必修2 第五章 第三节 无机非金属材料.docx
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必修2第五章第三节无机非金属材料
无机非金属材料
重难点
题型
分值
重点
1.掌握硅、二氧化硅的存在、结构特点和性质;
2.了解硅在无机非金属材料中的生产和应用;
3.重点掌握二氧化硅的化学性质
4.了解硅酸钠的性质和主要用途
选择和填空
4-6分
难点
掌握硅、二氧化硅的存在、结构特点和性质;
了解硅酸钠的性质和主要用途
核心知识点一:
一、硅酸盐材料
硅酸盐是由盐、氧和金属组成的化合物的总称,在自然界分布极广。
硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质,大多不溶于水,化学性质很稳定。
1.硅酸
(1)物理性质
不溶于水、无色透明、胶状(硅胶)。
硅胶多孔,吸附水分能力强,常用作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂,也可以用催化剂的载体。
(2)化学性质
弱酸性:
所以在与碱反应时只能与强碱反应
H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+H2OH2SiO3+2OH-=SiO32-+2H2O
比碳酸酸性弱:
Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3
硅酸的热稳定性较弱,受热易分解为SiO2和水:
H2SiO3
H2O+SiO2
(3)制备方法
由于SiO2不溶于水,所以硅酸只能用间接的方法制取,一般用可溶性硅酸盐+酸制得。
实验步骤
在试管中加入3~5mLNa2SiO3溶液(饱和Na2SiO3溶液按1∶2或1∶3的体积比用水稀释),滴入1~2滴酚酞溶液,再用胶头滴管逐滴加入稀盐酸,边加边振荡,至溶液红色变浅并接近消失时停止。
静置。
仔细观察变化过程及其现象
实验现象
滴加酚酞溶液后,溶液显红色;滴加盐酸后,溶液的红色逐渐消失,生成软而透明的胶冻状的凝胶
实验结论
硅酸钠溶液显碱性,可与酸反应;硅酸为白色固体,难溶于水
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓SiO32-+2H+=H2SiO3↓
【注意】①硅酸不溶于水,不能用SiO2与水反应制取硅酸
②硅酸的酸性比碳酸的酸性还弱,所以往可溶性硅酸盐溶液中通入CO2也可以制取硅酸:
Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓SiO32-+CO2+H2O=CO32-+H2SiO3↓
③如前所述,SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑,该反应在高温条件下进行,有利于CO2从体系中挥发出来,而SiO2为高熔点固体,不能挥发,所以反应可以进行,符合难挥发性酸酐制取易挥发性酸酐的原理;而上述反应“Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓”可以进行,是因为该反应是在溶液中进行的,符合复分解反应的原理,两者反应原理不矛盾
【想一想】碳酸和硅酸的酸性比较
2.硅酸钠
(1)物理性质:
最简单的硅酸盐是硅酸钠(Na2SiO3),可溶于水,其水溶液俗称水玻璃,是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
【注意】①硅酸钠溶液可用玻璃瓶盛装,但是不能用玻璃塞,应用橡胶塞或木塞。
②玻璃中含有二氧化硅,盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。
(2)化学性质
硅酸钠水溶液呈碱性,使酚酞溶液变红。
②硅酸钠与酸反应生成硅酸
由于硅酸是比碳酸还弱的酸,所以水玻璃易跟碳酸(CO2+H2O)及更强的酸反应,生成难溶于水的硅酸,如:
①通入少量的CO2:
Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓
SiO32-+CO2+H2O=CO32-+H2SiO3↓
由此可知Na2SiO3水溶液在空气中易变质
②通入过量的CO2:
Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3↓
SiO32-+2CO2+2H2O=2HCO3-+H2SiO3↓
(3)硅酸盐的组成
①表示方法:
与其他盐不同,硅酸盐的组成相当复杂,通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示他们的组成,其通式为aMxOy•bSiO2•cH2O。
