第二节　资源综合利用　环境保护多媒体教学设计及其点评

第一节

无机非金属材料的主角——硅

第1课时

二氧化硅和硅酸

学习目标

核心素养建构

1.了解硅元素的原子结构特点和存在形式。

2.了解SiO2的存在形态，掌握其化学性质。

3.认识硅酸的组成和性质，了解硅胶的形成和性质。

[知

识

梳

理] 一、二氧化硅

1．硅元素的存在及原子结构

2．二氧化硅

(1)存在

石英、水晶、玛瑙、光导纤维、沙子的主要成分是SiO2。

(2)结构

SiO2晶体是立体空间网状结构，每个Si周围结合4个O，每个O周围结合2个Si，Si∶O＝1∶2。

1

(3)物理性质

熔点

高

(4)化学性质

硬度

大

溶解性

不溶于水

(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实验室使用的石英坩埚。

【自主思考】

1．碳与硅的最外层均为4个电子，且碳比硅活泼，但碳在自然界中有稳定的单质，硅却没有，为什么？

提示

硅为亲氧元素，在自然界中不能稳定存在。

2．实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡皮塞，而不用玻璃塞？

提示

玻璃中含有SiO2，SiO2与NaOH反应生成有黏性的Na2SiO3，会使瓶塞与瓶口粘在一起，不易打开。

二、硅酸

1．物理性质

颜色：白色；状态：胶状；溶解性：难溶于水。

2．化学性质

3．制备

2

实验操作

实验现象

结论

4.硅胶

滴加酚酞后溶液呈红色，滴加稀盐酸后溶液变为无色，有白色胶状沉淀生成

Na2SiO3溶液呈碱性；滴加稀盐酸后反应的化学方程式：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓

[效

果

自

测] 1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)硅元素在自然界中既有化合态，又有游离态。(

) (2)SiO2是空间正四面体网状结构晶体。(

) (3)SiO2是酸性氧化物，与任何酸都不能发生反应。(

) (4)利用石英坩埚可熔融NaOH固体。(

) (5)向Na2SiO3溶液中通入CO2，有白色胶状沉淀产生，可证明酸性：H2CO3>H2SiO3。(

) (6)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。(

) 答案

(1)×

(2)√

(3)×

(4)×

(5)√

(6)√

2．下列关于碳和硅的比较，正确的是(

) A．碳和硅在自然界的存在形式都是既有游离态也有化合态

B．碳和硅的最高正价都是＋4价

C．硅元素在地壳中的含量占第二位，碳占第一位

D．硅与碳一样均含有两种常见价态的氧化物：SiO和SiO2

答案

B 3．硅胶和石英的主要成分都是SiO2，前者是结构疏松的SiO2，后者是结构致密的SiO2。两者成分相同，结构不同，化学性质相同，物理性质上表现出差别，具有不同的用途。由石英制取硅胶，经历以下三步，试写出每步反应的化学方程式(是离子反应的，写出离子方程式)。

(1)用NaOH溶液溶解石英：______________________________________________________。

3

(2)过滤加入盐酸，至沉淀不再产生：_______________________________________________。

(3)将所得硅酸溶胶干燥脱水得到硅胶：____________________________________________，

写出硅胶的一种用途：________。

2答案

(1)2OH＋SiO2===SiO23＋H2O

(2)SiO3＋2H===H2SiO3↓

(3)H2SiO3=====H2O＋－－－＋△SiO2

干燥剂(或催化剂载体)

