第三单元　含硅矿物与信息材料优秀教学设计

第三单元

含硅矿物与信息材料

[学习目标定位]

1.知道硅在自然界的存在形式和硅酸盐产品的重要应用，会用氧化物的形式表示复杂硅酸盐的组成。2.知道硅及其重要化合物二氧化硅的性质及其应用。

一

硅酸盐

1．硅酸盐的表示方法

(1)化学式法：适用于组成简单的硅酸盐。如硅酸钠：Na2SiO3。

(2)氧化物法：

与大多数其他盐不同，硅酸盐的组成相当复杂。如锆石(ZrSiO4)，红柱石(Al2SiO5)，钙铝石榴子石(Ca3Al2Si3O12)，镁橄榄石(Mg2SiO4)。它们种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用氧化物表示它们的组成。上述四种硅酸盐用氧化物表示为ZrO·SiO2、Al2O3·SiO2、3CaO·Al2O3·3SiO2、2MgO·SiO2。

2．硅酸钠

硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现它具有阻燃的功能，因此可作防火剂。

按要求完成下列实验。

(1)在盛有饱和硅酸钠溶液的试管中，滴加2～3滴酚酞试液，观察到的现象是溶液变为红色；再滴加稀盐酸观察到的现象是溶液由红色变为无色，有白色胶状沉淀生成，反应的化学方程式是Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。

(2)若将少量二氧化碳通入饱和硅酸钠溶液中，观察到的现象是有白色胶状沉淀生成，反应的化学方程式是Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

[归纳总结]

1．硅酸盐的表示方法

(1)将硅酸盐中所有元素都写成氧化物(二氧化硅和氧化物组合)。氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。

(2)氧化物之间以“·”隔开。

(3)在氧化物前面按化学式中的比例添加数字。

(4)书写原则：硅酸盐中各元素化合价及原子个数比保持不变。

2．硅酸钠及硅酸

(1)硅酸钠，化学性质相对稳定，不易腐蚀，不能燃烧，热稳定性强，其水溶液呈碱性，能与酸反应，其离子方程式为SiO23＋2H===H2SiO3↓。

－＋(2)硅酸是难溶于水的弱酸，其酸性比碳酸弱。硅酸不能使紫色石蕊试液变红色。

①硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3=====H2O＋SiO2。

△

②硅酸能与强碱溶液反应：2NaOH＋H2SiO3===Na2SiO3＋2H2O。

[活学活用]

1．古瓷中所用颜料的成分一直是个谜，近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是(

) A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2

B．性质稳定，不易脱色

C．易溶解于强酸和强碱

D．x等于6 答案

C 解析

根据化合物中元素化合价代数和等于零的原则，2＋2＋2×4＝2x，所以x＝6；BaCuSi2O6可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2；硅酸铜钡属于硅酸盐，不溶于强酸，由于古瓷中所用颜料能长时间保留原来的颜色，所以硅酸铜钡的性质稳定，不易脱色。

2．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是(

) A．这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀

B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料

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

答案

D 解析

水玻璃的化学性质稳定，但在空气中易与二氧化碳反应生成硅酸。二

硅酸盐产品

硅酸盐产品有着广泛的应用，大家熟悉的玻璃、水泥和陶瓷是常见的硅酸盐产品，也是使用量最大的无机非金属材料。

阅读教材填写下表：

硅酸盐产品

原料

主要设备

主要成分

3CaO·SiO2、水泥

石灰石、黏土

水泥回转窑

2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3

玻璃

陶瓷

[活学活用]

3．地壳的组成元素和普通玻璃极相似。如果能把地球塞进一个大熔炉中，一定能熔成一个大玻璃球。下列关于玻璃的叙述正确的是(

) A．制普通玻璃的原料主要是纯碱和石英

B．普通玻璃的主要成分不是二氧化硅

纯碱、石灰石、石英

黏土

玻璃熔炉

Na2O·CaO·6SiO2

硅酸盐

C．玻璃是几种成分熔化在一起的晶体，有固定的熔点

D．过量的泥沙、纯碱和石灰石熔融后生成玻璃

答案

D 解析

普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，是一种混合物，没有固定的熔点。三

二氧化硅与信息材料

1．二氧化硅

(1)存在：沙子、石英、水晶、硅藻土等都是天然存在的二氧化硅。

(2)物理性质：熔、沸点高，硬度大，不溶于水。

(3)化学性质：

①酸性氧化物的通性：

与NaOH溶液反应：2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O；

与碱性氧化物(CaO)反应：CaO＋SiO2=====CaSiO3。

②特性：与氢氟酸反应SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

(4)用途：制作光学镜片、石英坩埚，还可用于制作光导纤维。

高温

2．硅

(1)物理性质：晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体，根据其结构分析可知，晶体硅熔点高、硬度大、有脆性。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

