第三单元　含硅矿物与信息材料教学设计实例

第三单元

含硅矿物与信息材料

1．硅元素在地壳中的含量居第2位，仅次于氧。

2．在冶铁工业中，生成炉渣的主要成分为CaSiO3，相关反应为：CaCO3=====CaO＋CO2↑，CaO＋SiO2=====CaSiO3。

高温高温

一、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)物理性质：可溶于水，其水溶液称“水玻璃”。

(2)化学性质：

①与盐酸反应：

Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3＋2NaCl。

②与H2CO3反应：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3＋Na2CO3。

3．用途

Na2SiO3溶液在建筑行业常用做黏合剂，经Na2SiO3溶液浸泡过的产品既耐腐蚀又不易着火。

二、硅酸盐产品

硅酸盐产品

原料

主要设备

锆石

ZrO2·SiO2

红柱石

Al2O3·SiO2

钙铝石榴子石

3CaO·Al2O3·3SiO2

镁橄榄石

2MgO·SiO2

水泥

玻璃

陶瓷

三、二氧化硅与信息材料

1．二氧化硅

(1)物理性质：

黏土、石灰石

石灰石、纯碱、石英

黏土

水泥回转窑

玻璃熔炉

熔、沸点高，硬度大，不溶于水。

(2)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。

(3)用途：制作光学镜片，石英坩埚，还可用于制作光导纤维。

2．硅

(1)物理性质：

熔、沸点都很高，硬度大，导电性介于导体和绝缘体之间。

(2)化学性质：

①常温下，性质稳定，与O2、Cl2、HNO3、H2SO4都很难发生反应。

高温

(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。

高温高温高温CCl2H2

1．光能电池板的原料是什么？

答案：高纯度的晶体硅。

2．(1)硅酸钠水溶液为什么要密闭保存？

(2)实验室如何盛放氢氟酸？

(3)实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶为什么要用橡胶塞而不用玻璃塞？

答案：(1)Na2SiO3水溶液会与空气中的CO2反应。

(2)放在塑料瓶中密闭保存。

(3)NaOH与玻璃中的SiO2反应，生成Na2SiO3，把试剂瓶和瓶塞黏在一块不易打开。

3．工业上生产水泥、玻璃需要的共同原料是什么？答案：石灰石。

4．工业制硅的三个反应中，硅元素总是被还原吗？

答案：不是，硅与氯气的反应中，硅元素被氧化。

5．连连看。

①光导纤维

②硅芯片

③水泥

④水晶

⑤水玻璃

答案：①－b

②－a

③－c

④－b

⑤－c a．硅单质

b．二氧化硅

c．硅酸盐

[来源学*科*网Z*X*X*K]

1．硅酸盐表示方法——氧化物法

硅酸盐通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为：

(1)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。

(2)氧化物之间以“·”隔开。

(3)氧化物前的化学计量数配置原则：各元素原子总个数比符合原来的组成。

(4)化学计量数配置出现分数应化为整数。

2．三种硅酸盐产品的比较

主要原料

生产过程及主要反应

水泥

石灰石、黏土、石膏

原料――→生料――→

粉碎煅烧硅酸盐和硅酸盐产品

玻璃

纯碱、石灰石、石英

Na2CO3＋SiO2=====

高温陶瓷

黏土

混合→成型→干

石膏粉熟料――→成品

磨细Na2SiO3＋CO2↑

CaCO3＋SiO2=====

CaSiO3＋CO2↑

高温燥→烧结→冷却

3CaO·SiO2(硅酸三主要成分及种类

钙)、2CaO·SiO2(硅酸二钙)、3CaO·Al2O3(铝酸三钙) 普通玻璃(Na2SiO3、CaSiO3、SiO2)、石英玻璃、光学玻璃、钢化玻璃、有色玻璃

玻璃态物质，没有固抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘

陶瓷窑

土器、陶瓷、瓷器

主要性能

水硬性、不可逆过程

定的熔沸点，可在一定范围内软化

典型设备

共同特点

水泥回转窑

玻璃窑

高温条件下发生复杂的物理化学变化，冷却后成为成分复杂的硅酸盐

[例1]