探究一、SiO2与CO2的性质比较

【探究讨论】

1．为什么CO2和SiO2在化学性质上具有一定的相似性而物理性质差异很大？

提示

SiO2和CO2均属于酸性氧化物，故化学性质相似。CO2是由分子构成的，而SiO2是空间立体网状结构，故二者物理性质差异大。

2．有人说SiO2既能与NaOH反应，又能与HF反应，则SiO2属于两性氧化物，你认为呢？

提示

错误，因为SiO2与HF反应是特例且没有生成盐和水，与其他的酸不反应，SiO2属于酸性氧化物。

【点拨提升】

1．CO2与SiO2的结构与性质的异同

类别

结构特点

由CO2分子构成

常温下是气体，熔、物理性质

沸点低，可溶于水

与水反应

化学性质

与NaOH反应

与酸反应

CO2＋H2OH2CO3

不反应

CO2(少量)＋2NaOH===Na2CO3＋H2O

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

只与HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

不反应

硬度大，熔点高的固体，不溶于水

二氧化碳

二氧化硅

均为酸性氧化物

由氧原子与硅原子构成立体网状结构，无SiO2分子

4

CO2(过量)＋NaOH===NaHCO3

与CaO反应

2.SiO2的特性

(1)酸性氧化物一般能与水反应生成对应的酸，但SiO2不溶于H2O，不能直接与H2O反应生成H2SiO3。

(2)非金属氧化物的熔点一般较低，但二氧化硅的熔点很高。

(3)酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2可以与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

【典题例证1】

下列叙述正确的是(

) A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似

B．因为CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强

C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂

D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物

解析

CO2和SiO2都是酸性氧化物，和其物理性质无因果关系，CO2熔、沸点低，硬度小，微溶于水，SiO2的熔、沸点高，硬度大，不溶于水。CO2和SiO2的物理性质相差较大，A项不正确；CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑，反应进行的原因是SiO2沸点高、CO2沸点低，而“较强酸制较弱酸”是溶液中复分解反应规律，B项不正确；CO2和SiO2都与碳反应，碳作还原剂，CO2和SiO2作氧化剂，C正确；SiO2与HF反应是特性且没有生成盐，SiO2不与其他酸反应，故SiO2不属于两性氧化物，D项不正确。

答案

C 【学以致用1】

下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是(

) A．CO2、SiO2都能与碱性氧化物反应

B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸

C．二氧化硅可用来制作干燥剂，因二氧化硅可与水反应

D．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的

解析

CO2、SiO2均为酸性氧化物，对应的酸分别是H2CO3、H2SiO3；CO2与Na2CO3溶液在常温下发生反应，但SiO2只有在高温条件下才与Na2CO3固体发生反应；CO2由分子构成，SiO2由硅、氧原子按1∶2比例构成。

5

高温高温CO2＋CaO=== CaCO3

SiO2＋CaO=====

CaSiO3

高温

答案

A 探究二、硅酸的制备和性质

【探究讨论】

1．SiO2与H2O反应能生成H2SiO3吗？

提示

不能，SiO2不溶于水。

2．向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，呈什么颜色？再滴入稀盐酸，现象如何？反应的化学方程式是什么？

提示

红色，滴入盐酸后生成白色胶状物，红色褪去，Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。

【点拨提升】

1．H2SiO3的制备与性质认识误区

(1)H2SiO3不能由SiO2与H2O直接反应制备；

(2)H2SiO3是常见酸中唯一不溶于水的酸；

(3)一般不存在硅酸酸式盐。

Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体) 2．H2SiO3与H2CO3的比较

酸性

水溶性

稳定性

CO2和H2O 能溶于水

常温下易分解生成H2CO3

H2SiO3

均为弱酸，且酸性：H2CO3>H2SiO3

难溶于水

△受热易分解，化学方程式为H2SiO3=====SiO2＋H2O

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

转化关系

CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑

【典题例证2】

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

高温

(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。

6

(2)装置B所盛试剂是__________________________________________________________，

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)由此得到的结论：酸性______>______＞______。

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，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，故选用饱和NaHCO3溶液。

答案

(1)盐酸

(2)饱和NaHCO3溶液

吸收HCl气体

22(3)Na2SiO3溶液

SiO23＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO3(或SiO3＋2CO2＋2H2O===2HCO3－－－－＋H2SiO3↓) (4)HCl

H2CO3

H2SiO3

【学以致用2】

下列说法中，错误的是(

) A．硅酸是不挥发性酸，它能与食盐反应生成氯化氢

B．氢氟酸能和玻璃发生化学反应，所以氢氟酸要存放在塑料瓶中

C．水玻璃溶液中滴加酚酞溶液，溶液变红

D．烧碱溶液能腐蚀玻璃并生成硅酸钠，所以烧碱溶液不可以存放在带磨口玻璃塞的玻璃瓶中

解析

A项，硅酸酸性比盐酸弱且不稳定，不能制取HCl。B项，SiO2能与HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，故氢氟酸不能存放在玻璃瓶中。C项，Na2SiO3水溶液呈碱性，遇酚酞变红。D项，必须用橡胶塞，不能用磨口玻璃塞。