(2)化学性质：硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。常温下，除与F2、HF和强碱溶液反应外，硅不与其他物质(如强酸和强氧化剂)反应。加热时，硅能与O2、Cl2、C发生化合反应。

(3)硅的工业制法

①粗制：制备原理：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑(隔绝空气条件下进行，C过量)。氧化剂：SiO2，还原剂：C。

②精制：将粗硅(含杂质较多)与Cl2在高温下反应生成SiCl4。SiCl4经提纯后再用H2还原，即得高纯硅，有关反应的方程式为Si＋2Cl2=====SiCl4，SiCl4＋2H2=====Si＋4HCl。

[归纳总结]

(1)二氧化硅是一种“颇有个性”的氧化物。作为一种非金属氧化物，它坚硬难熔；作为一种酸性氧化物，它不与水反应，却易与氢氟酸反应。这些特性既是考查的重点，也是解题的依据。

高温高温高温

(2)列表比较二氧化碳和二氧化硅的性质。

物理性质

与碱性氧化物反应

与碱液反应

与H2O反应

与酸反应

相同点

CO2

气体，熔、沸点低，能溶于水

CaO＋CO2===CaCO3

2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O(CO2少量) CO2＋H2O不反应

H2CO3

SiO2

固体，熔、沸点高，硬度大，不溶于水

CaO＋SiO2=====CaSiO3

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O 不反应

只与HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 高温都是酸性氧化物(酸酐)，与碱反应生成盐和水

(3)晶体硅具有正四面体形结构；熔点高、硬度大，是良好的半导体；常温下，化学性质稳定。

[活学活用]

4．素有“水晶之乡”美称的江苏省东海县盛产高纯水晶。现存于国家地质博物馆的水晶大王就出自东海县。水晶主要成分是SiO2。下列关于SiO2的叙述中，不正确的是(

) ①在固态和液态时，导电性能都很弱

②能跟强碱反应，但不能与水反应

③硅与碳原子的最外层上都是4个电子，故SiO2的物理性质与CO2类似

④既是酸性氧化物，又是碱性氧化物

A．②和③

C．②和④

答案

B 解析

SiO2虽是酸性氧化物，但与CO2在物理性质上有极大的差异。

当堂检测

1．硅被誉为无机非金属材料的主角。下列物品用到硅单质的是

(

) A．陶瓷餐具

C．计算机芯片

答案

C 解析

陶瓷中主要包括硅酸盐；石英和光导纤维主要用二氧化硅；计算机芯片中用的是硅单质。

2．北京奥运会金牌“金镶玉”的环形玉壁由昆仑玉制成，昆仑玉的成分可简单看成是Ca2Mg5Si8O22(OH)2，则其用氧化物的形式可表示为(

) A．CaO·MgO·SiO2·H2O B．2CaO·5MgO·8SiO2·H2O B．石英钟表

D．光导纤维

B．③和④

D．④

C．2CaO·MgO·SiO2·2H2O D．5CaO·2MgO·8SiO2·H2O 答案

B 3．下列溶液中①硅酸钠溶液

②氢氟酸

③氢氧化钠溶液

④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是(

) A．①③

C．②③

答案

A 解析

①、③项中溶液呈碱性，不能与光滑的玻璃反应，但能与磨口玻璃塞裸露的SiO2反应，生成的硅酸钠溶液是一种矿物胶，具有良好的黏结性，易使瓶塞与瓶壁粘在一起而难以开启。氢氟酸能腐蚀玻璃。

4．下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是(

) A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐

B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸

C．CO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物

D．CO2和SiO2都是由相应的分子组成的

答案

A 解析

虽然SiO2是H2SiO3的酸酐，但CO2可溶于水生成H2CO3，SiO2却不能溶于水生成H2SiO3，B错误；SiO2与CO2都是酸酐，都是酸性氧化物，A正确，C错误；CO2是由CO2分子构成的，而SiO2则是由硅原子和氧原子构成的，SiO2中不存在分子，D错误。

