人教版 (新课标)必修1第一节 无机非金属材料的主角--硅教案及反思

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1．了解SiO2的结构、性质和用途。(重点)
2．了解硅酸的制备和化学性质。
3．了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。
4．了解硅的性质和用途。(重点)
5．了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。
[基础·初探]
教材整理1 二氧化硅
1．硅元素的存在
2．二氧化硅(SiO2)
(1)存在
SiO2的存在形式有结晶形和无定形两大类，水晶、玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。
(2)结构
SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为1∶2的比例组成的立体网状结构的晶体。每个硅原子周围结合4个O原子，每个O周围结合2个Si原子。
(3)物理性质
熔点高；硬度大；溶解性：不溶于水。
(4)化学性质(写出有关化学方程式)
(5)用途
①沙子是基本的建筑材料。
②纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。
③石英和玛瑙制作饰物和工艺品。
④实验室中使用石英坩埚。
教材整理2 硅酸(H2SiO3)
1．物理性质
硅酸是一种难溶于水的白色胶状物。
2．化学性质
(1)弱酸性
向Na2SiO3溶液中通入CO2，生成白色沉淀，反应的化学方程式为Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。
结论：H2SiO3酸性比H2CO3酸性弱。
(2)不稳定性
H2SiO3不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3eq \(=====,\s\up14(△))H2O＋SiO2。
3．制备
Na2SiO3溶液中加入盐酸，反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。
4．存在及用途
(1)浓度小且边加边振荡时，形成硅酸溶胶(胶体)；浓度大时，形成硅酸凝胶。
(2)硅胶
硅酸凝胶经干燥脱水得到的硅酸干凝胶，称为“硅胶”，具有很强的吸水性，常用作干燥剂或催化剂的载体。
[探究·升华]
[思考探究]
探究1 SiO2的主要性质及应用
(1)为什么实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶要用橡胶塞而不能用玻璃塞？(玻璃的成分中含有SiO2)
【提示】 当玻璃瓶配玻璃塞时，瓶口内壁和瓶塞外壁都进行了磨砂处理。玻璃中含SiO2，磨砂玻璃遇到强碱如NaOH溶液时，SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3，使试剂瓶受腐蚀。Na2SiO3溶液有良好的黏结性，它易使瓶口与瓶塞黏在一起而难以开启。故使用橡胶塞而不能使用玻璃塞。
(2)实验室能否用玻璃瓶保存氢氟酸？为什么？写出反应方程式。
【提示】 不能。因为氢氟酸腐蚀玻璃，和玻璃中的成分SiO2反应。
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
(3)写出SiO2、CO2与CaO反应的化学方程式。
【提示】 SiO2＋CaOeq \(=====,\s\up14(△))CaSiO3、
CO2＋CaO===CaCO3。
探究2 硅酸的制备实验探究
向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，现象是__________，其离子方程式为____________，然后改加NaOH溶液，反应的离子方程式为____________。
【提示】 生成白色沉淀 SiOeq \\al(2－,3)＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋COeq \\al(2－,3)
H2SiO3＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋2H2O
[认知升华]
升华1 SiO2和CO2的比较
升华2 硅酸的主要性质及应用
(1)硅酸是中学化学中惟一一个不溶于水的酸，硅酸酸性很弱、不能使酸碱指示剂变色。
(2)实验室制取硅酸的方法是可溶性硅酸盐与酸反应。
(3)硅酸的性质：①具有酸性，酸性比碳酸弱；②受热易分解。
(4)硅酸浓度小时可形成硅酸溶胶，浓度大时可形成硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水得到硅胶(或硅酸干凝胶)，具有较强的吸水性，常用作干燥剂及催化剂载体。
[题组·冲关]
题组1 SiO2的性质与应用
1．关于二氧化硅，下列叙述不正确的是( )
A．水晶的主要成分是二氧化硅
B．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别
C．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸
D．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应
【解析】 水晶的主要成分为SiO2，A项正确；CO2是由分子构成的，而SiO2是Si和O按1∶2组成的空间立体网状结构的晶体，二者物理性质差别较大，B项正确；SiO2不溶于水也不与水反应，C项正确；SiO2可以与氢氟酸反应，D项错误。
【答案】 D
2．下列说法不正确的是( )
【导学号：95432065】
A．因SiO2不溶于水，故SiO2不是酸性氧化物
B．在反应SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up14(高温))Si＋2CO↑中SiO2作氧化剂
C．SiO2是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大
D．氢氟酸能够刻蚀玻璃，故不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸
【解析】 A项，SiO2不溶于水，但它能与碱反应生成硅酸盐和水，是酸性氧化物，错误；B项，在该反应中SiO2被C还原为Si，SiO2作氧化剂，正确；C项，由于SiO2是一种空间立体网状结构的物质，故熔点高，硬度大，正确；D项，SiO2能与氢氟酸反应，故常用氢氟酸刻蚀玻璃，不能用玻璃瓶盛装氢氟酸，正确。
【答案】 A
题组2 H2SiO3的性质、制备与应用
3．下列关于硅酸的说法正确的是( )
【导学号：95432066】
A．硅酸可以通过SiO2和水的化合反应直接制得
B．用反应Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓制取硅酸是利用了可溶性酸制难溶性酸的性质
C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应
D．硅胶可用作袋装食品的干燥剂
【解析】 SiO2不能与水反应生成硅酸，A错误；B中反应是利用了强酸制弱酸的性质，B错误；硅酸虽难溶于水，但可与强碱溶液反应生成硅酸盐，C错误。
【答案】 D
4．碳酸的酸性比硅酸强，某化学课外小组搜集了大量的证据证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性。其中能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是( )
A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水
B．CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀
C．高温下SiO2与碳酸钙、碳酸钠等固体反应生成CO2
D．氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出气体，通入可溶性硅酸盐溶液中生成沉淀
【解析】 根据强酸制弱酸的原理，CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀，此项实验事实可证明碳酸的酸性比硅酸强。
【答案】 B
5．为了进一步确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，有人设计用下图所示装置进行一次实验即可达到目的(不必再选用其他酸性溶液)。
请回答：
(1)A中的化学反应方程式可能为__________________________________。
(2)B装置的作用是_____________________________________________。
(3)C中的现象有_____________，反应离子方程式为__________________。
(4)根据实验，三种酸的强弱顺序为_____________，其依据为__________
______________________________________________________________。
【答案】 (1)CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
(2)除去CO2中的HCl，防止HCl与Na2SiO3反应
(3)产生白色胶状沉淀 CO2＋H2O＋SiOeq \\al(2－,3)===H2SiO3(胶体)＋COeq \\al(2－,3)
(4)HCl>H2CO3>H2SiO3 强酸制弱酸
[基础·初探]
教材整理1 硅酸盐
1．硅酸盐的组成与表示
(1)定义：由硅、氧和金属组成的化合物的总称。
(2)性质：结构复杂，大多不溶于水，化学性质稳定。
(3)表示：通常以二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。例如，
①Na2SiO3：Na2O·SiO2。
②长石(KAlSi3O8)：K2O·Al2O3·6SiO2。
③镁橄榄石(Mg2SiO4)：2MgO·SiO2。
【特别提醒】 以氧化物形式表示硅酸盐组成的方法
1方法：找出组成元素；写出氧化物的形式；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。
2．最简单的硅酸盐——Na2SiO3
3．三种常见的硅酸盐产品——无机非金属材料
4．其他含硅物质
(1)SiC：俗称金刚砂，类似金刚石的结构和性能。
(2)含4%硅的硅钢具有导磁性，用作变压器铁芯。
(3)硅橡胶：耐高温又耐低温。
(4)人造分子筛：作吸附剂和催化剂。
教材整理2 硅单质
1．种类及结构
单质硅分为晶体和无定形两种，晶体硅的结构与金刚石类似。
2．性质
(1)物理性质
(2)化学性质
在常温下化学性质不活泼，但能与氟气、HF、 NaOH溶液发生反应。
3．用途
(1)半导体材料，如硅芯片等。
(2)新型能源，如光电池等。
【特别提醒】 硅单质性质的特殊性
1一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅和金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
2一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。
3Si的还原性大于C，但单质C在高温下能从SiO2中还原出Si：SiO2＋2C eq \(=====,\s\up14(高温))Si＋2CO↑。
4非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与碱溶液反应只作还原剂，且反应能放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
5非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
[题组·冲关]
题组1 硅酸盐的组成、性质和应用
1．下列关于硅酸盐的说法中正确的是( )
A．硅酸盐都难溶于水
B．Na2SiO3是一种最简单的硅酸盐，其水溶液可用作黏合剂
C．硅酸盐通常可用氧化物的形式表示，说明硅酸盐就是由各种氧化物组成的
D．硅酸盐工业使用的每一种原料都含有硅
【解析】 A项，Na2SiO3可溶于水，错误；C项，硅酸盐可用氧化物的形式表示，但不是由各种氧化物组成，错误；D项，所用原料可能不含硅，错误。
