高中化学必修1学案专题3第三单元第1课时硅酸盐和硅单质

第三单元含硅矿物与信息材料第1课时硅酸盐和硅单质一、硅酸盐1．概念：硅酸盐是由硅、氧和金属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，大多不溶于水，化学性质很稳定。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：Na2O·SiO2；钾长石：KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2。4．最常见的硅酸盐——Na2SiO3Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，能制备硅胶和木材防火剂。5．三种常见的硅酸盐产品6.其他含硅的物质二、硅单质1．物理性质晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。2．化学性质(1)稳定性：常温下硅的化学性质不活泼，只能与氟气(F2)、氢氟酸(HF)和强碱溶液反应。化学方程式分别为：Si＋2F2=SiF4，Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)还原性：在加热条件下，硅能与一些非金属单质发生反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(高温))SiCl4，Si＋O2eq\o(=,\s\up17(△))SiO2，Si＋Ceq\o(=,\s\up17(高温))SiC。3．工业制法(1)制粗硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si(粗)＋2CO↑(2)粗硅提纯：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(△))SiCl4，SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up17(高温))Si(纯)＋4HCl4．用途(1)用做半导体材料，制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件。(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。(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物的形式：①KAlSi3O8_____________________________________；②Al2(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H2CO3>H2SiO3，发生了较强酸制较弱酸的反应。【答案】(1)①K2O·Al2O3·6SiO2②Al2O3·2SiO2·2H2O(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(D)A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2OB．镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO·eq\f(1,2)SiO2C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2D．高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示为Al2O3·2SiO2·2H2O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eq\f(1,2)，C正确的写法应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O，D的写法完全符合上述要求。1．硅与NaOH溶液反应的原理是什么？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，硅与水反应生成H2SiO3和H2：Si＋3H2O=H2SiO3＋2H2↑；然后，H2SiO3与NaOH反应：H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。当标电子转移的方向和数目时，应表示为2．硅的还原性比碳强，这和碳能置换出SiO2中的硅是否矛盾？提示：两者并不矛盾，碳和硅位于元素周期表中的第ⅣA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2C＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑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：①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(=,\s\up17(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃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①步制备粗硅的化学方程式为________。(2)用SiHCl3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)：①装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________。②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________。③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1000～1100℃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【答案】(1)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑(2)①浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化②有固体物质生成在此反应温度下，普通玻璃会软化SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1000～1100℃))Si＋3HCl③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：①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。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：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是高温下H2与O2混合发生爆炸。(2)下列有关硅材料的说法正确的是A、B、C(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——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)①H2还原SiHCl3可制备Si，化学方程式为SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si＋3HCl。②SiHCl3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Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))CaSiO3＋CO2↑，但玻璃没有固定的熔点，E项，Si与HCl不反应。1．下列关于硅的说法中，不正确的是(C)A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，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反应D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应解析：硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属；硅既有金属性，又有非金属性，其导电性也介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下)，但常温下仍能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应。2．下列关于硅酸盐的说法正确的是(D)A．硅酸盐中的阴离子都是SiOeq\o\al(2－,3)B．硅酸盐都难溶于水C．通常用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，说明硅酸盐就是由各种氧化物组成的D．Na2SiO3是一种最简单的硅酸盐，其水溶液可用作黏合剂解析：只有很简单的硅酸盐中的阴离子才是SiOeq\o\al(2－,3)，A错；简单的硅酸盐可溶于水，B错；用氧化物的形式表示硅酸盐的组成是为了简化、直观，并不是说硅酸盐就是由氧化物组成的，C错。3．昆仑玉常用于制作奖牌等纪念品，其主要成分是由“透闪石”和“阳起石”组成的纤维状微晶结合体，其中透闪石的化学成分为Ca2Mg5Si8O22(OH)2。下列有关说法不正确的是(D)A．Ca2Mg5Si8O22(OH)2属于硅酸盐B．昆仑玉是混合物，透闪石中Mg元素与Ca元素的质量比是32C．透闪石的化学性质稳定D．透闪石是一种新型无机非金属材料，易溶于水解析：Ca2Mg5Si8O22(OH)2是硅、氧、氢、钙、镁元素形成的化合物，属于硅酸盐，A项正确；昆仑玉由“透闪石”和“阳起石”等组成，是混合物，透闪石中Mg元素与Ca元素的质量比为(24×5)(40×2)＝32，B项正确；透闪石的化学性质稳定，C项正确；D项，透闪石不易溶于水，D项错误。4．三硅酸镁(Mg2Si3O8·nH2O)难溶于水，在医疗上可作抗酸剂。它除了可以中和胃液中多余的酸之外，生成的H2SiO3还可覆盖在溃疡的表面，缓解刺激。将0.184g三硅酸镁(Mg2Si3O8·nH2O)加入到50mL0.1mol·L－1盐酸中，充分反应后，滤去沉淀，用0.1mol·L－1NaOH溶液滴定剩余的盐酸，消耗NaOH溶液30mL，则n为(A)A．6 B．5C．4 D．3解析：由题意知，三硅酸镁和盐酸充分反应后，剩余的盐酸n(HCl)＝n(NaOH)＝0.003mol。50mL0.1mol·L－1盐酸中含0.005mol溶质，所以与三硅酸镁反应的盐酸为0.002mol。由关系式4HCl～Mg2Si3O8·nH2O知三硅酸镁的物质的量为eq\f(0.002mol,4)＝0.0005mol，三硅酸镁的摩尔质量为eq\f(0.184g,0.0005mol)＝368g·mol－1，则24×2＋28×3＋16×8＋18n＝368，解得n＝6。5．一粗铝样品中含铁和硅两种杂质，取等质量的样品分别投入到足量的盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的氢气，则该粗铝中铁和硅的关系正确的是(C)①物质的量之比为21②物质的量之比为31③质量之比为21④质量之比为41A．②④ B．②③C．①④ D．④解析：将含有杂质铁和硅的粗铝分别投入足量的盐酸和氢氧化钠溶液中，产生氢气。其反应情况如下所示：反应取相同质量的样品，其中由Al反应产生的氢气的量相等，因为反应产生氢气的总量相等，故Si与NaOH溶液反应产生的氢气的量必然等于Fe与盐酸反应产生的氢气的量。解法1：根据化学方程式分析。设反应中Si、Fe反应产生