下列说法正确的是(

) A．制取水泥和玻璃的原料中均有纯碱

B．普通玻璃是电的绝缘体，这种透明的固体物质是混合物，无固定的熔点

C．普通玻璃俗称水玻璃

D．硅酸盐工业使用的每一种原料都含有硅

[解析]

制取玻璃的原料中有纯碱，而制取水泥的原料中没有纯碱，A不正确；普通玻璃的组成一般为Na2O·CaO·6SiO2，故玻璃属于混合物，没有固定的熔、沸点，B正确；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不正确；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不正确。

[答案]

B

(1)硅酸盐工业使用的原料中有含硅的物质，但不是每种物质都含有硅；硅酸盐产品都是混合物。

(2)硅酸盐的组成可用氧化物的形式来表示，但不能认为它们的成分就是氧化物，仍应理解为硅酸盐。

二氧化硅的性质

二氧化碳与二氧化硅的比较

二氧化碳

二氧化硅

物理性质

与碳

与水

化[来源学科网Z,X,X,K]熔、沸点低，常温时是气体，微溶于水

CO2＋C=====2COCO2＋H2OH2CO3

不反应

CO2＋2NaOH=== Na2CO3＋H2O CO2＋CaO=== CaCO3

饮料、制碱

高温[来源学科网][来源学科网][来源学科网ZXXK]坚硬难熔的固体，不溶于水

SiO2＋2C=====Si＋2CO 不反应

除氢氟酸外不反应

SiO2＋2NaOH=== Na2SiO3＋H2O SiO2＋CaO=====

CaSiO3

光导纤维、化学仪器、光学仪器、电子部件

高温高温

与酸

与

NaOH 溶液

与CaO 学

性

质

用途

[例2]

下列关于二氧化硅的叙述中，正确的是(

) A．二氧化硅不溶于水，也不与水反应生成对应的酸

B．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应

C．二氧化硅在高温下与碳酸钠发生反应生成硅酸钠，产生CO2，说明硅酸的酸性强于碳酸，这就是用较强的酸制较弱的酸

D．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别

[解析]

二氧化硅在常温下为固体，熔点、沸点高，硬度大，不溶于水及一般溶剂，而二氧化碳在常温下为气体，熔点、沸点低，可溶于水形成碳酸。二氧化硅为酸性氧化物，因为二氧化硅可与碱溶液反应，生成盐和水。二氧化硅不能与一般的酸反应，但它可与氢氟酸反应，化学方程式为：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，二氧化硅在高温下可与Na2CO3发生反应：Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑，此反应能发生并不是硅酸的酸性强于碳酸，而是遵循高沸点物质制低沸点物质的原理。

[答案]

AD

SiO2既能与NaOH、KOH等反应，也能与氢氟酸反应，但SiO2不是两性氧化物，而属于酸性氧化物，因其与氢氟酸反应的产物不是盐和水。

硅及其化合物的特性

高温

高温(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：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑。

(2)非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，而硅却不然：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，但硅例外：

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)一般情况下，较强的酸与较弱的酸的盐溶液反应，制得较弱的酸，如Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3(胶体)。但制玻璃时却发生了下列反应：

Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑。

(6)SiO2是熔点最高的非金属氧化物，H2SiO3是常温下呈固态的酸。

(7)硅酸钠叫泡花碱，但它是盐，水溶液俗称水玻璃，但它和玻璃的成分并不完全相同。

(8)硅与烧碱溶液反应的实质和铝与烧碱溶液反应的实质相似，其中的氧化剂都是水。

(9)硅具有“亲氟”性：

Si＋2F2===SiF4，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

[例3]

下列关于硅的说法不正确的是(

) ．A．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体

B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料

C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应

D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应

[解析]

硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料；硅的化学性质稳定、常温下可与F2、HF、强碱溶液反应，加热和高温下可与O2、Cl2等非金属发生反应。

[答案]