【答案】 B
2．用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是( )
【导学号：95432067】
A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O
B．镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO·eq \f(1,2)SiO2
C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2
D．高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4]，表示为Al2O3·2SiO2·2H2O
【解析】 A项，Ca(Al2Si3O10)·3H2O应表示为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O(排序错)；B项，Mg2SiO4应表示为2MgO·SiO2(不能在系数中出现分数)；C项，K2Al6Si6H4O24应表示为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O(排序错)。
【答案】 D
3．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中正确的是( )
【导学号：95432068】
A．它是一种纯净物，既不燃烧也不易腐蚀
B．水玻璃是生产玻璃的主要原料之一
C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
【解析】 水玻璃是硅酸钠的水溶液，A错误；水玻璃易与空气中的二氧化碳反应，D错误。
【答案】 C
题组2 硅单质及其化合物的性质及综合应用
4．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是( )
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
C．反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂
D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
【解析】 C项只有H2O是氧化剂；D项盐酸与Si不反应，氢氟酸才可。
【答案】 A
5．下图中的每一方格表示相关的一种反应物或生成物。其中，B是一种单质，其余物质也都是含B元素的化合物。C是一种钠盐，E是C对应的酸，B的结构类似金刚石，D为B的氧化物(其他不含B元素的反应产物以及各步反应添加的必要试剂和反应条件已被略去)。请填写空白：
【导学号：95432069】
(1)A、D、E的化学式分别为________、________、________。
(2)A和B的相互转化在工业上有什么实际意义？
__________________________________________________________。
(3)写出D→C反应的化学方程式：___________________________________
______________________________________________________________。
(4)写出E→D反应的化学方程式：_______________________________
___________________________________________________________。
【解析】 本题的突破口是：“B是一种单质”，“B的结构类似金刚石”。据此，容易推断出B是晶体硅。硅与氯气在加热条件下生成SiCl4，因此，A为SiCl4，SiCl4可以被氢气还原得纯净的硅。根据D为B的氧化物且能转化成B(Si)，可知D为SiO2，由此可知其他答案。
【答案】 (1)SiCl4 SiO2 H2SiO3
(2)粗硅提纯
(3)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(4)H2SiO3eq \(=====,\s\up14(△))SiO2＋H2O
【题后归纳】 Si的制备与提纯
SiO2eq \(――→,\s\up14(C),\s\d14(高温))粗Sieq \(――→,\s\up14(Cl2),\s\d14(△))SiCl4eq \(――→,\s\up14(H2),\s\d14(△))Si 二氧化硅和硅酸
实验
操作
实验
现象
滴加酚酞溶液后溶液呈红色，滴加稀盐酸后溶液变为无色，有透明胶状物生成
结论
Na2SiO3溶液呈碱性；滴加稀盐酸后反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)
SiO2
CO2
不
同
点
熔、沸点
高
低
状态
无色晶体
气态
与水反应
不反应
CO2＋H2OH2CO3
与酸反应
只与氢氟酸反应
不反应
相
同
点
与碱性氧
化物反应
CaO＋SiO2eq \(=====,\s\up14(高温))CaSiO3
CO2＋CaO===CaCO3
与碱反应
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
与某些
盐反应
SiO2＋Na2CO3eq \(=====,\s\up14(高温)) Na2SiO3＋CO2↑SiO2＋CaCO3eq \(=====,\s\up14(高温))CaSiO3＋CO2↑
CO2＋H2O＋Na2CO3===2NaHCO3 CO2＋H2O＋Na2SiO3=== H2SiO3↓＋Na2CO3
与碳反应
SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up14(高温))Si＋2CO↑
CO2＋Ceq \(=====,\s\up14(△))2CO
硅酸盐和硅单质
产品
原料
主要设备
主要成分
水泥
石灰石、黏土
水泥
回转窑
硅酸二钙2CaO·SiO2
硅酸三钙3CaO·SiO2
铝酸三钙3CaO·Al2O3
玻璃
纯碱、石灰
石和石英砂
玻璃窑
Na2O·CaO·6SiO2
陶瓷
黏土
—
—
色、态
光泽
熔点
硬度
质地
导电性
灰黑色固体光泽
金属
高
大
脆
半导体