5．下列反应不能一步完成的是(

) A．SiO2―→Na2SiO3

C．SiO2―→CaSiO3

答案

B 解析

二氧化硅可与氢氧化钠直接反应生成硅酸钠；氧化钙可与二氧化硅在高温下反应生成硅酸钙；硅酸可直接加热分解生成二氧化硅，故只有B符合题意。

6．下列反应中，SiO2表现什么化学性质，在A～D选项中选出正确答案。

(1)SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑____________。

(2)SiO2＋2C=====Si＋2CO↑____________。

(3)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O____________。

A．作为玻璃的成分与氢氟酸反应而使玻璃能被雕刻

B．将挥发性的酸性氧化物从其中代换出来

C．弱氧化性

D．强酸制弱酸

高温高温B．②④

D．①④

B．SiO2―→H2SiO3

D．H2SiO3―→SiO2

答案

(1)B

(2)C

(3)A 解析

(1)该反应不是复分解反应，且SiO2对应的酸是H2SiO3，属于弱酸，其酸性小于H2CO3酸性，故不属于强酸制弱酸。该反应之所以能发生是由于在加热条件下能将挥发性的酸酐从其中代换出来。

(2)该反应是氧化还原反应，SiO2作氧化剂，证明SiO2具有氧化性。

(3)玻璃中含有SiO2，能与HF发生反应而使玻璃腐蚀。

40分钟课时作业

[基础过关]

一、硅酸盐的组成与应用

1．唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于(

) A．氧化铝

C．硅酸盐

答案

C 解析

唐三彩、秦兵马俑制品属于硅酸盐产品。

2．用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是(

) A．钙沸石Ca(Al2Si3O10)·3H2O表示为

CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O B．镁橄榄石Mg2SiO4表示为MgO·SiO2

C．钾长石KAlSi3O8表示为K2O·Al2O3·3SiO2

D．高岭石Al2(Si2O5)(OH)4表示为

Al2O3·SiO2·2H2O 答案

A 解析

用氧化物形式表示复杂的硅酸盐的组成，具体方法：①在遵循各元素种类和原子个数比不变的原则下，分别写成氧化物的形式。②氧化物一般按活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅，最后写水的顺序排列。③氧化物之间用黑点隔开，各氧化物前面的系数均为整数。

3．材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是

(

) 选项

A B C D 答案

A 解析

刚玉的成分是Al2O3，金刚石的成分是C，A错误；大理石、石灰石的成分是CaCO3；材料

刚玉、金刚石

大理石、石灰石

普通水泥、普通玻璃

沙子、石英

主要化学成分

三氧化二铝

碳酸钙

硅酸盐

二氧化硅

B．二氧化硅

D．合金

普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融而得的硅酸盐，普通水泥是以黏土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏而得到的硅酸盐；石英晶体是结晶的二氧化硅，具有不同的晶型和色彩。

4．将足量CO2气体通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中，然后加热蒸干，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是(

) A．Na2SiO3

C．Na2CO3、SiO2

答案

A 解析

将足量CO2气体通入水玻璃中，发生反应：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3；加热蒸干，高温灼烧时发生反应：H2SiO3=====H2O＋SiO2；2NaHCO3=====Na2CO3＋CO2↑＋H2O；Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑，所以最后所得固体物质是Na2SiO3，故选A项。

二、硅及其化合物的性质

5．下列有关SiO2的叙述正确的是(

) A．SiO2不与任何酸反应

B．玻璃中含有SiO2，所以不能用玻璃瓶盛装稀氢氧化钠溶液

C．SiO2是酸性氧化物，能与NaOH反应

D．SiO2能与水反应生成硅酸

答案

C 解析

A项，SiO2可与氢氟酸反应；B项，可用玻璃瓶盛装稀NaOH溶液，但不能用玻璃塞；D项，SiO2与水不反应。

6．能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是

(

) A．CO2是气体，SiO2是固体

B．二氧化硅的熔点比二氧化碳高

C．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水

D．CO2通入Na2SiO3中析出硅酸沉淀

答案

D 解析

酸性强弱与这种酸的氧化物的状态和物理性质无关，A、B均不正确；C是它们的物理性质；D项属于较强的酸制取较弱的酸，能够证明硅酸的酸性弱于碳酸的酸性。

7．熔融氢氧化钠反应选用的器皿是(

) A．陶瓷坩埚

C．普通玻璃坩埚

答案

D 解析

陶瓷的成分中含有SiO2，石英的成分就是SiO2，玻璃的主要成分中也含有SiO2，而B．石英坩埚

D．生铁坩埚

高温△△B．Na2CO3、Na2SiO3

D．SiO2

SiO2在高温下可以跟NaOH发生如下反应：

SiO2＋2NaOH高温,Na2SiO3＋H2O 所以A、B、C的器皿都不能选用，只能用生铁坩埚。

8．下列离子方程式不正确的是(

) A．向烧碱溶液中通入过量的二氧化碳：2OH＋CO2===CO23＋H2O －－B．向纯碱溶液中通入足量的二氧化碳：CO23＋CO2＋H2O===2HCO3

－－2C．向硅酸钠水溶液中通入少量的二氧化碳：SiO23＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO3

