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人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料学案
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这是一份人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料学案，共10页。学案主要包含了学习目标，自主预习，效果检测，合作探究，核心归纳，典型例题，随堂检测等内容，欢迎下载使用。
1.通过查阅资料,了解传统无机非金属材料的原料、成分,认识无机非金属材料在生产中的应用。
2.通过硅、二氧化硅的结构及性质的学习,认识硅单质、二氧化硅在生产中的应用。
3.通过新型无机非金属材料的学习,认识新型无机非金属材料在生产中的应用。
【自主预习】
一、硅酸盐材料
许多无机非金属材料含有 等元素,具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点,以及特殊的 、 等性能。
1.硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了 ,Si在中心,O在四面体的4个顶角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接。其结构示意图为。
2.硅酸盐材料
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在与结构
(2)单质硅的制备
(3)硅和二氧化硅的用途
①硅晶体的导电性介于 和 之间,是重要的 ,应用于电子工业。
②光导纤维的主要成分为 ,光导纤维的通信容量大,抗干扰性能好,传输的信号不易衰减,能有效提高通信效率。
2.新型陶瓷
新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系,在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
3.碳纳米材料
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
【答案】
一、硅、氧 光学 电学
1.硅氧四面体
2.黏土 纯碱、石灰石、石英砂
二、1.(1)第三周期第ⅣA族
(2)SiO2+2CSi(粗)+2CO↑
Si(粗)+3HClSiHCl3+H2
SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl
(3)①导体 绝缘体 半导体材料 ②二氧化硅
3.C60 石墨 复合材料
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。( )
(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。( )
(3)汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏土。( )
(4)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐。( )
(5)光电池可以将光能直接转化为电能。( )
(6)Si是太阳能电池和光导纤维的主要成分。( )
(7)碳化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温陶瓷和轴承。( )
(8)石墨烯属于有机化合物。( )
【答案】(1)√ (2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)× (7)√ (8)×
2.下列含硅物质:①硅酸钙CaSiO3,②长石KAlSi3O8,③石棉CaMg3Si4O12,它们在组成上有什么相同点?
【答案】都是由硅、氧和金属元素组成的化合物,共同的物质类别是硅酸盐。
3.下列哪些材料是新型无机非金属材料?
①氧化铝陶瓷 ②氮化硅陶瓷 ③碳化硅陶瓷
④氮化铝陶瓷 ⑤氮化钛陶瓷 ⑥硅化硼陶瓷
⑦二硅化铜陶瓷
【答案】①②③④⑤⑥⑦。
【合作探究】
任务1 硅酸盐材料
情境导入 下图是常见的硅酸盐产品:
问题生成
1.请指明各图中展示的硅酸盐产品所属的类别。它们都是混合物吗?
【答案】图1、2属于陶瓷,图3属于水泥,图4属于玻璃。它们都是混合物。
2.上述所涉及的物质中,“含有的同一元素”是什么元素?
【答案】硅、氧元素。
3.硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”,主要运用于哪些方面?
【答案】建筑行业的一种黏合剂,用水玻璃浸泡的木材、纺织品既耐腐蚀又不易着火。
4.Na2SiO3溶液放置在空气中会发生何种变化?如何保存Na2SiO3溶液?
