第三单元　含硅矿物与信息材料教学实录与评析

第三单元

含硅矿物与信息材料

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[课标要求] 1．了解硅在自然界中的存在形式，了解硅及其化合物的性质与应用。

2．知道二氧化硅的物理性质和化学性质，了解二氧化硅制品在高科技信息产业中的应用。

3．以自然界存在的硅酸盐到单质硅的制备为线索，认识自然界中形形色色的硅酸盐。

1．硅酸盐的化学式常用氧化物形式表示。

2．水玻璃是硅酸钠的水溶液。水泥、陶瓷、玻璃为硅酸盐产品。

3．SiO2熔点高硬度大，是一种酸性氧化物，SiO2＋CaO=====CaSiO3，

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。SiO2可用于制造硅单质及光导纤维。

4．硅晶体的熔、沸点高，硬度大，常温下比较稳定，与O2、Cl2、HNO3、

H2SO4等很难发生反应，硅晶体可用作半导体材料。

5．工业制备高纯硅的主要反应有SiO2＋2C=====Si＋2CO↑，

Si＋2Cl2=====SiCl4，SiCl4＋2H2=====Si＋4HCl。

硅酸盐矿物与硅酸盐产品

1．硅酸盐

(1)表示方法——氧化物法

俗名

氧化物

表示法

(2)硅酸钠

①性质：

a．可溶于水，其水溶液称“水玻璃”。

b．水溶液可与盐酸、CO2反应产生沉淀。

②用途：

Na2SiO3溶液在建筑行业常用做黏合剂，经Na2SiO3溶液浸泡过的木材、纺织品等既耐锆石

ZrO2·

SiO2

红柱石

Al2O3·

SiO2

钙铝石榴子石

3CaO·Al2O3·

3SiO2

镁橄榄石

2MgO·

SiO2

高温高温高温高温

腐蚀又不易着火。

2．硅酸盐产品

硅酸盐产品

水泥

玻璃

陶瓷

[特别提醒] (1)硅酸是一种比H2CO3还弱的酸，且难溶于水。

(2)普通玻璃的成分为Na2SiO3、CaSiO3、SiO2可写成Na2O·CaO·6SiO2。

(3)玻璃是混合物，没有固定熔点，加热时在一定温度范围内软化。

(4)分子筛的成分是铝硅酸盐。

1．Na2SiO3为什么必须密封保存？

提示：Na2SiO3会吸收空气中的CO2和水蒸气而变质，反应的化学方程式为Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。

2．硅酸盐可写成二氧化硅和金属氧化物的形式，是否可理解成硅酸盐是二氧化硅和金属氧化物的混合物？

提示：否。硅酸盐结构复杂，通常用SiO2和金属氧化物的组合形式来表示其组成，但不是它们的混合物。

1．硅酸盐氧化物形式的改写

书写形式氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水

氧化物之间以“·”隔开配置原则：各元素原子总个数比值符合原来的组成

若出现分数时应化为整数原料

黏土、石灰石及石膏

石灰石、纯碱、石英

黏土

主要设备

水泥回转窑

玻璃熔炉

化学计量数

11例如：钠长石(NaAlSi3O8)不能写成Na2O·Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。

222．新型陶瓷的性能及用途

品种

高温结构

陶瓷

主要性能

①耐高温；②耐氧化；③耐磨蚀

主要用途

耐高温材料，洲际导弹的端头，火箭发动机的尾管及燃烧室，汽车发

动机，喷气发动机

压电陶瓷

能实现机械能与电能的相互转化

①优异的光学性能；②耐高温；③绝缘性好

超导性

二氧化硅

1．存在

沙石、石英、水晶、硅藻土等都是天然存在的二氧化硅。

2．物理性质

熔沸点很高、硬度很大，不溶于水。

3．化学性质

(1)常温下性质不活泼，不与水、酸(HF除外)反应。

(2)是一种酸性氧化物

―→SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O――→SiO2＋CaO高温,CaSiO3。

SiO2―

(3)特性：SiO2能与HF反应，化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

4．用途：用于制光导纤维、光学镜片、石英坩埚。

5．SiO2和CO2的比较

不

同

点

熔、沸点

状态

与水反应

与酸反应

与碱性氧

相

同

点

与某些盐

化物反应

与碱反应

SiO2

高

无色晶体

不反应

只与氢氟酸反应

CaO＋SiO2=====

CaSiO3

SiO2＋2NaOH=== Na2SiO3＋H2O SiO2＋Na2CO3=====

高温高温与NaOH与CaO电波滤波器、通话器、声纳探伤器、点火器

制高压钠灯的灯管，防弹“玻璃”

