高中化學(xué)專(zhuān)題3第三單元含硅礦物與信息材料蘇教版必修

第三單元含硅礦物與信息材料專(zhuān)題3 從礦物到基礎(chǔ)材料新知初探自學(xué)導(dǎo)引自主學(xué)習(xí)一、硅酸鹽礦物與硅酸鹽產(chǎn)品

1．硅元素在自然界中以化合

態(tài)形式存在，無(wú)

游離

態(tài)。硅元素在地殼中的含量居第

二

位。2．硅酸鹽的表示方法方法化學(xué)式法氧化物法適用范圍組成簡(jiǎn)單的硅酸鹽組成復(fù)雜的硅酸鹽舉例硅酸鈉：Na2SiO3硅酸鈣：CaSiO3鋯石：ZrO2·SiO2紅柱石：Al2O3·SiO2鈣鋁石榴子石：3CaO·Al2O3·3SiO2鎂橄欖石：2MgO·SiO23.硅酸鈉物理性質(zhì)：可溶于水，其水溶液俗稱(chēng)

水玻璃

?；瘜W(xué)性質(zhì)：和鹽酸、碳酸等反應(yīng)生成白色的H2SiO3沉淀。(寫(xiě)化學(xué)方程式)①HCl：。2HCl＋Na2SiO3===H2SiO3↓＋2NaCl②少量CO2：。(3)用途：①建筑業(yè)的黏合劑。②木材、紡織品的防腐劑和防火劑。H2SiO3↓＋Na2CO3CO2＋H2O＋Na2SiO3===想一想保存Na2SiO3溶液時(shí)應(yīng)注意什么？試說(shuō)明原因。提示：要密封保存且不能用帶玻璃塞的試劑瓶。硅酸鈉溶液會(huì)與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)而變質(zhì)，所以要密封保存;硅酸鈉有較強(qiáng)的黏性,也不能用磨口的玻璃瓶和玻璃塞，以免瓶口黏結(jié)。4.硅酸鹽工業(yè)產(chǎn)品常見(jiàn)的硅酸鹽工業(yè)產(chǎn)品有水泥、玻璃、陶瓷.(1)水泥主要原料：黏土、石灰石、石膏(注意：石膏的作用：

調(diào)節(jié)水泥硬化速度

)。主要設(shè)備：

水泥回轉(zhuǎn)窯

。生產(chǎn)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。主要成分:

硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣.主要性質(zhì)：有 性，即細(xì)粉狀水泥遇水后變?yōu)閳?jiān)硬的固體。主要用途：用于制造建筑材料。例如，水泥砂漿：水泥、沙子和水的混合物；混凝土：水泥、沙子和碎石的混合物。(2)陶瓷主要原料：黏土。生產(chǎn)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。水硬生產(chǎn)過(guò)程：混合、成型、干燥、燒結(jié)、冷卻.主要特點(diǎn)：具有抗氧化性、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等優(yōu)點(diǎn)。主要用途：餐具、磚瓦、化學(xué)儀器、電絕緣器、工藝品等。(3)玻璃主要原料：石灰石、純堿、石英。主要設(shè)備：玻璃窯。反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。其中的主高溫要化學(xué)反應(yīng)是：①CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑高溫②Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑普通玻璃的組成：。Na2O·CaO·6SiO2二、二氧化硅與信息材料1．二氧化硅(SiO2)(1)存在：天然產(chǎn)透明的二氧化硅晶體俗稱(chēng)，為無(wú)色透明的六棱柱狀。另外，水晶

石英、沙子

等的主要成分也是二氧化硅。

(2)用途：二氧化硅可用于制備

光導(dǎo)纖維

等。(3)物理性質(zhì):熔沸點(diǎn)高

、硬度大，難溶于水。純凈的SiO2晶體是無(wú)色透明的固體。

(4)化學(xué)性質(zhì)SiO2的化學(xué)性質(zhì)