式中aMxOy表示金属氧化物。
②书写方式:
找出组成元素→写成氧化物形式→原子守恒→检查有无遗漏→氧化物之间用“•”隔开。
③书写顺序:
活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。
例如:
Na2SiO3可表示为NaO·SiO2;CaSiO3可表示为CaO·SiO2;
石棉可表示为CaO·3MgO·4SiO2
【注意】低价金属氧化物写在前,高价金属氧化物写在后;活泼金属的氧化物写在前,不活泼金属的氧化物写在后。
3.硅酸盐材料
水泥
玻璃
陶瓷
原料
黏土、石灰石
石灰石、石英、纯碱
黏土
设备
水泥回转窑
玻璃熔炉
陶瓷窑
变化
复杂的物理、化学变化过程。
(加入适量石膏,调节水泥的硬化速度。
研成细粉就得到普通水泥,熔融制得水泥具有水硬性)
主要反应:
Na2CO3与CaCO3各自与SiO2在高温条件下反应生成Na2SiO3与CO2、CaSiO3与CO2
加水混合→成型→干燥→烧结→冷却
组成
硅酸三钙(3CaO·SiO2)
硅酸二钙(2CaO·SiO2)
铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
硅酸盐
用途
重要的建筑材料
玻璃瓶、化学实验用的玻璃仪器、窗玻璃等
在工农业、科技生活、实验室中使用广泛
核心知识点二:
二、新型无机非金属材料
1.硅单质
(1)存在
硅在地壳中的含量为26.3%,仅次于氧。
硅元素在自然界全部以化合态存在。
单质硅有晶体和无定形两种,硅是构成矿物和岩石的主要元素。
(2)物理性质
①硅在元素周期表中处理金属与非金属的过渡位置。
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。
带有金属光泽的灰黑色固体,晶体硅的熔点高(1410℃)、硬度大、有脆性。
②用途:
晶体硅的用途广泛,可以用来制造晶体管、光电池,硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心。
(3)化学性质
硅和碳是元素周期表里ⅣA族的元素,并且是上下邻居,它们原子结构的共同点是最外层是4个电子,但电子层数不同,碳原子和硅原子都既不容易失电子又不容易得电子,主要通过共用电子对形成正四价的化合物。
碳单质和硅单质的主要化学性质既有相似性又有差异性
(1)常温下化学性质不活泼,除与O2、F2、Cl2、HF、NaOH反应,一般不与其它物质反应
Si+2O2
SiO2
Si+2F2=SiF4
Si+2Cl2
SiCl4
Si+4HF=SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑
(2)加热时可与O2、Cl2等非金属反应
2.二氧化硅
(1)存在
二氧化硅是硅最重要的化合物
地球上存在的天然二氧化硅,其存在形态有结晶形和无定形两大类,统称硅石。
存在形式:
硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等(硅元素的亲氧性)
(2)结构
SiO2晶体具有多种晶型,其基本结构单元是如图所示的四面体,每个Si周围结合4个O,Si在中心,O在4个顶角;许多这样的四面体又通过顶角的O相连接,每个O为两个四面体所共有,即每个O跟2个Si相结合。
实际上,SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所构成的立体网状结构的原子晶体,因此,通常用SiO2来表示二氧化硅的组成,但并不存在单独的SiO2分子。
SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质,加上SiO2在自然界的广泛存在,从古到今都被人类广泛地应用着
(3)物理性质
熔点高、硬度大、难溶于水
(4)用途
光导纤维、化学仪器、光学仪器、钟表、建筑材料、饰品等;
但人长期吸入含有SiO2的粉尘就会患硅肺病(旧称为矽肺病)
(5)化学性质
二氧化硅的化学性质很不活泼,氢氟酸(HF)是唯一可以与之发生反应的酸:
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
SiO2是酸性氧化物,它可能发生哪些反应呢?
与碱性氧化物反应生成盐:
SiO2+CaO
CaSiO3
与强碱反应生成盐:
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O(在常温下反应进行得比较慢)
SiO2+2OH-=SiO32-+H2O
实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞,你知道为什么吗?