答案

A

1．下列关于碳、硅的说法正确的是(

) A．碳、硅的最外层均有4个电子，易得电子表现较强氧化性

B．硅是构成岩石的基本元素，地壳中含量处于第二位

7

C．硅在自然界中既有游离态又有化合态

D．碳的氧化物和硅的氧化物在常温常压下均为气体

解析

A项，碳、硅得失电子均不易；C项，硅为亲氧元素在自然界中无游离态；D项，SiO2为固体。

答案

B 2．下列物质的主要成分不是SiO2的是(

) A．石英

B．水晶

D．玛瑙

C．金刚石

解析

金刚石为碳的单质。

答案

C 3．关于地壳中含量占第一位和第二位的元素之间形成的化合物，有关其说法正确的是(

) A．化学性质不活泼

B．可溶于水且显酸性

C．熔沸点较低，物理性质与CO2相似

D．是酸性氧化物，不溶于任何酸

解析

该化合物为SiO2，SiO2不溶于水、熔沸点很高，与氢氟酸反应。

答案

A 4．下列关于碳酸(H2CO3)和硅酸(H2SiO3)的说法中错误的是(

) A．两者均为弱酸

B．两者均可使紫色石蕊试液变红色

C．CO2气体通入Na2SiO3溶液中可以制得硅酸

D．两者受热时均可以分解

解析

硅酸不能使紫色石蕊试液变红，B错误。因为H2CO3酸性强于H2SiO3，故可以用H2CO3制备H2SiO3：CO2＋H2O＋Na2SiO3===Na2CO3＋H2SiO3↓。

答案

B 5．指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～D选项中选择正确答案填入括号内。

(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(

) (2)Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑(

) 8

高温

(3)SiO2＋2C=====Si＋2CO↑(

) (4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(

) A．常应用于刻蚀玻璃

B．氧化性

C．酸性氧化物的通性

D．将挥发性酸酐从其盐中置换出来

答案

(1)C

(2)D

(3)B

(4)A 高温课时作业

基础巩固

1．关于二氧化硅，下列叙述中错误的是(

) A．二氧化硅晶体是一种质硬难熔的晶体

B．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸

C．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应

D．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别

解析

SiO2晶体是一种质地坚硬的晶体，不溶于水，也不能与水直接反应而生成H2SiO3，制取H2SiO3是利用可溶性硅酸盐与酸的反应。SiO2虽然是酸性氧化物，但它可以与氢氟酸发生反应，这是它的特性。SiO2＋4HF===SiF4↑十2H2O，氢氟酸可用于刻蚀玻璃就是利用了这一性质。

答案

C 2．在一定条件下，既能与CO2反应，又能跟SiO2反应的物质是(

) ①NaHCO3溶液

②浓硫酸

③NaOH溶液

④碳

A．①②

B．①③

C．②④

D．③④

解析

SiO2和CO2都属于酸性氧化物，能与碱反应，同时二者均具有弱氧化性，一定条件下能与单质碳反应；但二者均不与NaHCO3、浓硫酸发生反应。

答案

D 3．下列关于硅酸的叙述，错误的是(

) A．硅酸是一种很弱的酸

B．硅酸可由二氧化硅与水反应制得

C．硅酸不稳定，加热脱水会生成二氧化硅

9

D．硅酸可以由可溶性硅酸盐与盐酸反应制得

解析

二氧化硅对应的酸虽然是硅酸，但是由于二氧化硅不溶于水也不与水反应，所以B项错误。

答案

B 4．下列溶液可以盛放在玻璃瓶中，且能用玻璃塞的是(

) A．硅酸钠溶液

C．氢氧化钠溶液

B．氢氟酸

D．氯化钠溶液

解析

盛放碱性溶液的玻璃瓶要用橡胶塞而不能用玻璃塞，防止玻璃塞中的SiO2与碱液反应生成Na2SiO3而使瓶口和瓶塞黏结在一起；因为氢氟酸与玻璃中的SiO2反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，而使玻璃溶解，故不能用玻璃瓶盛放氢氟酸。