【答案】Na2SiO3+H2O+CO2H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2H2O+2CO2H2SiO3↓+2NaHCO3。Na2SiO3溶液应密封保存在带橡胶塞的试剂瓶中。
5.现代工业制玻璃时除了用纯碱、石英之外,还用到了石灰石。试写出反应的化学方程式。
【答案】Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。
【核心归纳】
1.关于玻璃的认识
(1)制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。制得的玻璃是混合物,没有固定的熔点。
(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。
(3)常见玻璃种类
2.关于水泥的认识
(1)水泥具有吸水性,在空气中因吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质,因此变硬的水泥不能使用。
(2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放出CO2。
【典型例题】
【例1】下列关于硅酸盐的叙述中正确的是( )。
①大部分硅酸盐难溶于水 ②硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分 ③硅酸盐是由氧化物组成的一类盐,能够稳定存在
A.①B.①②C.②③D.③
【答案】B
【解析】硅元素在地壳中含量居第二位,主要以硅酸盐和氧化物的形式稳定存在,是构成地壳岩石的主要成分,其结构复杂。
【例2】《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙粘土而为之”“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”“浇水转泑(主要为青色)与造砖同法”。下列说法错误的是( )。
A.沙子和粘土的主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”使粘土发生了复杂的物理和化学变化
C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦
D.粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
【答案】A
【解析】沙子的主要成分为二氧化硅,二氧化硅是氧化物,不属于硅酸盐,A项错误;粘土烧制成瓦的过程中发生了复杂的物理和化学变化,B项正确;由“浇水转泑(主要为青色)与造砖同法”可知,C项正确;粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料,D项正确。
【合作探究】
任务2 新型无机非金属材料
情境导入 材料是人类生存和发展的物质基础,人类使用的材料除了金属材料,还有无机非金属材料,材料的发展史就是一部人类文明史。没有感光材料,我们就无法留下青春的回忆;没有特殊的荧光材料,就没有彩色电视;没有高纯的单晶硅,就没有今天的电脑;没有特殊的新型材料,火箭就无法上天,卫星就无法工作。科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约,一种新材料的发现可能会给社会带来革命性的变化。新材料的不断涌现,旧材料功能的不断拓展,才使我们的世界日新月异,奔腾向前。你知道半导体材料和光导纤维的成分吗?
问题生成
1.二氧化硅是一种酸性氧化物。实验室中要熔化烧碱固体,现有三种坩埚:石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚,你认为应该选哪一种?简述选择的依据。
【答案】选择铁坩埚。铁不与烧碱(NaOH)反应,而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2,能与NaOH反应,使得坩埚受损。
2.工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅,由此能否说明碳的还原性强于硅?
【答案】不能。因为比较物质氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,题述反应是在高温条件下发生的,所以不能比较碳和硅的还原性强弱。
3.盛NaOH溶液的试剂瓶一般是带有橡胶塞的玻璃瓶,你知道这是为什么吗?
【答案】试剂瓶的瓶塞一般是毛玻璃,易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开,所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是带有橡胶塞的玻璃瓶。
4.SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗?
【答案】SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。
【核心归纳】
1.硅的化学性质
(1)在常温下不活泼,但能与氢氟酸反应:Si+4HFSiF4↑+2H2↑。
(2)加热条件下能与O2、Cl2等反应:Si+O2SiO2;Si+2Cl2SiCl4。
2.二氧化碳与二氧化硅的性质比较
【典型例题】
【例3】下列叙述正确的是( )。
A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以两者的物理性质相似
B.因为CaCO3+SiO2CaSiO3+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
【答案】C
【解析】CO2和SiO2都是酸性氧化物,化学性质相似,但物理性质差别很大,A项错误;硅酸的酸性比H2CO3弱,反应之所以能发生,是因为CO2为气体,可以脱离反应体系,B项错误;CO2和SiO2与C反应时都作氧化剂,C项正确;SiO2与HF反应时生成的SiF4不是盐,所以SiO2不是两性氧化物,D项错误。
【例4】纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是( )。
A.X可用作木材防火剂
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4H2SiO3↓+Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替
D.步骤Ⅲ若在实验室完成,一般在蒸发皿中进行
【答案】D
【解析】分析流程图可知,反应Ⅰ为SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O,反应Ⅱ为Na2SiO3+H2SO4 H2SiO3↓+Na2SO4,反应Ⅲ为H2SiO3SiO2+H2O。X为硅酸钠溶液,可用作木材防火剂,A项正确;步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4H2SiO3↓+Na2SO4,B项正确;碳酸的酸性比硅酸强,故步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替,C项正确;步骤Ⅲ为硅酸固体的灼烧,若在实验室完成,一般在坩埚中进行,D项错误。
【随堂检测】
1.下列物质中,按某分类标准能与玻璃、水泥、陶瓷归为一类的是( )。
A.砖瓦B.光导纤维
C.水玻璃D.晶体硅
【答案】A
【解析】玻璃、水泥、陶瓷和砖瓦都是传统的硅酸盐产品。光导纤维的主要成分是二氧化硅,水玻璃是硅酸钠的水溶液,A项符合题意。