C

高温

1．(对应考点一)在玻璃工业、水泥工业中都用到的原料是(

) A．纯碱

C．石灰石

B．石英

D．黏土

解析：玻璃工业的原料是石灰石、纯碱、石英；水泥工业的原料主要是石灰石、黏土，两者都用到石灰石。

答案：C 2．(对应考点一)昆仑玉的成分可简单看成是Ca2Mg5Si8O22(OH)2，则其用二氧化硅和金属氧化物的形式可表示为(

) A．CaO·MgO·SiO2·H2O B．2CaO·5MgO·8SiO2·H2O C．2CaO·MgO·SiO2·2H2O D．5CaO·2MgO·8SiO2·H2O 解析：根据昆仑玉的化学式，将Ca、Mg、Si、H分别写成氧化物的形式，按较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→SiO2→H2O的顺序排列，再调整各氧化物前的计量数并使其与昆仑玉化学式中一致，可得昆仑玉氧化物表示形式为2CaO·5MgO·8SiO2·H2O。

答案：B 3．(对应考点二)下列描述的性质与二氧化硅无关的是(

) A．装碱液的试剂瓶不能用玻璃塞

B．用氢氟酸刻蚀玻璃制成赏心悦目的雕花玻璃

C．用水晶和玛瑙制成一些美丽耐用的装饰品

D．水玻璃用作木材防火剂

解析：玻璃中的SiO2能与碱液反应生成硅酸盐，将玻璃塞与瓶壁粘结在一起，且SiO2能与HF反应生成SiF4气体，故可用氢氟酸刻蚀玻璃；水晶和玛瑙主要成分为SiO2，而水玻璃为Na2SiO3溶液，故答案为D。

答案：D 4．(对应考点二)[双选题]在一定条件下，既能跟二氧化碳反应，又能跟二氧化硅反应的是(

) A．稀盐酸

C．NaOH溶液

B．浓硫酸

D．木炭

解析：NaOH溶液、木炭既能与CO2反应，又能跟SiO2反应。

答案：CD

5．(对应考点三)下列试剂可用带磨口玻璃塞的玻璃试剂瓶保存的是(

) A．氢氟酸

B．硫酸

C．碳酸钠溶液

D．氢氧化钠溶液

解析：玻璃的成分中含SiO2，SiO2可与Na2CO3、NaOH反应生成Na2SiO3，而将瓶塞和瓶口粘结在一起，故盛放Na2CO3溶液、NaOH溶液的试剂瓶应用橡胶塞(或软木塞)；氢氟酸可腐蚀玻璃，故氢氟酸应用塑料瓶盛放而不能用玻璃瓶。

答案：B 6．(探究题)(1)(2010·上海高考，节选)胃舒平主要成分是氢氧化铝，同时含有三硅酸镁(Mg2Si3O8·nH2O)等化合物。

①三硅酸镁的氧化物形式为________。

②Al2O3、MgO和SiO2都可以制耐火材料，其原因是________。

a．Al2O3、MgO和SiO2都不溶于水

b．Al2O3、MgO和SiO2都是白色固体

c．Al2O3、MgO和SiO2都是氧化物

d．Al2O3、MgO和SiO2都有很高的熔点

(2)判断下列说法正确的是________。

A．(2010·山东高考)SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应

B．(2010·江苏高考)二氧化硅是生产光纤制品的基本原料

C．(2010·江苏高考)水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂

D．(2009·四川高考)晶体硅常用于制造光导纤维

解析：(1)①三硅酸镁写成氧化物形式为：2MgO·3SiO2·nH2O。②耐火材料一般熔点高难溶于水，故a、d项正确；

(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，符合酸性氧化物的定义，A正确；SiO2用于生产光导纤维，B正确，D错误；Na2SiO3水溶液可用于黏合剂、防火剂，C正确。

答案：(1)①2MgO·3SiO2·nH2O

②ad

(2)ABC

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。

高温

4．SiO2可用于制造硅单质及光导纤维，硅晶体可用作半导体材料，工业制备高纯硅的主要反应有SiO2＋2C=====Si＋2CO↑，Si＋2Cl2=====SiCl4，SiCl4＋2H2=====Si＋4HCl。

高温高温高温