鲁科版 (2019)必修 第二册第3节 元素周期表的应用第3课时学案设计

第3课时　预测元素及其化合物的性质

自主学习

一、根据同周期、同主族元素性质的递变规律预测硅的性质

1．硅元素的原子结构及性质分析

2.化学性质验证

(1)单质硅的化学性质

①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF、强碱(如NaOH)溶液反应。

Si＋      F2===      ，

Si＋      HF===      ，

Si＋2NaOH＋H2O===      。

②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。

Si＋O2      。

(2)SiO2的化学性质

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===      ；

b．高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：

SiO2＋CaO      。

②弱氧化性：SiO2＋2C      。

③特性：与氢氟酸(HF)反应：

SiO2＋      HF===      。

此反应常被用来刻蚀      。

(3)H2SiO3的化学性质。

H2SiO3是一种弱酸，具有酸的性质，但是酸性比碳酸的弱。

二、元素周期表的应用

1．科学预测：根据元素在周期表中的位置，推测元素的原子结构，预测其主要性质。

2．在生产生活中的应用

在      的交界处寻找半导体材料。在      中寻找优良的催化剂。对      等非金属区域研究，生产新型农药等。

1．判断下列说法是否正确。

(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)硅单质不与任何酸发生化学反应。(　 　)

(3)SiO2是酸性氧化物，所以SiO2能与H2O反应生成硅酸。(　 　)

(4)因为SiO2能导电，所以SiO2能用于制造光导纤维。(　 　)

2．教材里提到二氧化硅是一种酸性氧化物，能够和碱反应，还能够和氢氟酸反应，请写出对应的化学方程式。

3．人工合成氨是科学史上的里程碑之一。一百多年来，工业合成氨需要高温高压的苛刻条件，而自然界的生物固氮是在常温常压下进行的。因此高效的人工模拟生物固氮成为催化科学领域的圣杯。

若要研制新型的高效催化剂，应该在元素周期表的什么位置寻找合适的元素？

合作探究

硅及其化合物的特性

材料一：当你漫步在海岸、河边，看到那些洁净的沙粒，你未必会注意它。常言道：“沙里淘金”。可是历来人们总是毫不可惜地把沙子丢弃。但你是否知道，沙子里面还含有一种比金子有用得多的元素呢？这就是硅，如果说碳是有机世界的“主角”，那么，无机世界的“主角”该算是硅了。

材料二：硅是地壳中含量居第二位的元素，仅次于氧。在地壳中，绝大部分的硅是以二氧化硅的形式存在的，大部分岩石和砂子中都含有二氧化硅。

硅的制备与提纯

(1)硅的制备与提纯可以用如下过程来进行，写出相关的化学反应方程式。

(2)上述过程涉及的基本反应类型有哪些？

二氧化硅的性质

(1)二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟碱反应，请用化学方程式表示该性质。

(2)如何证明碳的非金属性强于硅？举例说明。

1．硅的特性

(1)一般情况下，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反应，但Si却能与HF反应：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＋2CSi＋2CO↑。

(4)非金属单质跟碱液的作用一般非金属单质既作氧化剂又作还原剂，且无H2放出，但Si与碱液(如NaOH溶液)反应只作还原剂，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＋SiO2Na2SiO3＋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：H2SiO3SiO2＋H2O↑。

思考讨论:

(1)根据反应SiO2＋Na2CO3CO2↑＋Na2SiO3，能判断硅酸的酸性比碳酸强吗？为什么？

(2)教材中描述“硅酸可以由硅酸钠与盐酸、硫酸等反应制得”则将少量CO2通入Na2SiO3溶液会发生反应吗？为什么？

【典例】硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下列关于硅的叙述中，正确的是(　　)

A．硅的非金属性比碳强，只有在高温下才能与氢气发生化合反应

B．硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位

C．硅的化学性质不活泼，在自然界中可以以游离态存在

D．硅在电子工业中，是重要的半导体材料

上题C中，如何制备单质硅？制得的硅中可能含有哪些杂质？如何提纯？(关键能力——分析与推测)

1．在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。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

2．下列说法错误的是(　　)

A．硅是制造太阳能电池的常用材料

B．二氧化硅是制造光导纤维的材料

C．常温下硅性质活泼，可以与氯气、强酸、强碱溶液等反应

D硅的最外层电子数是最内层电子数的二倍

【拔高题组】

1．光缆的主要成分为SiO2。碳和硅均为第ⅣA族的元素，二者性质既有一定的相似性又有一定的递变性。下列关于SiO2和CO2的说法中，正确的是(　　)