2. “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、耐高温
D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
【答案】C
【解析】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、耐高温,C项正确;沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐,D项错误。
3.对于反应SiO2+3CSiC+2CO↑,下列有关叙述正确的是( )。
A.反应中SiO2是氧化剂,C是还原剂
B.硅元素被还原,碳元素被氧化
C.在反应中C既是氧化剂又是还原剂
D.在反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
【答案】C
【解析】Si元素与O元素的化合价没有发生变化,SiO2既不是氧化剂也不是还原剂,C元素化合价既升高又降低,故C既是氧化剂又是还原剂,A、B两项错误,C项正确;C既是氧化剂又是还原剂,由方程式可知,3 ml C参加反应,有2 ml被氧化,1 ml被还原,则在反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2,D项错误。
4.下列关于硅的叙述,不正确的是( )。
A.硅是非金属元素,晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体
B.硅单质的导电性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,在常温下不与任何物质反应
D.当加热到一定温度时,硅能与氧气、氢气等非金属单质反应
【答案】C
【解析】A项,晶体硅的结构与金刚石类似,它是灰黑色有金属光泽的非金属固体,正确;B项,硅在元素周期表中处于金属和非金属的分界线附近,所以硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,正确;C项,硅的化学性质不活泼,但是在常温下能与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和氢气,不正确;D项,加热和高温条件下,硅能与氧气、氢气等非金属单质反应,正确。
5.(创新题)世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋混凝土、7000多块铝板和1200多块玻璃等建成。
(1)生产硅酸盐产品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是 。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为 。
由化学方程式 (填“能”或“不能”)判断出酸性:H2SiO3>H2CO3。
(2)作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
①硅酸钠在空气中易与二氧化碳和水反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,写出其反应的离子方程式: 。
由此得出酸性:H2SiO3 (填“>”或“<”)H2CO3。
②写出硅酸钠和盐酸反应的离子方程式: 。
(3)博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑),婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法正确的是 (填字母)。
A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B.高岭土为含水的铝硅酸盐
C.n=3
D.我国在新石器时代已能烧制陶器
【答案】(1)石灰石 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑、Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑ 不能
(2)①SiO32-+CO2+H2OH2SiO3↓+CO32- <
②SiO32-+2H+H2SiO3↓
(3)ABD
【解析】(3)根据化合物中正负化合价代数和为0的原则:n×(+3)+2×(+4)+5×(-2)+4×(-1)=0,解得n=2,C项错误。产品
原料
主要设备
主要成分
用途
陶瓷
—
硅酸盐
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃
(普通)
玻璃窑
Na2SiO3、
CaSiO3、
SiO2
生产建筑材料、光学仪器、各种器皿,还可制造玻璃纤维
水泥
石灰石、黏土、适量石膏
水泥回转窑
硅酸盐
建筑和水利工程
存在
原子结构
示意图
周期表
中位置
含量
存在形态
地壳中居第二位
氧化物和硅酸盐
类型
组成
性能
用途
高温结
构陶瓷
碳化硅(俗称金刚砂)、氮化硅或某些金属氧化物
耐高温、抗氧化、耐磨蚀等
火箭或汽车的发动机、高温电极材料
压电
陶瓷
钛酸盐和锆酸盐等
实现机械能与电能的相互转化
滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明
陶瓷
氧化铝、氧化钇或氮化铝、氟化钙
具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好
高压钠灯、激光器和高温探测窗等
超导
陶瓷
—
在某一临界温度下电阻为零,具有超导性
电力、交通、医疗等领域
结构特点
应用
富勒烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称
代表物 开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳
米管
由 片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径
生产 、电池和传感器等
石墨烯
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
玻璃种类
性能
用途
含铅的光学玻璃
透光性好,折射率高
制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜
加入硼酸盐的玻璃
耐化学腐蚀、耐温度急剧变化
制实验玻璃仪器
加入金属氧化物或盐得到的彩色玻璃
具有多种颜色
建筑、装饰
物质
二氧化硅
二氧化碳
存在
存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中
空气中,燃料的燃烧产物
物理性质
固体,难溶于水,熔、沸点高,硬度大
通常情况下为无色无味气体,密度比空气大
①与水反应
不反应
CO2+H2OH2CO3
②与酸反应
只与氢氟酸反应
SiO2+4HFSiF4↑+2H2O
不反应
③与碱液(NaOH)反应
SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O
(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)
CO2+2NaOHNa2CO3+H2O或CO2+NaOHNaHCO3
④与碱性
氧化物反应
如与CaO反应:
SiO2+CaOCaSiO3
如与Na2O反应:
CO2+Na2ONa2CO3
⑤与碳反应
SiO2+2CSi+2CO↑
CO2+C2CO
用途
制饰品、坩埚、光导纤维
干冰用于人工降雨
1.通过查阅资料,了解传统无机非金属材料的原料、成分,认识无机非金属材料在生产中的应用。
