高中化学必修1学案411单质硅与二氧化硅

第1节硅无机非金属材料第1课时单质硅与二氧化硅[目标导航]1.了解硅和二氧化硅的结构性质和用途。2.了解二氧化硅与二氧化碳有关性质的对比。一、单质硅与半导体材料1．半导体材料(1)特点：特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。(2)实例：最早使用的半导体材料是锗(Ge)，现在最广泛使用的半导体材料是硅。2．硅的存在地壳中硅的含量仅次于氧，硅全部以化合态存在，主要存在形式为二氧化硅和硅酸盐。3．单质硅(1)单质硅有晶体硅和无定形硅(非晶硅)两种。(2)晶体硅的物理性质状态颜色光泽熔点质地导电性固体灰黑色有金属光泽很高硬而脆导体和绝缘体之间(3)化学性质①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、氢氟酸HF、强碱(如NaOH)溶液反应。Si＋2F2=SiF4Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。(4)用途用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等，其合金用于制造变压器铁芯和耐酸设备等。(5)硅的工业制备①制粗硅用焦炭在高温下还原二氧化硅可得粗硅，化学方程式为SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。②粗硅精炼粗硅在高温下与氯气反应生成四氯化硅(液体)，四氯化硅经蒸馏提纯后，再用H2还原，制得高纯度的硅，化学方程式为Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4，SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋4HCl。二、二氧化硅与光导纤维1．二氧化硅(1)存在：SiO2广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称水晶。(2)物理性质状态颜色熔点硬度水溶性晶体无色高大不溶(3)化学性质①具有酸性氧化物的通性：a．常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；b．高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：SiO2＋CaOeq\o(②弱氧化性：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗)＋2CO↑。③特性：与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。此反应常被用来刻蚀玻璃。2．光导纤维(1)主要成分：SiO2。(2)用途：用于通讯、能量传输、信息处理，遥测遥控和医疗器械制造等。【练一练】1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(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)SiO2是酸性氧化物，所以SiO2能与H2O反应生成硅酸()(3)因为SiO2能导电，所以SiO2能用于制造光导纤维()(4)熔融NaOH可用石英坩埚盛放()(5)SiO2晶体是由SiO2分子直接组成的()(6)光导纤维在强碱条件下易发生“断路”()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×(6)√2．下列关于硅及二氧化硅的化学性质的化学方程式书写错误的是()A．硅与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑B．硅与烧碱溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑C．硅与盐酸反应：Si＋4HCl=SiCl4＋2H2↑D．二氧化硅在高温下被C还原：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑答案C解析常温下，硅能与氢氟酸、烧碱溶液反应，但不与盐酸反应。加热或高温条件下能与C、Cl2、O2等发生反应，化学方程式分别为Si＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC、Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4、Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。一、硅及其化合物的特性1．硅的特性(1)一般情况，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，有一定的导电能力。(2)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si却能与HF作用：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＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。(4)非金属单质跟碱液的作用一般既做氧化剂又做还原剂，且无H2放出，但Si与碱液(如NaOH溶液)反应只做还原剂，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，但它不溶于水，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HF作用：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。(4)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))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：H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))SiO2＋H2O。【例1】关于硅的化学性质的叙述中，不正确的是()A．在常温下，不与任何酸反应B．在常温下，可与强碱溶液反应C．在加热条件下，能与氧气、氯气反应D．硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体解析A项，在常温下，Si能与氢氟酸反应，不正确；Si在常温下能与强碱溶液反应，加热条件下也能与Cl2、O2等反应，B、C正确；单质硅有晶体硅和无定形硅两种，D正确。答案A解题反思(1)自然界中存在游离态的碳，却不存在游离态的硅。(2)二氧化硅与焦炭在隔绝空气的条件下制取粗硅时，生成的是CO而不是CO2。(3)硅是唯一一种能与NaOH溶液反应生成氢气的非金属单质。(4)SiO2虽然既能与某些酸反应又能与某些碱反应，但是SiO2是酸性氧化物，不是两性氧化物。SiO2只与HF反应，与其他的酸不反应，这是SiO2的特性。变式训练1科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于做为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列关于硅的说法中正确的是()A．硅的化学性质很稳定，常温下不能与其他物质发生反应B．硅在自然界中的含量很大，自然界中存在大量的单质硅C．高纯度的硅被用于制做计算机芯片D．高纯度的硅常被用来制造光导纤维答案C解析硅的化学性质很稳定，但在常温下能与强碱溶液、HF、F2等反应，A不正确；自然界中硅以化合态形式存在，没有单质硅，B不正确；SiO2用于制造光导纤维，而不是Si，D不正确。二、SiO2与CO2的比较化学式CO2SiO2构成CO2分子硅原子和氧原子按1∶2的比例组成的立体网状结构的晶体，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，不溶于水化学性质与碱溶液2NaOH＋CO2(少量)=Na2CO3＋H2O、NaOH＋CO2(足量)=NaHCO3SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O与水CO2＋H2O=H2CO3不反应与碳C＋CO2eq\o(=,\s\up7(高温))2CO2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑与酸不反应只与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O与碱性氧化物CO2＋CaO=CaCO3SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3与盐Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓CaCO3＋CO2＋H2O=Ca(HCO3)2SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑用途干冰用于人工降雨，合成肥料制饰品、制实验室里的坩埚、制光导纤维特别提醒(1)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，但SiO2不属于两性氧化物而属于酸性氧化物。(2)SiO2和CO2的物理性质差别很大，是由于二者结构上的差别造成的，SiO2是立体网状结构的晶体，不存在SiO2分子，而CO2是由碳、氧原子结合成的分子，微粒间的作用力远小于SiO2。【例2】下列叙述正确的是()A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似B．因为CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物解析CO2和SiO2都是酸性氧化物，和其物理性质无因果关系，CO2熔、沸点低，硬度小，微溶于水，SiO2的熔、沸点高，硬度大，不溶于水。CO2和SiO2的物理性质相差较大，A项不正确；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑，反应进行的原因是因为SiO2沸点高，CO2沸点低，而“较强酸制较弱的酸”是溶液中复分解反应规律，B项不正确；CO2和SiO2都与碳反应，碳作还原剂，CO2和SiO2作氧化剂，C正确；SiO2与HF反应是HF的特性，SiO2不与其他酸反应，故SiO2不属于两性氧化物，D项不正确。答案C解题反思(1)酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸，SiO2不溶于水，不与水反应。(2)酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应，但SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。(3)“较强酸制较弱酸”是复分解反应的规律之一，Na2SiO3溶液中通CO2，反应为Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3，但SiO2在高温下能发生如下反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑。变式训练2下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是()A．CO2、SiO2都能与碱性氧化物反应B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸C．SiO2可用来制作干燥剂，因SiO2可与水反应D．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的答案A1．华裔科学家高锟因“在光学通信领域光在光导纤维中传输的研究方面所取得的开创性成就”获得了诺贝尔物理学奖。光导纤维的主要成分是()A．Si B．SiO2C．Na2SiO3 D．SiCl4答案B解析光导纤维的主要成分为SiO2。2．下列说法中正确的是()A．SiO2溶于水显酸性B．SiO2是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大C．光导纤维导电能力很强，是一种很好的通信材料D．SiO2是一种酸性氧化物，它可以与NaOH溶液反应，但不与任何酸反应答案B解析SiO2不溶于水也不与水反应，A项错误；B正确；光导纤维不导电，C项错误；SiO2是酸性氧化物，能与强碱反应，能与氢氟酸反应，D项错误。3．下列离子方程式书写不正确的是()A．