皆为118号元素。例2根据上述关系判断：(1)单质A只可能是_(填名称)。(2)单质B一定是_(填“金属”或“非金属”)单质。(3)各化合物的化学式为：甲_，乙_。(4)单质A和NaOH溶液反应的离子方程式为_。(5)化合物乙与过量盐酸反应的离子方程式为_。【解析】突破点“单质A能够与氢氧化钠溶液反应放出氢气”说明A只能是Al或Si中的一种；若假设是Al，化合物丁是AlCl3，不符合丁失去化合物丙而得化合物甲的反应；所以判断A为Si，乙为Na2SiO3，丁为H2SiO3,甲为SiO2，B为O2，丙为H2O。【答 案】(1)硅
19、 (2)非 金 属 (3)SiO2 Na2SiO3(4)Si2OHH2O=SiO23 2H2(5)SiO23 2H=H2SiO3(H2SiO3 不溶于任何强酸)【名师点睛】硅及其化合物的“反常”性质(1)Si 的还原性大于 C，但 C 却能在高温下还原出 Si：SiO22C=高温 Si2CO。(2)非金属单质跟碱液作用一般无 H2放出，但Si 却放出 H2：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2。(3)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。(4)非金属单质一般为非导体,但Si为半导体.(5)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能将
20、它直接与水作用制备H2SiO3。(6)酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO24HF=SiF42H2O。(7)无机酸一般易溶于水,但H2SiO3难溶于水.(8)因H2CO3的酸性强于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应:Na2SiO3 CO2 H2O=H2SiO3 Na2CO3，但 在 高 温 下 反 应Na2CO3 SiO2=高温 Na2SiO3CO2也能发生。(9)Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同(10)硅酸盐的组成相当复杂，通常以氧化物的形式来表示它们的组成。课堂达标即时巩固 热点示例思维拓展 制取纯净硅【经典案
21、例】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 HCl 气体反应制得 SiHCl3：Si3HCl=300 SiHCl3H2；SiHCl3与过量H2在10001100 反应制得纯硅。已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：(1)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0)中含有少量SiCl4(沸点57.6)和HCl(沸点84.7)，提纯SiHCl3采用的方法是_。(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下图(热源及夹持装置略去)：装置B中的试剂是_。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_。
22、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的气密性，控制好反应温度以及_。为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是(填写字母代号)_。a碘水 b氯水 cNaOH溶液 dKSCN溶液eNa2SO3溶液【解析】(1)根据沸点不同，提纯 SiHCl3 可采用的方法是分馏(或蒸馏)。(2)A 装置生成氢气，由 SiHCl3 遇水强烈反应知，B 为干燥装置，可选用浓硫酸。SiHCl3 是液体，装置 C加热，是使 SiHCl3汽化，与 H2混合。装置 D的反应为 SiHCl3H2=10001100 Si3HCl，现象为有固体物质生成，【答案】(1)分馏(或蒸馏)(2)浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCl3 汽化 有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃会软化 SiHCl3H2=10001100 Si3HCl 排尽装置中的空气 bd由于反应温度很高，为避免普通玻璃软化，选用石英玻璃。因SiHCl3在空气中易自燃，故操作时注意用H2排尽装置内的空气。检验是否存在Fe2应用氯水和KSCN溶液。