很不活潑，但也能發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)。SiO2是 氧化物，具有氧化物的某些性質(zhì)。①在常溫下與強(qiáng)堿反應(yīng)，生成鹽和水。SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O酸性酸性②在高溫下與堿性氧化物反應(yīng)生成鹽。高溫SiO2＋CaO=====CaSiO3③特殊反應(yīng)：a.SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

b．高溫下能與Na2CO3、CaCO3

發(fā)生反應(yīng)。2．信息材料SiO2

應(yīng)用于制造光導(dǎo)纖維。Si應(yīng)用于制造集成電路、晶體管等半導(dǎo)體器件。3．硅晶體硅晶體的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很

高

，硬度也很。在常溫下,單質(zhì)硅比較穩(wěn)定,與O2、Cl2、HNO3、H2SO4等都很難發(fā)生反應(yīng)。大自主體驗(yàn)1．下列屬于硅酸鹽材料的是()①水泥

②玻璃

③陶瓷

④水晶A．①③④C．①②④B．②③④D．①②③解析：選D。硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱(chēng)；水晶的主要成分是SiO2，不屬于硅酸鹽。2．根據(jù)水泥和玻璃的生產(chǎn)，總結(jié)出硅酸鹽)②反應(yīng)條件是高溫

③工業(yè)的一般特點(diǎn)是(①生成物是硅酸鹽

含有硅的物質(zhì)作原料復(fù)雜的物理化學(xué)變化④反應(yīng)原理是一系列A．①③C．①③④B．①②③D．①②③④解析：選D。硅酸鹽工業(yè)的特點(diǎn)包含題干所述四項(xiàng)內(nèi)容。3．在一定條件下，下列不．能與二氧化硅反應(yīng)的物質(zhì)是(

)①焦炭

②純堿

③碳酸鈣 ④氫氟酸

⑤硝酸

⑥氫氧化鉀

⑦氧化鈣A．只有③⑤⑦C．只有②⑤B．只有⑤⑦D．只有⑤解析：選D。SiO2不與強(qiáng)酸反應(yīng)，只能與酸中的氫氟酸反應(yīng)。要點(diǎn)突破講練互動(dòng)硅酸鹽和硅酸鹽產(chǎn)品探究導(dǎo)引1硅酸鹽和硅酸鹽產(chǎn)品有何差異？提示：硅酸鹽是指由硅、氧、金屬元素組成的一大類(lèi)化合物，它是構(gòu)成地殼巖石的主要成分，自然界中存在的各種天然硅酸鹽礦物約占地殼質(zhì)量的5%；硅酸鹽產(chǎn)品指的是硅酸鹽材料，它是由以含硅的物質(zhì)為原料，在高溫條件下經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)變化而制備的一種材料，人類(lèi)制造出的第一種材料——陶瓷就是硅酸鹽產(chǎn)品，硅酸鹽材料也稱(chēng)為傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料。探究導(dǎo)引2如何用化學(xué)式表示硅酸鹽？提示：用金屬氧化物·二氧化硅的形式表示.要點(diǎn)歸納硅酸鹽在自然界中的存在硅酸鹽是構(gòu)成地殼巖石的主要成分，存在于地球的每一個(gè)角落，硅元素在地殼中總含量居第二位。硅酸鹽的物理性質(zhì)硅酸鹽絕大部分都難溶于水，常見(jiàn)的易溶于水的硅酸鹽是Na2SiO3、K2SiO3等。硅酸鹽都有較高或很高的熔點(diǎn)。(3)硅酸鹽的化學(xué)性質(zhì)①硅酸鹽有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，能耐高溫。②硅酸鹽易跟酸發(fā)生反應(yīng)。由于硅酸是比碳酸還弱的酸，所以水玻璃

(Na2SiO3)易跟碳酸(CO2＋H2O)及更強(qiáng)的酸反應(yīng)，生成難溶于水的硅酸，例如：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO32—3SiO