A．CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸

B．SiO2与CO2都不能与酸反应

C．SiO2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

2．有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，下列关于其有利因素的说法中，你认为不正确的是(　　)

A．硅便于运输、贮存，从安全的角度考虑，硅是最佳的燃料

B．自然界中存在大量的单质硅

C．硅燃烧放出的热量多，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制

D．地壳中硅的储量丰富

在食品或者鞋子等包装盒中往往会加入变色硅胶的包装袋，以防商品受潮。变色硅胶吸水前后的颜色变化如图所示：

硅胶和石英的主要成分都是SiO2，前者是结构疏松的SiO2，后者是结构致密的SiO2。二者成分相同，结构不同，化学性质相同，物理性质上表现出差别，具有不同的用途。由石英制取硅胶，经历以下三步，试写出每步反应的化学方程式。

(1)用NaOH(aq)溶解石英，则溶解过程中石英发生了哪些反应？

(2)过滤，向滤液中加入盐酸，至沉淀不再产生，此过程中发生了哪些反应？

(3)微热，浓缩硅酸溶液，加热蒸干溶液，并使固体完全分解，加热蒸干后固体物质的成分是什么？中间发生了什么变化？

预测元素性质的基本方法

　材料一：古诗云：“唯有儿时不可忘，持艾簪蒲额头王。”该诗句描述了端午节孩子们拿了艾叶，戴上菖蒲，额头上用雄黄酒写了“王”字的情景。把雄黄酒洒在墙角、床底等处，可以驱虫，清洁环境。雄黄是一种矿物质，俗称“鸡冠石”，其主要成分是四硫化四砷，As位于元素周期表第ⅤA族，第ⅥA族元素Se在生活中也有广泛应用。

材料二：砷是灰色的晶体， 砷形成的化合物，大多都是有毒的。比如，在古代时，很多地方都有这样一个习俗，人们清扫了房屋之后，常常要往酒中放些雄黄，喷洒在屋脚墙缝里。这是为什么呢？原来这样可以杀死各种害虫，赶走蛇鼠。砷还有一种重要化合物，人们把它称做砒霜。谁都知道，砒霜是剧烈的毒药。我国有句成语叫“饮鸩止渴”，意思是自取灭亡。这“鸩酒”，就是指放了砒霜的酒。

推测“位—构—性”关系

(1)已知砷的原子序数是33，推测其在元素周期表中的位置。

(2)写出As的氢化物的化学式，预测其还原性与NH3的大小关系。

(3)你能比较砷的原子半径和磷的原子半径的大小吗？

掌握“位—构—性”关系的应用

(1)砷元素的最高价态是多少？试比较As、Se的氢化物哪个热稳定性强。

(2)砷化氢和溴化氢相比谁的稳定性更强？

(3)砷酸的酸性比硫酸的弱，这种说法是否正确？

1．由原子序数确定元素位置的规律：

只要记住了稀有气体元素的原子序数(He—2、Ne—10、Ar—18、Kr—36、Xe—54、Rn—86)，就可由主族元素的原子序数推出主族元素的位置。

(1)若比相应的稀有气体元素多1或2，则应处在下周期的第ⅠA族或第ⅡA族，如88号元素：88－86＝2，则应在第7周期ⅡA族；

(2)若比相应的稀有气体元素少1～5时，则应处在同周期的第ⅦA族～第ⅢA族，如84号元素应在第6周期第ⅥA族；

2．性质与位置互推问题是解题的关键：

熟悉元素周期表中同周期、同主族元素性质的递变规律，主要包括：

(1)元素的金属性、非金属性。

(2)气态氢化物的稳定性。

(3)最高价氧化物对应水化物的酸碱性。

(4)金属与H2O或酸反应的难易程度。

3．结构和性质的互推问题是解题的要素：

(1)最外层电子数是决定元素原子的氧化性和还原性的主要原因。

(2)原子半径决定了元素单质的性质；离子半径决定了元素组成化合物的性质。

(3)同主族元素最外层电子数相同，性质相似。

【典例】锗(Ge)是第四周期第ⅣA族元素，门捷列夫把它命名为类硅，处于周期表中金属区与非金属区的交界线上，用于制造晶体管及各种电子装置。主要的终端应用为光纤系统与红外线光学，也用于聚合反应的催化剂，电子用途与太阳能电力等。铜矿、铁矿、硫化矿以至岩石、泥土和泉水中都含有微量的锗。