是因为该反应生成的Na2SiO3是一种矿物胶,日久能使瓶口与瓶塞发生黏合
与盐反应,在高温下,SiO2能与纯碱、大理石反应:
SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3
CaSiO3+CO2↑
说明:
上述两个反应是玻璃工业生产的主要原理
⑤与碳反应
SiO2中硅元素的化合价为+4价,这是硅元素的最高化合价,因此具有一定的氧化性,如SiO2在高温下能被C还原,制取粗硅。
SiO2+2C
Si+2CO↑
核心知识点一:
证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是( )
A.二氧化碳是气体,二氧化硅是固体
B.二氧化硅的熔点比二氧化碳高
C.二氧化碳溶于水形成碳酸,二氧化硅难溶于水
D.二氧化碳通入硅酸钠溶液中析出硅酸沉淀
【答案】D
【解析】A.二氧化碳是气体,二氧化硅是固体,与其对应酸的强弱无关,所以不能证明硅酸酸性弱于碳酸,故A不选;B.二氧化硅的熔点比二氧化碳高,与其对应酸的强弱无关,所以不能证明硅酸酸性弱于碳酸,故B不选;C.二氧化碳溶于水形成碳酸,二氧化硅难溶于水,与其对应酸的强弱无关,所以不能证明硅酸酸性弱于碳酸,故C不选;D.二氧化碳通入硅酸钠溶液中析出硅酸沉淀,则碳酸和硅酸钠反应生成硅酸,强酸制取弱酸,所以能说明硅酸酸性弱于碳酸,故D选项正确。
【考点】二氧化硅的性质
利用如图所示装置进行实验,将仪器a中的溶液滴入b中,根据c中所盛溶液,预测其中现象的是( )
选型
a
b
c
C试管中现象
A
浓盐酸
KMnO4
FeCl2溶液
溶液变棕黄色
B
稀硫酸
Na2S2O3
溴水
产生浅黄色沉淀
C
硼酸
Na2CO3
Na2SiO3溶液
析出白色沉淀
D
浓硫酸
铁片
KI-淀粉溶液
溶液变蓝色
【答案】A
【解析】浓盐酸被高锰酸钾氧化生成氯气,氯气氧化氯化亚铁生成氯化铁,溶液变为棕黄色,A正确;稀硫酸和硫代硫酸钠反应生成S和SO2,SO2被溴水氧化生成硫酸,得不到浅黄色沉淀,B错误;硼酸的酸性弱于碳酸,不能与碳酸钠反应,C错误;常温下铁在浓硫酸中饨化,D错误。
【考点】硅酸的酸性
核心知识点二:
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,投入氢氧化钠溶液中看其是否溶解
【答案】D
【解析】SiO2不溶于除氢氟酸以外的酸,CaO、CaCO3均可溶于盐酸,且CaCO3溶于盐酸时会有气泡产生,SiO2能溶于NaOH溶液。
【考点】二氧化硅的化学性质
晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:
①高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅,同时得到一种可燃性气体;②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si+3HCl
SiHCl3+H2);③SiHCl3与过量的H2在1100~1200℃的温度下反应制得纯硅,已知SiHCl3能与水剧烈反应,在空气中易自燃。
请回答:
(1)第一步制取粗硅反应的化学方程式为__________________________。
(2)粗硅与HCl气体反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6℃)和HCl(沸点-84.7℃),提纯SiHCl3采用的方法为______。
(3)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去):
①装置B中的试剂是___________,装置C中的烧杯需要加热,目的是___________________。
②反应一段时间后,装置D中观察到的现象是______________________,装置D不能采用普通玻璃管的原因是____________________________________,装置D中发生反应的化学方程式是______________________。
③为保证制备纯硅实验的成功,操作的关键是检查实验装置的气密性,控制好反应温度以及________________________。
【答案】
(1)SiO2+2C
Si+2CO↑
(2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 ②有固体物质生成 在题给反应温度下(1100~1200℃),普通的玻璃会软化 SiHCl3+H2
Si+3HCl
③排尽装置中的空气
【解析】
(1)粗硅的制取是用碳还原二氧化硅,化学方程式为SiO2+2C
Si+2CO↑。
(2)SiHCl3与SiCl4、HCl沸点相差很大,可用分馏法提纯SiHCl3。
(3)①因SiHCl3与水剧烈反应,故A中产生的H2必须干燥,因此B中的试剂为浓硫酸,且C中烧瓶需加热,其目的是使SiHCl3汽化,加快其与H2的反应速率。
②石英管中产生的物质应为硅,故D中有固体产生,由题给信息,制纯硅的反应条件为1100~1200℃,此温度下普通的玻璃容易软化。
③因高温下H2与O2反应容易爆炸,故还应排尽装置中的空气。
【考点】硅的制备
(答题时间:
25分钟)
一、选择题
1.下列试剂中,能用带玻璃塞的试剂瓶贮存的是( )
A.氢氟酸 B.氢氧化钠溶液 C.盐酸 D.水玻璃