答案

D 5．下列说法错误的是(

) A．因SiO2不溶于水，故H2SiO3不是SiO2对应的酸，或者说SiO2不是H2SiO3的酸酐

B．CO2通入水玻璃可以得到硅酸沉淀

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，因而不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸

解析

SiO2不溶于水，不能与水反应生成H2SiO3，SiO2可看作是H2SiO3失去一分子H2O而形成，且SiO2与H2SiO3中硅元素价态相同，故SiO2是H2SiO3的酸酐，A项错误。

答案

A 6．能证明碳酸的酸性比硅酸强的事实是(

) A．二氧化碳溶于水生成碳酸，二氧化硅不溶于水也不直接与水反应生成硅酸

B．在高温条件下，二氧化硅与碳酸钠反应，生成硅酸钠和二氧化碳

C．二氧化硅的熔点比二氧化碳高

D．二氧化碳通入Na2SiO3稀溶液中，生成白色胶状沉淀

解析

要证明碳酸的酸性比硅酸强，依据较强酸制较弱酸原理，因为H2CO3与硅酸盐反应生成硅酸，故D项正确。酸性与溶解性、非水条件下反应及熔点无关。

答案

D 7．下列关于硅酸的说法正确的是(

) A．硅酸可以通过SiO2和水的化合反应直接制得

B．可用反应Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)制取硅酸

10

C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应

D．干燥剂“硅胶”的主要化学成分是硅酸

解析

A项SiO2不溶于水，也不与水反应；C项硅酸能溶于NaOH；D项“硅胶”的主要成分是SiO2。

答案

B 8．除去SiO2中混有的少量生石灰和石灰石，有如下操作：①加水溶解

②加水煮沸

③过滤

④加稀盐酸

⑤加稀H2SO4，正确的操作顺序是(

) A．①③

B．④③

C．⑤③

D．②③

解析

加稀盐酸与CaO、CaCO3反应生成CaCl2溶液，然后过滤得到SiO2固体。注意不能选用稀H2SO4，因CaSO4微溶，不易分离出SiO2。

答案

B 9．下表中括号内物质是杂质，试将除杂试剂及分离方法填入表内。

混合物

除杂试剂

除杂方法

答案

混合物

SiO2(Si) CO2(SO2) 饱和除杂试剂

除杂方法

氧气

NaHCO3溶液

加热

洗气

CO2

过滤

过滤

NaHCO3 SiO2 SiO2(Si)

CO2(SO2) NaHCO3 (Na2SiO3)

SiO2 (NaCl)

(Na2SiO3) (NaCl) 通入足量水

10.已知A是一种装饰品的主要成分，根据下图转化关系，回答下列问题。

(1)A的用途：________(任写一种)，B是________，D是________。

(2)写出下列反应的化学方程式：①________________________________________________。

④____________________________________________________________________________。

11

(3)写出下列反应的离子方程式：②________________________________________________。

③____________________________________________________________________________。

⑤____________________________________________________________________________。

解析

由A是一种装饰品的主要成分，高温下能与纯碱反应知，A是SiO2。SiO2与纯碱在高温下反应生成Na2SiO3和CO2，Na2SiO3与CO2在水中可反应生成H2SiO3，而H2SiO3受热分解又可生成SiO2，所以A是SiO2，B是Na2SiO3，D是H2SiO3。

答案

(1)制光导纤维

Na2SiO3

H2SiO3

(2)①Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑

④H2SiO3=====H2O＋SiO2

22(3)②CO2＋H2O＋SiO23===CO3＋H2SiO3↓或(2CO2＋2H2O＋SiO3===2HCO3＋H2SiO3↓) －－－－高温△③SiO2＋2OH===SiO23＋H2O －－⑤SiO23＋2H===H2SiO3↓