下列叙述正确的是(　　)

A．锗是一种金属性很强的元素

B．锗的单质具有半导体的性能

C．锗化氢(GeH4)稳定性很强

D．锗酸(H4GeO4)是难溶于水的强酸

(1)写出锗在元素周期表中的位置。(关键能力——分析与推测)

(2)已知锗的性质与铝相似，请写出二氧化锗与盐酸、氢氧化钠溶液反应的化学方程式。(关键能力——理解与辨析)

(2021·南京高一检测)对于ⅣA族元素，下列叙述中不正确的是(　　)

A．CO2在常温下是气体，SiO2在常温下是固体　

B．C、Si、Ge的最外层电子数都是4，次外层电子数都是8

C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应

D．该族元素的主要化合价是＋4和＋2

【拔高题组】

1．(2021·西宁高一检测)已知15P、33As位于同一主族。下列关系正确的是(　　)

A．原子半径：As＞Cl＞P

B．非金属性：Cl＞S＞As

C．热稳定性：HCl＞AsH3＞PH3

D．酸性：H3AsO4＞H2SO4＞H3PO4

2．(2021·芜湖高一检测)碲(Te)是与O、S同族的元素，位于第五周期。据此，推断碲的相关性质错误的是(　　)

A．碲的单质在常温下是固态

B．碲的常见化合价是－2、＋4、＋6

C．碲可能作半导体材料

D．碲的氢化物H2Te很稳定

镓是1871年俄国化学家门捷列夫在编制元素周期表时曾预言的“类铝”元素。镓的原子序数为31，属ⅢA族。镓的熔点为29.78 ℃，沸点高达2 403 ℃。镓有过冷现象(即冷至熔点下不凝固)，它可过冷到－120 ℃。

由此判断下列有关镓的性质及其用途的叙述不正确的是________。

①镓是制造高温温度计的上佳材料

②镓能溶于强酸和强碱中

③镓与锌、锡、铟等金属制成的合金，可用在自动救火的水龙头中

④近年来镓成为电子工业的新宠，其主要用途是制造半导体材料，被誉为“半导体家族的新成员”，这是利用了镓的导电性介于导体和绝缘体之间的性质

课堂测评

1．(水平1)现在含有生命元素硒(Se)的保健品已经进入市场，已知硒与氧同族，与钾同周期，则下列关于硒的叙述中正确的是(　　)

A．硒单质在常温下是固体

B．硒的气态氢化物稳定性比H2O强

C．硒是金属元素

D．硒酸(H2SeO4)的酸性比硫酸强

补偿训练:

碲(Te)是52号元素，位于周期表中ⅥA族，处于金属区与非金属区的交界线上。下列叙述中错误的是(　　)

A．碲的单质具有半导体的性能

B．碲化氢(H2Te)比H2S更稳定

C．碲可在空气中燃烧生成二氧化碲(TeO2)

D．H2TeO4的酸性比H2SO4弱

2．(双选)下列说法正确的是(　　)

A．二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟碱反应，但不能与任何酸反应

B．根据SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑的反应，可推知硅酸酸性比碳酸酸性强

C．二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸

D．二氧化硅可以制取光导纤维

3．(水平2)借助碱金属和卤族元素的递变性分析下面的推断，其中正确的是(　　)

A．已知Ca是第四周期ⅡA族的元素，故Ca(OH)2的碱性比Mg(OH)2的碱性弱

B．已知As是第四周期ⅤA族的元素，故AsH3的稳定性比NH3的稳定性强

C．已知Cs的原子半径比Na的原子半径大，故Cs与水反应不如Na与水反应剧烈

D．已知Cl的核电荷数比F的核电荷数多，故Cl的原子半径比F的原子半径大

4．(水平1)指出下列反应中二氧化硅所表现的化学性质或作用，在选项中选择正确的答案填入括号内。

①SiO2＋ 2NaOH===Na2SiO3＋H2O(　　)

②SiO2＋ Na2CO3Na2SiO3＋ CO2↑(　　)

③SiO2＋2CSi＋2CO↑(　　)

④SiO2＋3CSiC＋2CO↑(　　)

⑤SiO2＋4HF===SiF4＋2H2O(　　)

A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀

B．氧化性

C．酸性氧化物的通性

D．将挥发性的酸酐从其盐中“置换”出来

E．未参加氧化还原反应