2.通过硅、二氧化硅的结构及性质的学习,认识硅单质、二氧化硅在生产中的应用。
3.通过新型无机非金属材料的学习,认识新型无机非金属材料在生产中的应用。
【自主预习】
一、硅酸盐材料
许多无机非金属材料含有 等元素,具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点,以及特殊的 、 等性能。
1.硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了 ,Si在中心,O在四面体的4个顶角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接。其结构示意图为。
2.硅酸盐材料
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在与结构
(2)单质硅的制备
(3)硅和二氧化硅的用途
①硅晶体的导电性介于 和 之间,是重要的 ,应用于电子工业。
②光导纤维的主要成分为 ,光导纤维的通信容量大,抗干扰性能好,传输的信号不易衰减,能有效提高通信效率。
2.新型陶瓷
新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系,在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
3.碳纳米材料
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
【答案】
一、硅、氧 光学 电学
1.硅氧四面体
2.黏土 纯碱、石灰石、石英砂
二、1.(1)第三周期第ⅣA族
(2)SiO2+2CSi(粗)+2CO↑
Si(粗)+3HClSiHCl3+H2
SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl
(3)①导体 绝缘体 半导体材料 ②二氧化硅
3.C60 石墨 复合材料
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。( )
(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。( )
(3)汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏土。( )
(4)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐。( )
(5)光电池可以将光能直接转化为电能。( )
(6)Si是太阳能电池和光导纤维的主要成分。( )
(7)碳化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温陶瓷和轴承。( )
(8)石墨烯属于有机化合物。( )
【答案】(1)√ (2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)× (7)√ (8)×
2.下列含硅物质:①硅酸钙CaSiO3,②长石KAlSi3O8,③石棉CaMg3Si4O12,它们在组成上有什么相同点?
【答案】都是由硅、氧和金属元素组成的化合物,共同的物质类别是硅酸盐。
3.下列哪些材料是新型无机非金属材料?
①氧化铝陶瓷 ②氮化硅陶瓷 ③碳化硅陶瓷
④氮化铝陶瓷 ⑤氮化钛陶瓷 ⑥硅化硼陶瓷
⑦二硅化铜陶瓷
【答案】①②③④⑤⑥⑦。
【合作探究】
任务1 硅酸盐材料
情境导入 下图是常见的硅酸盐产品:
问题生成
1.请指明各图中展示的硅酸盐产品所属的类别。它们都是混合物吗?
【答案】图1、2属于陶瓷,图3属于水泥,图4属于玻璃。它们都是混合物。
2.上述所涉及的物质中,“含有的同一元素”是什么元素?
【答案】硅、氧元素。
3.硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”,主要运用于哪些方面?
【答案】建筑行业的一种黏合剂,用水玻璃浸泡的木材、纺织品既耐腐蚀又不易着火。
4.Na2SiO3溶液放置在空气中会发生何种变化?如何保存Na2SiO3溶液?
【答案】Na2SiO3+H2O+CO2H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2H2O+2CO2H2SiO3↓+2NaHCO3。Na2SiO3溶液应密封保存在带橡胶塞的试剂瓶中。
5.现代工业制玻璃时除了用纯碱、石英之外,还用到了石灰石。试写出反应的化学方程式。
【答案】Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。
【核心归纳】
1.关于玻璃的认识
(1)制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。制得的玻璃是混合物,没有固定的熔点。
(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。
(3)常见玻璃种类
2.关于水泥的认识
(1)水泥具有吸水性,在空气中因吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质,因此变硬的水泥不能使用。
(2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放出CO2。
【典型例题】
【例1】下列关于硅酸盐的叙述中正确的是( )。
①大部分硅酸盐难溶于水 ②硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分 ③硅酸盐是由氧化物组成的一类盐,能够稳定存在
A.①B.①②C.②③D.③
【答案】B
【解析】硅元素在地壳中含量居第二位,主要以硅酸盐和氧化物的形式稳定存在,是构成地壳岩石的主要成分,其结构复杂。
【例2】《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙粘土而为之”“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”“浇水转泑(主要为青色)与造砖同法”。下列说法错误的是( )。
A.沙子和粘土的主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”使粘土发生了复杂的物理和化学变化
C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦
D.粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
【答案】A
【解析】沙子的主要成分为二氧化硅,二氧化硅是氧化物,不属于硅酸盐,A项错误;粘土烧制成瓦的过程中发生了复杂的物理和化学变化,B项正确;由“浇水转泑(主要为青色)与造砖同法”可知,C项正确;粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料,D项正确。
【合作探究】
任务2 新型无机非金属材料
情境导入 材料是人类生存和发展的物质基础,人类使用的材料除了金属材料,还有无机非金属材料,材料的发展史就是一部人类文明史。没有感光材料,我们就无法留下青春的回忆;没有特殊的荧光材料,就没有彩色电视;没有高纯的单晶硅,就没有今天的电脑;没有特殊的新型材料,火箭就无法上天,卫星就无法工作。科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约,一种新材料的发现可能会给社会带来革命性的变化。新材料的不断涌现,旧材料功能的不断拓展,才使我们的世界日新月异,奔腾向前。你知道半导体材料和光导纤维的成分吗?