超导材料

透明陶瓷

超导陶瓷

CO2

低

气态

CO2＋H2O不反应

CO2＋CaO===CaCO3

CO2＋2NaOH=== Na2CO3＋H2O CO2＋H2O＋H2CO3

反应

Na2SiO3＋CO2↑

SiO2＋CaCO3=====

CaSiO3＋CO2↑

高温Na2CO3===2NaHCO3

CO2＋H2O＋Na2SiO3

===H2SiO3↓＋Na2CO3

与碳反应

SiO2＋2C=====

Si＋

2CO↑

高温CO2＋C=====2CO △硅单质

1．物理性质

硅晶体的熔点和沸点都很高，硬度很大，导电性介于导体和绝缘体之间，是一种半导体材料。

2．化学性质

(1)常温下，单质硅比较稳定，与O2、Cl2、硝酸、硫酸等都很难发生反应。

△高温―→――→(2)加热时―Si＋O=====SiOSi＋2Cl=====SiCl4

222

与O2反应与Cl2反应3．工业制法

SiO2――→Si(粗)――→SiCl4――→Si(纯) 高温高温高温反应的化学方程式依次为SiO2＋2C=====Si＋2CO↑，Si＋2Cl2=====SiCl4，SiCl4＋

2H2=====Si＋4HCl。

4．用途：硅用作半导体材料，制造集成电路。

1．用焦炭在电炉中隔绝空气还原SiO2制取粗硅时，为什么生成CO而不是CO2?

提示：制取粗硅时，工业生产中使用过量焦炭，发生反应：C＋CO2△,2CO，故产物是CO而不是CO2。

2．在焦炭与SiO2制取粗硅的反应中，还原剂和还原产物分别是什么？

提示：焦炭；硅。

1．硅的制备

硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个阶段：

(1)粗硅的制备：2C＋SiO2=====Si(粗硅)＋2CO↑

电炉高温高温高温高温CCl2H2

(2)纯硅的制备：Si(粗硅)＋2Cl2△,SiCl4、SiCl4＋2H2高温,Si(纯硅)＋4HCl。

2．硅及其化合物的“反常”

(1)硅的还原性比碳强，而碳在高温下却能从二氧化硅中还原出硅。

(2)非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，而硅却与强碱溶液反应放出氢气

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

(3)一般情况下，活泼金属与酸发生置换反应生成氢气，非金属单质与非氧化性酸不反应，但硅却与氢氟酸反应放出氢气：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

(4)一般情况下，酸性氧化物不与酸反应，但SiO2能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

(5)非金属氧化物一般沸点较低，呈气态，但二氧化硅熔点很高，是固态。H2SiO3是常温下呈固态的酸。

(6)无机含氧酸一般都溶于水，但硅酸不溶于水。

(7)常温下，硅的化学性质不活泼，但在自然界却不存在单质硅。

(8)硅酸钠叫泡花碱，但它是盐，硅酸钠水溶液又称水玻璃，但其与玻璃成分不完全相同。

(9)非金属单质一般为绝缘体，但硅为半导体，石墨为导体。

(10)硅具有“亲氟”性：Si＋2F2===SiF4，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

3．硅及其化合物的转化

发生反应的化学方程式：

①Si＋O2=====SiO2；

②SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；

③CO2＋H2O＋Na2SiO3===Na2CO3＋H2SiO3↓；

④H2SiO3=====SiO2＋H2O；

⑤SiO2＋2C=====Si＋2CO↑。

高温△△