＋CO

＋H

O===H

SiO

↓＋CO2—2

2

2

3

3Na2SiO3

＋

2CO2

＋

2H2O===H2SiO3↓

＋2NaHCO3SiO2—＋2CO

＋2H

O===H

SiO

↓＋2HCO—3

2

2

2

3

3Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl2SiO

＋—

＋3

2

32H

===H

SiO

↓(4)硅酸鹽組成的表示方法硅酸鹽的種類(lèi)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其組成的表示方法有兩種：①鹽化學(xué)式法如硅酸鈉：Na2SiO3、硅酸鈣：CaSiO3等。此法一般用于組成較簡(jiǎn)單的硅酸鹽。②氧化物化學(xué)式法如石棉(CaMg3Si4O12)可寫(xiě)為CaO·3MgO·4SiO2.特別提醒用氧化物表示硅酸鹽組成時(shí)，a.各元素的價(jià)態(tài)保持不變。b.各元素原子個(gè)數(shù)比不變。c.各氧化物的一般排列順序?yàn)椋狠^活潑金屬的氧化物、較不活潑金屬的氧化物、二氧化硅、水。d.各氧化物之間用“·”隔開(kāi)。即時(shí)應(yīng)用

1．下列溶液中加入氯化鋇溶液生成白色沉淀，再加入稀硝酸振蕩，白色沉淀不消失的是(

)①Na2SiO3Na3PO4A．①③C．①②④②Na2CO3

③Na2SO3

④B．②④D．①③④解析：選A。BaCO3和Ba3(PO4)2均為白色沉淀，二者均溶于HNO3

。BaSiO3

溶于HNO3后生成H2SiO3白色沉淀，BaSO3溶于HNO3后生成BaSO4白色沉淀。探究導(dǎo)引硅的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，為什么自然界中沒(méi)有游離態(tài)的硅？提示：硅是一種親氧元素。硅及二氧化硅要點(diǎn)歸納

1．硅的制取、性質(zhì)與用途

(1)硅的制取自然界中沒(méi)有游離態(tài)的硅，常見(jiàn)的化合態(tài)的硅有二氧化硅和硅酸鹽等。工業(yè)上用碳在高溫下還原二氧化硅的方法，制得含有少量雜質(zhì)的粗硅，將粗硅在高溫下跟氯氣反應(yīng)生成四氯化硅(SiCl4)，四氯化硅經(jīng)提純后，再用氫氣還原，就可以得到高純度的硅。高溫①SiO2＋2C=====Si＋2CO↑高溫②Si＋2Cl2=====SiCl4高溫③SiCl4＋2H2=====Si＋4HCl(2)硅的性質(zhì)單質(zhì)硅是一種灰黑色、有金屬光澤、硬度很大、質(zhì)脆、熔沸點(diǎn)很高的固體，是良好的半導(dǎo)體材料。單質(zhì)硅化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，常溫下，與O2、Cl2、HNO3、H2SO4

等很難發(fā)生反應(yīng)，但能與氟氣、氫氟酸、強(qiáng)堿反應(yīng)。在加熱時(shí)能跟O2

等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。Si＋2F2===SiF4Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑△Si＋O2=====SiO2(3)硅的用途①用于制造硅芯片、集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件；②制造太陽(yáng)能電池；③制造合金，如含硅4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼導(dǎo)磁性好，用于制造變壓器的鐵芯；含硅

15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼有良好的耐酸性。2．二氧化硅SiO2是典型的酸性氧化物，其有酸性氧化物的通性，在物理、化學(xué)性質(zhì)方面與CO2有較大差異。比較項(xiàng)目SiO2CO2物理性質(zhì)顏色狀態(tài)無(wú)色透明晶體或白色粉末無(wú)色氣體熔點(diǎn)高(1723

℃)低(－57

℃)沸點(diǎn)高(2230

℃)低(－18.5

℃升華)硬度大小溶解性不溶于水溶于水(1∶1)比較項(xiàng)目SiO2CO2化學(xué)性質(zhì)與堿性氧化物的反應(yīng)SiO2＋CaO高溫

CaSiO=====

3CO2＋CaO===CaCO3與堿的反應(yīng)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3

＋H2OCO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2OCO2＋NaOH===NaHCO3比較項(xiàng)目SiO2CO2化學(xué)性質(zhì)與鹽的反應(yīng)CaCO3＋SiO2高溫

CaSiO=====

3＋CO2↑CO2

＋

NaAlO2

＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3與水的反應(yīng)不反應(yīng)CO2＋H2OH2CO3比較項(xiàng)目SiO2CO2化與氫學(xué)性氟酸的反SiO2