－＋能力提升

11．将过量的CO2分别通入：①CaCl2溶液，②Na2SiO3溶液，③Ca(OH)2溶液，④饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是(

) A．①②③④

C．①②③

B．②④

D．②③

H2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。根据酸解析

CO2溶于水：CO2＋H2O与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液无明显现象；过量的CO2通入浓

Na2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入Ca(OH)2溶液至过量，Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O，CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2，最终生成Ca(HCO3)2

而无沉淀；过量CO2通入饱和Na2CO3溶液中：Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3↓，生成的

NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而结晶析出，故选B。

答案

B 12．证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是(

) A．加入过量的盐酸，观察是否有气泡冒出

B．加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解

C．加热至高温，观察是否有气泡冒出，是否有硅酸钙生成

D．先加过量的盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现；若有不溶物则滤出，投入氢12

氧化钠溶液中看其是否溶解

解析

SiO2不溶于除氢氟酸以外的任何酸，CaO、CaCO3均可溶于盐酸，且CaCO3溶于盐酸有气泡生成，SiO2可以溶于NaOH溶液。

答案

D 13．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质。下列说法正确的是(

)

A．图中所有反应都不属于氧化还原反应

B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维

C．可用盐酸除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙

D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，其熔点很高

解析

图中SiO2与CaO、CaCO3、Na2CO3反应不属于氧化还原反应，SiO2与C、Si与Cl2、SiCl4与H2的反应属于氧化还原反应，A错误；光导纤维的主要成分是SiO2而不是硅酸盐，B错误；玻璃没有固定的熔点，D错误。

答案

C 14．A、B、C、D四种易溶于水的化合物只由表中的八种离子组成，且四种化合物中阴、阳离子各不相同。

阴离子

阳离子

Cl、SiO23、OH、NO3

－－－－H、Ag、Na、K

＋＋＋＋已知：A溶液呈强酸性，且A溶液与B、C溶液混合均产生白色沉淀，B的焰色反应呈黄色。回答下列问题：

(1)写出A、B、C、D的化学式：A________，B________，C________，D________。

(2)写出A溶液与B溶液反应的离子方程式：_______________________________________ ______________________________________________________________________________。

(3)请选出适合存放A、C、D溶液的试剂瓶的序号：

13

溶液

试剂瓶序号

＋A

C

－D

＋－－解析

因都为易溶于水的化合物，故Ag一定与NO3组成AgNO3，H不能与OH或SiO23－组合，故应与Cl组成HCl，则A为HCl，因A与B、C混合均产生白色沉淀且B的焰色反应为黄色，则B为Na2SiO3，C为AgNO3，剩余的一种物质D为KOH。

答案

(1)HCl

Na2SiO3

AgNO3

KOH (2)SiO23＋2H===H2SiO3↓

(3)①

③

②

－＋15．某学习兴趣小组想利用高岭土(其主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O)制备新型的净水剂。实验流程如下：

其中滤液C就是欲制备的净水剂。

试完成下列问题：

(1)写出混合物A、B，滤液C、沉淀D的主要成分：

A________________；B________________；

C________________；D________________。

(2)写出高岭土与纯碱加热熔融的两个化学方程式：

________________________________________________________________________、

________________________________________________________________________。

(3)该实验中，熔融高岭土、纯碱的混合物可以选用的坩埚有________。

A．玻璃坩埚

B．瓷坩埚

D．铁坩埚

高温C．氧化铝坩埚

解析

加热高岭土与纯碱的混合物，发生的反应为Al2O3＋Na2CO3=====2NaAlO2＋CO2↑、SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑，因此根据转化关系可知，A为偏铝酸钠和硅酸钠的混合物，B为硅酸和氯化铝的混合物，C为氯化铝，D为硅酸。因上述反应过程中二氧化硅、14

高温

氧化铝均能与碳酸钠反应，所以熔融高岭土、纯碱的混合物时只能选用铁坩埚。

答案

(1)NaAlO2和Na2SiO3

H2SiO3和AlCl3

AlCl3

H2SiO3

(2)SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑

Al2O3＋Na2CO3=====2NaAlO2＋CO2↑

(3)D

高温高温15