向氢氧化钠溶液中通入过量二氧化碳：CO2＋OH－=HCOeq\o\al(－,3)B．单质硅与氢氟酸反应：Si＋4HF=2H2↑＋SiF4↑C．石英砂与烧碱反应：SiO2＋2OH－=SiOeq\o\al(2－,3)＋H2OD．向Ba(NO3)2溶液中通入二氧化碳：Ba2＋＋CO2＋H2O=BaCO3↓＋2H＋答案D解析BaCO3不能在酸性环境中存在，即CO2与Ba(NO3)2溶液不反应。4．下列说法中，正确的是()A．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的B．CO2、SiO2都是酸性氧化物，不与任何酸反应C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和CaO反应D．CO2、SiO2分别是H2CO3、H2SiO3的酸酐，因而均可与水反应生成相应的酸答案C解析SiO2直接由硅原子、氧原子构成，CO2是由CO2分子构成，A错；SiO2能与氢氟酸反应，B错；CO2、SiO2与CaO反应分别生成CaCO3和CaSiO3，C对；SiO2不溶于水，不能与水反应生成H2SiO3，D错。5．下列说法正确的是()A．粗硅制备时，发生的反应为C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋CO2↑B．自然界中二氧化硅都存在于石英中C．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅D．水晶项链的成分主要是SiO2答案D解析制备粗硅反应产物为CO，不是CO2，A错误；自然界中二氧化硅不都存在于石英中，B错误；硅不与盐酸反应，C错误；D正确。6．硅和二氧化硅具有重要的用途，回答下列问题：(1)含硅材料有广泛用途。例如：工业上制造光导纤维的基本原料是________(填化学式，下同)，目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是________。(2)二氧化硅是酸性氧化物的原因是________(填字母)。A．它溶于水得相应的酸B．它对应的水化物是可溶性酸C．它与强碱溶液反应只生成盐和水D．它是非金属氧化物(3)石英制取硅胶经历以下三步：①用NaOH溶液溶解石英②过滤，向滤液中加入盐酸③蒸干溶液，灼烧残留固体并使固体完全分解。试写出①、②有关离子方程式①________________________________________________________________________，②________________________________________________________________________。试写出③的化学方程式__________________________________________。答案(1)SiO2Si(2)C(3)SiO2＋2OH－=SiOeq\o\al(2－,3)＋H2OSiOeq\o\al(2－,3)＋2H＋=H2SiO3↓H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))H2O＋SiO2分层训练[基础过关]题组一硅的存在与单质硅的性质和用途1．在①浓硝酸②水③浓硫酸④氢氟酸⑤氢氧化钾溶液中，能与单质硅起化学反应的是()A．①② B．②④C．④⑤ D．③④答案C解析硅能与F2、HF、强碱在常温下反应，在加热或高温条件下也能与Cl2、O2、H2发生反应。2．下面几种物质中含有硅单质的是()A．玛瑙 B．光导纤维C．太阳能电池板 D．水晶答案C解析硅用于制太阳能电池板材料，玛瑙是SiO2，水晶和光导纤维的主要成分都是SiO2。3．下列关于硅的叙述正确的是()A．由于硅的化学性质很稳定，故自然界中存在大量的单质硅B．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料，其应用有利于环保、节能C．硅即使在高温下也难与O2等反应D．硅与所有的酸都不反应答案B解析由于硅是亲氧元素，在自然界中全部以化合态存在，A不正确；硅在高温下能与氧气发生反应生成SiO2，C不正确；硅能与氢氟酸反应，所以D不正确。4．我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是()A．自然界存在硅单质的同素异形体，性质较稳定B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵D．晶体硅虽具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电答案C解析硅单质存在同素异形体，但自然界中无单质硅，A错误；晶体硅在常温下可与HF、F2、NaOH溶液反应，B错误；晶体硅虽具有金属光泽，但属于非金属材料，D错误。题组二硅的制备5．制备硅单质时，主要化学反应如下：①SiO2(石英砂)＋2C(焦炭)eq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗硅)＋2CO↑；②Si(粗硅)＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4；③SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(纯硅)＋4HCl，下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是()A．①③为置换反应B．①②③均为氧化还原反应C．②为化合反应D．三个反应的反应物中硅元素均被还原答案D解析①②③均为氧化还原反应，②反应中硅元素被氧化，①、③反应中硅元素被还原。题组三二氧化硅的性质与应用6．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．烧碱溶液 D．饱和食盐水答案B解析能腐蚀玻璃的是氢氟酸。7．常温下，下列不发生反应的一组物质是()①硅与NaOH溶液②硅与盐酸③硅与氢氟酸④二氧化硅与碳酸钠⑤二氧化硅与NaOH溶液⑥二氧化硅与浓硝酸A．①②④ B．③④⑥C．②⑤⑥ D．