－－D．向次氯酸钠溶液中通入少量的二氧化碳：ClO＋CO2＋H2O===HClO＋HCO3

答案

A 解析

A项错误，通入过量的CO2，应生成HCO3。

三、硅及其化合物的重要用途

9．光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一。光导纤维的主要成分是(

) A．Si

C．Na2SiO3

答案

B 解析

光导纤维的主要成分是SiO2。

10．有科学家认为：硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”，下列有关硅可能成为新型能源的叙述中不正确的是(

) A．自然界中存在大量硅单质

B．自然界中的硅易开采，且可再生

C．硅燃料便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是优质燃料

D．硅燃料燃烧放出的热量多，其燃烧产物对环境的污染容易有效地控制

答案

A 解析

Si元素在自然界中含量丰富，但由于硅具有亲氧性，自然界中无硅单质。

[能力提升]

11．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＋SiO2=====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)C

SiO2

高温－－－B．SiO2

D．SiCl4

解析

(1)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

由于SiO2能溶于氢氟酸，因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。

(2)Na2SiO3的水溶液又称“水玻璃”，它具有阻燃的功能，因此可作防火剂。

＋4(3)反应中C被氧化，SiO2中的Si被还原，因此SiO2作氧化剂。

12．为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的(不必选用其他酸性物质)。请据此回答：

(1)圆底烧瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。

(2)装置B所盛的试剂是________________，其作用是______________。

(3)装置C所盛试剂是________________。C中反应的离子方程式是____________________。

(4)由此可得出的结论是：酸性________>________>________。

答案

(1)盐酸

(2)饱和NaHCO3溶液

吸收HCl气体

2(3)Na2SiO3溶液

SiO23＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO3

－－(4)HCl

H2CO3

H2SiO3

解析

根据“强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐”分析可知，分液漏斗中盛装盐酸，A中盛放Na2CO3溶液，根据Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑，可以知道酸性HCl强于H2CO3，然后将生成的CO2通入Na2SiO3溶液中，反应为Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，由此判断酸性H2CO3>H2SiO3，但需注意的是A中反应会有HCl气体逸出，故通入Na2SiO3溶液前需将HCl吸收，但不能吸收CO2，故可选用饱和NaHCO3溶液。

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图所示。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。

请回答：

(1)形成单质A的原子的结构示意图为________，它的最高化合价为________。

(2)B的化学式为________，B的晶体类型为________，B与炭反应生成A和E的化学方程式是__________________________________。

(3)C的化学式为________________，D的化学式为__________________。

答案

(1)高温

＋4价

(2)SiO2

原子晶体

SiO2＋2C=====Si＋2CO↑

(3)CaSiO3

Na2SiO3

解析

由“A为地壳中含量仅次于氧的非金属单质，晶体结构与金刚石相似”推知A为Si，根据B――→A＋E，B――→C，B――→D＋H2O，不难推知B为SiO2，C为CaSiO3，D高温高温加热为Na2SiO3。

[拓展探究]

14．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：

(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：

石英砂――→粗硅573 K――→SiHCl3粗――→SiHCl3纯――→高纯硅

高温以上1 357 K①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式：___________________________________________；

H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是

________________________________________________________________________。

(2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。

A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产砂纸、砂轮等

B．含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯

C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维

D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，有固定的熔点

E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅

答案

(1)①SiHCl3＋H2=====Si＋3HCl ②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑

高温下H2与O2混合发生爆炸

(2)ABC 解析

(1)①H2还原SiHCl3可制备Si，化学方程式为SiHCl3＋H2=====Si＋3HCl。

②SiHCl3与H2O反应生成H2SiO3、HCl和H2；用H2还原SiHCl3过程中若混入O2，则高温下H2与O2反应发生爆炸。

(2)A项，碳化硅硬度很大，可用于生产砂纸、砂轮等；B项，含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯；C项，高纯度的SiO2可以制造光导纤维；D项，普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，是由石英(SiO2)、石灰石、纯碱高温下反应产生的，化学方程式为Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑，为混合物，没有固定的熔点；E项，Si与盐酸不反应。

高温高温1 357 K1 357 K焦炭HCl精馏H2加炭加氧化钙加氢氧化钠