问题生成
1.二氧化硅是一种酸性氧化物。实验室中要熔化烧碱固体,现有三种坩埚:石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚,你认为应该选哪一种?简述选择的依据。
【答案】选择铁坩埚。铁不与烧碱(NaOH)反应,而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2,能与NaOH反应,使得坩埚受损。
2.工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅,由此能否说明碳的还原性强于硅?
【答案】不能。因为比较物质氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,题述反应是在高温条件下发生的,所以不能比较碳和硅的还原性强弱。
3.盛NaOH溶液的试剂瓶一般是带有橡胶塞的玻璃瓶,你知道这是为什么吗?
【答案】试剂瓶的瓶塞一般是毛玻璃,易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开,所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是带有橡胶塞的玻璃瓶。
4.SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗?
【答案】SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。
【核心归纳】
1.硅的化学性质
(1)在常温下不活泼,但能与氢氟酸反应:Si+4HFSiF4↑+2H2↑。
(2)加热条件下能与O2、Cl2等反应:Si+O2SiO2;Si+2Cl2SiCl4。
2.二氧化碳与二氧化硅的性质比较
【典型例题】
【例3】下列叙述正确的是( )。
A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以两者的物理性质相似
B.因为CaCO3+SiO2CaSiO3+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
【答案】C
【解析】CO2和SiO2都是酸性氧化物,化学性质相似,但物理性质差别很大,A项错误;硅酸的酸性比H2CO3弱,反应之所以能发生,是因为CO2为气体,可以脱离反应体系,B项错误;CO2和SiO2与C反应时都作氧化剂,C项正确;SiO2与HF反应时生成的SiF4不是盐,所以SiO2不是两性氧化物,D项错误。
【例4】纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是( )。
A.X可用作木材防火剂
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4H2SiO3↓+Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替
D.步骤Ⅲ若在实验室完成,一般在蒸发皿中进行
【答案】D
【解析】分析流程图可知,反应Ⅰ为SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O,反应Ⅱ为Na2SiO3+H2SO4 H2SiO3↓+Na2SO4,反应Ⅲ为H2SiO3SiO2+H2O。X为硅酸钠溶液,可用作木材防火剂,A项正确;步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4H2SiO3↓+Na2SO4,B项正确;碳酸的酸性比硅酸强,故步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替,C项正确;步骤Ⅲ为硅酸固体的灼烧,若在实验室完成,一般在坩埚中进行,D项错误。
【随堂检测】
1.下列物质中,按某分类标准能与玻璃、水泥、陶瓷归为一类的是( )。
A.砖瓦B.光导纤维
C.水玻璃D.晶体硅
【答案】A
【解析】玻璃、水泥、陶瓷和砖瓦都是传统的硅酸盐产品。光导纤维的主要成分是二氧化硅,水玻璃是硅酸钠的水溶液,A项符合题意。
2. “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、耐高温
D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
【答案】C
【解析】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、耐高温,C项正确;沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐,D项错误。
3.对于反应SiO2+3CSiC+2CO↑,下列有关叙述正确的是( )。
A.反应中SiO2是氧化剂,C是还原剂
B.硅元素被还原,碳元素被氧化
C.在反应中C既是氧化剂又是还原剂
D.在反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
【答案】C
【解析】Si元素与O元素的化合价没有发生变化,SiO2既不是氧化剂也不是还原剂,C元素化合价既升高又降低,故C既是氧化剂又是还原剂,A、B两项错误,C项正确;C既是氧化剂又是还原剂,由方程式可知,3 ml C参加反应,有2 ml被氧化,1 ml被还原,则在反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2,D项错误。
4.下列关于硅的叙述,不正确的是( )。
A.硅是非金属元素,晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体
B.硅单质的导电性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,在常温下不与任何物质反应
D.当加热到一定温度时,硅能与氧气、氢气等非金属单质反应