②④⑥答案D解析①Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑，能反应，故①不选；②硅与盐酸不反应，故②选；③Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，能反应，故③不选；④Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑，常温下两者不反应，故④选；⑤SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O，常温下两者能反应，故⑤不选；⑥二氧化硅与浓硝酸不反应，故⑥选。8．光纤通信是20世纪70年代后期发展起来的一种新型通信技术，目前长距离光纤通信系统已投入使用，光纤通信的光导纤维是由下列哪种物质经特殊工艺制成的()A．碳 B．石英C．锗 D．硅答案B解析光导纤维的主要成分是SiO2，石英的主要成分是SiO2。9．地壳中含量第一和第二的两种元素形成的化合物不具有的性质是()A．熔点很高B．是酸性氧化物，与水反应生成对应的酸C．可与纯碱反应D．与碳在高温下反应可制取两元素中的一种单质答案B解析该化合物为SiO2，SiO2熔点高，A正确；SiO2是酸性氧化物，不与水反应，B不正确；Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑，C正确；SiO2(石英砂)＋2C(焦炭)eq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗硅)＋2CO↑，D正确。10．硅的化合物广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。下列对①～④反应中硅及其化合物所表现的化学性质或作用进行的判断中，正确的是()①Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑②SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC＋2CO↑③Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3④SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2OA．反应①中Si可以置换氢气说明硅是一种金属元素B．反应②中SiO2作氧化剂C．反应③是硅酸钠溶液久置时发生的反应D．反应④中SiO2表现了酸性氧化物的通性答案C解析硅属于非金属元素，与强碱溶液反应生成氢气属于硅的特性，因此A判断错误；反应②中硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅没有参加氧化还原反应，B判断错误；硅酸的酸性比碳酸弱，因而保存时容易吸收空气中的CO2生成硅酸沉淀，故C判断正确；与碱反应生成盐是酸性氧化物的性质，而反应③中二氧化硅是与氢氟酸反应，故D判断错误。[能力提升]11．如何用所提供的试剂和方法除去各粉末状混合物中的杂质(括号内为杂质)。将所选答案的编号填在表中相应的空格内(如果不需要外加试剂，则对应答案栏可空着)。可供选择的试剂：A．盐酸 B．NaOH溶液C．O2D．水可选用的操作：①水洗，②加热，③过滤，④结晶粉末状混合物所选试剂所选操作(1)CaCO3(SiO2)(2)NaCl(SiO2)(3)SiO2(Fe2O3)(4)SiO2(CaCO3)(5)SiO2(Si)(6)SiO2(H2SiO3)答案(1)B③(2)D③④(3)A③(4)A③(5)C②(6)②解析利用杂质与被提纯的物质的物理化学性质不同，选用合适的试剂及正确的操作方法。(1)除去CaCO3中的SiO2可用NaOH溶液，溶解SiO2后再过滤，SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。(2)除去NaCl中的SiO2可先溶于水，再过滤、结晶，因NaCl溶于水而SiO2不溶于水。(3)Fe2O3＋6HCl=2FeCl3＋3H2O。(4)除去SiO2中的CaCO3可用盐酸溶解，然后再过滤。CaCO3＋2HCl=CaCl2＋CO2↑＋H2O。(5)除去SiO2中的Si可用加热法：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。(6)除去SiO2中的H2SiO3可用加热法：H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))H2O＋SiO2。12．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%以上。(1)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为________________________________________________________________________，工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。(2)用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现Na2SiO3的用途可作________的原料。(3)工业上常用2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中有元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氧化剂是________。答案(1)SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O氢氟酸(2)防火剂(3)CSiO2解析(1)SiO2能与NaOH溶液发生反应SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；氢氟酸能与SiO2发生反应SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O，故常用来雕刻玻璃。(2)Na2SiO3的水溶液可用作防火材料。(3)反应2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑中，碳元素化合价升高，硅元素化合价降低，故单质碳作还原剂，SiO2作氧化剂。13．A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转换关系如下所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似