2.下列物质中在一定条件下能与SiO2起反应的是()
①浓H2SO4;②H2O;③浓硝酸;④氢氟酸;⑤KOH溶液;⑥氧化钙;⑦碳酸钠
A.①②⑥B.②④C.④⑤⑥⑦D.③④⑤⑥
3.下列反应不能一步完成的是( )
A.SiO2→Na2SiO3B.SiO2→H2SiO3
C.Na2SiO3→H2SiO3D.H2SiO3→SiO2
4.下列关于二氧化硅和二氧化碳的说法中错误的是( )
A.与二氧化碳分子相似,1个硅原子和2个氧原子构成1个二氧化硅分子
B.通常状况下,二氧化碳为气态,二氧化硅为固体
C.二氧化硅和二氧化碳都能与氧化钙反应生成盐
D.二氧化硅和二氧化碳都能与氢氧化钠溶液反应生成盐和水
5.下列叙述中,正确的是()
A.可用带玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH溶液
B.SiO2和CO2都是酸性氧化物,既能与水反应,又能与NaOH溶液反应
C.SiO2与纯碱在高温条件下反应生成CO2,说明硅酸的酸性比碳酸强
D.石灰石是工业制备普通玻璃和水泥的共同原料
6.《天工开物》记载:
“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙黏土而为之”,“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”,“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。
下列说法错误的是( )
A.沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化
C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦
D.黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
7.下列关于无机非金属材料的说法中正确的是( )
A.传统无机非金属材料是指:
光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B.新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点,但强度比较差
C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点
D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
1.【答案】C
【解析】氢氟酸应该保存在塑料瓶中;保存氢氧化钠溶液用橡胶塞或软木塞;水玻璃具有黏性,能使玻璃瓶与瓶塞牢固地黏在一起,也应该用橡胶塞或软木塞。
2.【答案】C
【解析】①SiO2是酸性氧化物,与浓H2SO4不能反应,①不符合题意;
②H2O与SiO2不能反应,②不符合题意;
③SiO2是酸性氧化物,与浓硝酸不能反应,③不符合题意;
④氢氟酸与SiO2反应生成SiF4、H2O,④符合题意;
⑤SiO2是酸性氧化物,与强碱KOH溶液反应生成K2SiO3、H2O,⑤符合题意;
⑥氧化钙是碱性氧化物,可以与SiO2在高温下反应生成硅酸钙,⑥符合题意;
⑦SiO2与碳酸钠在高温下反应生成硅酸钠和二氧化碳,⑦符合题意;
可以与二氧化硅反应的为④⑤⑥⑦,因此合理选项是C。
3.【答案】B
【解析】二氧化硅可与氢氧化钠直接反应生成硅酸钠;Na2SiO3溶液中通入CO2或加入盐酸都可以生成H2SiO3;硅酸可直接加热分解生成二氧化硅,故只有B符合题意。
4.【答案】A
【解析】A.二氧化硅为原子晶体,是由硅原子与氧原子构成,不存在分子,故A错误;B.通常状况下,二氧化碳为气态,二氧化硅为固体,故B正确;C.二氧化硅和二氧化碳均为酸性氧化物,都能够与碱性氧化物氧化钙反应生成盐,故C正确;D.二氧化硅和二氧化碳均为酸性氧化物,都能与氢氧化钠溶液反应生成盐和水,故D正确。
5.【答案】D
【解析】A.NaOH溶液能够与玻璃的成分SiO2反应产生可溶性的硅酸钠,硅酸钠有粘性,会将玻璃塞与试剂瓶黏在一起,因此不可用带玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH溶液,A错误;B.SiO2是难溶于水的酸性氧化物,B错误;C.SiO2与纯碱在高温条件下反应生成CO2,是因为硅酸酸酐的沸点比碳酸酸酐的沸点高,与酸性强弱无关,C错误;D.制取普通玻璃的原料是石灰石、纯碱、二氧化硅,制取水泥的原料是黏土、石灰石,因此石灰石是工业制备普通玻璃和水泥的共同原料,D正确。
6.【答案】A
【解析】A项,沙子的主要成分是二氧化硅,不是硅酸盐,错误;B项,硅酸盐工业煅烧过程中发生一系列复杂的物理、化学变化,正确;C项,自然冷却生成的物质中铁元素为+3价,所以为红瓦,浇水过程中,水在高温下与碳反应生成还原性气体CO,Fe3+被还原为Fe2+,所以成青瓦,正确;D项,砖瓦和陶瓷的主要原料为黏土,正确。
7.【答案】C
【解析】A项中,光导纤维是新型无机非金属材料;B项中,强度比较差是错误的;D项中新型无机非金属材料中的光导纤维、单晶硅等其成分都不是硅酸盐。
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- 必修2 第五章 第三节 无机非金属材料 必修 第五 三节 无机 非金属材料