【答案】C
【解析】A项,晶体硅的结构与金刚石类似,它是灰黑色有金属光泽的非金属固体,正确;B项,硅在元素周期表中处于金属和非金属的分界线附近,所以硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,正确;C项,硅的化学性质不活泼,但是在常温下能与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和氢气,不正确;D项,加热和高温条件下,硅能与氧气、氢气等非金属单质反应,正确。
5.(创新题)世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋混凝土、7000多块铝板和1200多块玻璃等建成。
(1)生产硅酸盐产品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是 。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为 。
由化学方程式 (填“能”或“不能”)判断出酸性:H2SiO3>H2CO3。
(2)作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
①硅酸钠在空气中易与二氧化碳和水反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,写出其反应的离子方程式: 。
由此得出酸性:H2SiO3 (填“>”或“<”)H2CO3。
②写出硅酸钠和盐酸反应的离子方程式: 。
(3)博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑),婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法正确的是 (填字母)。
A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B.高岭土为含水的铝硅酸盐
C.n=3
D.我国在新石器时代已能烧制陶器
【答案】(1)石灰石 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑、Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑ 不能
(2)①SiO32-+CO2+H2OH2SiO3↓+CO32- <
②SiO32-+2H+H2SiO3↓
(3)ABD
【解析】(3)根据化合物中正负化合价代数和为0的原则:n×(+3)+2×(+4)+5×(-2)+4×(-1)=0,解得n=2,C项错误。产品
原料
主要设备
主要成分
用途
陶瓷
—
硅酸盐
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃
(普通)
玻璃窑
Na2SiO3、
CaSiO3、
SiO2
生产建筑材料、光学仪器、各种器皿,还可制造玻璃纤维
水泥
石灰石、黏土、适量石膏
水泥回转窑
硅酸盐
建筑和水利工程
存在
原子结构
示意图
周期表
中位置
含量
存在形态
地壳中居第二位
氧化物和硅酸盐
类型
组成
性能
用途
高温结
构陶瓷
碳化硅(俗称金刚砂)、氮化硅或某些金属氧化物
耐高温、抗氧化、耐磨蚀等
火箭或汽车的发动机、高温电极材料
压电
陶瓷
钛酸盐和锆酸盐等
实现机械能与电能的相互转化
滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明
陶瓷
氧化铝、氧化钇或氮化铝、氟化钙
具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好
高压钠灯、激光器和高温探测窗等
超导
陶瓷
—
在某一临界温度下电阻为零,具有超导性
电力、交通、医疗等领域
结构特点
应用
富勒烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称
代表物 开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳
米管
由 片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径
生产 、电池和传感器等
石墨烯
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
玻璃种类
性能
用途
含铅的光学玻璃
透光性好,折射率高
制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜
加入硼酸盐的玻璃
耐化学腐蚀、耐温度急剧变化
制实验玻璃仪器
加入金属氧化物或盐得到的彩色玻璃
具有多种颜色
建筑、装饰
物质
二氧化硅
二氧化碳
存在
存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中
空气中,燃料的燃烧产物
物理性质
固体,难溶于水,熔、沸点高,硬度大
通常情况下为无色无味气体,密度比空气大
①与水反应
不反应
CO2+H2OH2CO3
②与酸反应
只与氢氟酸反应
SiO2+4HFSiF4↑+2H2O
不反应
③与碱液(NaOH)反应
SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O
(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)
CO2+2NaOHNa2CO3+H2O或CO2+NaOHNaHCO3
④与碱性
氧化物反应
如与CaO反应:
SiO2+CaOCaSiO3
如与Na2O反应:
CO2+Na2ONa2CO3
⑤与碳反应
SiO2+2CSi+2CO↑
CO2+C2CO
用途
制饰品、坩埚、光导纤维
干冰用于人工降雨
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