＋

4HF===SiF4↑＋2H2O不反應(yīng)質(zhì)應(yīng)相互轉(zhuǎn)化Na

CO

＋SiO

高溫

Na

SiO

＋CO

↑2

3 2

=====

2

3

2CO2(

少

量

)

＋

H2O

＋

Na2SiO3===Na2CO3＋H2SiO3↓H

SiO

△=

SiO

＋H

O(很重要)2

3

====

2

2即時(shí)應(yīng)用2.關(guān)于地殼中含量占第一位與第二位的元素之間形成的化合物,下列說(shuō)法正確的是(A．可溶于水，顯酸性

B．它的化學(xué)性質(zhì)不活潑

C．是酸性氧化物，不溶于任何酸

D．它的熔、沸點(diǎn)較低，物理性質(zhì)類(lèi)似于

CO2)解析：選B。地殼中含量居第一位、第二位的元素分別是O、Si，它們形成的化合物是

SiO2，SiO2不溶于水，不和水反應(yīng)，熔、沸點(diǎn)較高，硬度較大，物理性質(zhì)和CO2的差異很大，故A、D均不正確。SiO2雖是酸性氧化物,和很多酸不反應(yīng),但能和氫氟酸反應(yīng)：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O,故C不正確。

SiO2的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，B正確。題型探究權(quán)威預(yù)測(cè)硅酸鹽及其產(chǎn)品例1

(Ⅰ)下列說(shuō)法正確的是(

)

A．制取水泥和玻璃的原料中均有純堿B．普通玻璃是電的絕緣體，這種透明的固體物質(zhì)是混合物，無(wú)固定的熔點(diǎn)

C．普通玻璃俗稱(chēng)水玻璃D．硅酸鹽工業(yè)使用的每一種原料都含有硅【解析】制取玻璃的原料中有純堿，而制取水泥的原料中沒(méi)有純堿，A不正確；普通玻璃的組成一般為Na2O·CaO·6SiO2，故玻璃屬于混合物，沒(méi)有固定的熔、沸點(diǎn)，B正確；普通玻璃和水玻璃的成分不同，水玻璃不是普通玻璃的俗名，C不正確；制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石，石灰石中不含有硅，D不正確?！敬鸢浮?/p>

B(Ⅱ)普通玻璃中Na2SiO3∶CaSiO3∶SiO2

＝1∶1∶4(物質(zhì)的量之比)。若以aNa2O·bCaO·mSiO2表示此玻璃的組成，則a∶b∶m＝

。若要制備1000kg上述玻璃，需要原料各多少千克？共可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下的CO2氣體多少升？【解析】

(1)根據(jù)原子個(gè)數(shù)相等的原則，Na2SiO3∶CaSiO3∶SiO2

＝

1∶1∶4

等同于Na2O·CaO·6SiO2，即a∶b∶m＝1∶1∶6。(2)

制造玻璃的原料是

Na2CO3

、CaCO3

和SiO2

，根據(jù)反應(yīng)原理：Na2CO3＋SiO2

=====高溫高溫Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑得：Na2O·CaO·6SiO2～Na2CO3～CaCO3～6SiO2～2CO2478

g1000×103

g1

molx1

mol 6

mol 2

molx

6x

2xx＝1×106

g×1

mol478

g≈2092

molm(Na2CO3)＝2092

mol×106

g·mol－1×10－3kg·g－1≈221.8

kgm(CaCO3)＝

2092

mol×100

g·mol－

1×10－

3kg·g－

1

＝209.2

kgm(SiO2)＝2092

mol×60 g·mol－

1×6×10－3kg·g－1≈753.1

kgV(CO2)＝2092

mol×2×22.4

L·mol－1≈9.37×104

L。CO2的另一種求法：制1000

kg玻璃需原料:221.8kg＋209.2kg＋753.1kg＝1184.1kg，兩者質(zhì)量之差就是放出CO2的質(zhì)量，可由此求出標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2的體積?！敬鸢浮?/p>

(1)1∶1∶6(2)需要Na2CO3

221.8

kg，CaCO3

209.2

kg,SiO2

753.1

kg

；產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下的CO29.37×104

L?！久麕燑c(diǎn)睛】(1)硅酸鹽工業(yè)使用的原料中有含硅的物質(zhì),但不是每種物質(zhì)都含有硅;硅酸鹽產(chǎn)品都是混合物。(2)解答本題的關(guān)鍵是熟悉制造玻璃的反應(yīng)原理，并靈活運(yùn)用守恒法和關(guān)系式法求解。本題易錯(cuò)在不能正確找出物質(zhì)之間的關(guān)系和計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤。(3)要學(xué)會(huì)“從相同點(diǎn)和不同點(diǎn)”來(lái)比較各種硅酸鹽工業(yè)；如：水泥和玻璃工業(yè)相同點(diǎn)是：高溫條件、原料中均有石灰石(且石灰石均是反應(yīng)物)、產(chǎn)品中均有硅酸鹽，不同點(diǎn)是：設(shè)備不同(窯和爐)、原料有差別、主要成分不同。硅和二氧化硅例2

下列各單質(zhì)和化合物之間有以下轉(zhuǎn)化關(guān)系，而且各單質(zhì)和化合物組成的元素皆為

1～18號(hào)元素。根據(jù)上述關(guān)系判斷：?jiǎn)钨|(zhì)A只可能是

(填名稱(chēng))。單質(zhì)B一定是

(填“金屬”或“非金屬”)單質(zhì)。各化合物的化學(xué)式為：甲

，乙

。單質(zhì)A和NaOH溶液反應(yīng)的離子方程式為

。(5)化合物乙與過(guò)量鹽酸反應(yīng)的離子方程式為

?！窘馕觥?突破點(diǎn)——“單質(zhì)A能夠與氫氧化鈉溶液反應(yīng)放出氫氣”說(shuō)明A只能是Al或Si中的一種；若假設(shè)是Al，化合物丁是

AlCl3，不符合丁失去化合物丙而得化合物甲的反應(yīng)；所以判斷A為Si，乙為Na2SiO3，丁為H2SiO3,甲為SiO2，B為O2，丙為H2O?！敬鸢浮?1)硅(2)非金屬(3)SiO2Na2SiO3—2—2

3

2(4)Si＋2OH

＋H

O===SiO

＋2H

↑(5)SiO23—

＋2323＋2H

===H

SiO

↓(H

SiO

不溶于任何強(qiáng)酸)【名師點(diǎn)睛】硅及其化合物的“反常”性質(zhì)(1)Si

的還原性大于C，但C

卻能在高溫下還高溫原出Si：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑。非金屬單質(zhì)跟堿液作用一般無(wú)H2

放出，但Si

卻放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。非金屬單質(zhì)一般不跟非氧化性酸作用，但

Si

能與HF

作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。(4)非金屬單質(zhì)一般為非導(dǎo)體,但Si為半導(dǎo)體.(5)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能將它直接與水作用制備H2SiO3。(6)酸性氧化物一般不與酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。(7)無(wú)機(jī)酸一般易溶于水,但H2SiO3難溶于水.(8)因H2CO3的酸性強(qiáng)于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能發(fā)生下列反應(yīng):Na2SiO3

＋

CO2

＋

H2O===H2SiO3↓

＋Na2CO3

，

但

在

高

溫

下

反

應(yīng)

Na2CO3

＋高溫SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑也能發(fā)生。Na2SiO3

的水溶液俗稱(chēng)水玻璃，但它與玻璃的成分大不相同硅酸鹽的組成相當(dāng)復(fù)雜，通常以氧化物的形式來(lái)表示它們的組成。熱點(diǎn)示例思維拓展【經(jīng)典案例】制取純凈硅晶體硅是一種重要的非金屬300

℃材料，制備純硅的主要步驟如下：①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅；②粗硅與干燥HCl

氣體反應(yīng)制得SiHCl3：Si＋3HCl=====SiHCl3＋H2；③SiHCl3與過(guò)量H2在1000～1100℃反應(yīng)制得純硅。已知SiHCl3能與H2O強(qiáng)烈反應(yīng)，在空氣中易自燃。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)