最新硅和二氧化硅讲课教案.docx
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最新硅和二氧化硅讲课教案
20XX年XX月
摘要
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硅和二氧化硅
学科:
化学
教学内容:
硅和二氧化硅
【课前复习】
温故
1.自然界中,C的同素异形体天然存在的有_________、_________,人工制取的有_________、_________等;Si的同素异形体都是人工制取的,有_________、_________两种。
2.金刚石和硅晶体比较。
(1)硬度:
金刚石_____硅晶体;(填“大于”或“小于”;下同)
(2)熔点:
金刚石_____硅晶体;
(3)导电性:
金刚石_____硅晶体。
知新
3.C、Si同主族,化学性质相似,但也有差别,其中能与NaOH(aq)反应的是_____(写元素符号),化学方程式为______________;能与HF(aq)反应的是_____(写元素符号),反应方程式是____________________。
4.硅的用途十分广泛,作为良好的半导体,硅可用来制造_____、_____、_____等半导体器件,还可制成_____电池。
硅的合金用途也很广,含硅4%(质量分数)的钢可用来制造_____;含硅15%(质量分数)的钢可用来制造_____。
5.CO2、SiO2性质相似,都是酸性氧化物,分别写出它们与足量NaOH(aq)反应的化学方程式:
__________________、__________________;二者差别也很明显,其中能与H2O反应的是___________________(写出化学式),反应方程式为____________________。
6.SiO2与水反应吗?
为什么说SiO2是酸性氧化物?
7.SiO2与硅石、砂石、石英、水晶、玛瑙间有何关系?
【学习目标】
1.初步了解硅在自然界中的存在形态。
了解硅元素的常见同素异形体。
2.了解硅的物理性质和主要用途。
3.掌握硅的化学性质和制取方法。
这是本节学习的重点内容,也是本章重点之一。
4.了解二氧化硅的存在,知道石英、水晶、硅石与SiO2的关系。
5.掌握二氧化硅的化学性质,这是本节、也是本章的学习重点。
6.了解硅酸、原硅酸的性质和制取方法。
7.了解常见硅酸盐的主要用途。
8.理解硅酸盐的氧化物表示方法,知道其化学式中氧化物前计量数的含义。
【基础知识精讲】
一、硅的存在
(1)分布广:
地壳中到处都是。
(2)含量多:
地壳中含量居第二位,仅次于氧。
(3)化合态:
自然界中没有游离态的硅,所有的硅都是化合态的。
二、硅的同素异形体
自然界中有游离态的碳(如金刚石和石墨),没有游离态的硅,所有的单质硅都是人工制得的。
单质硅有晶体硅和无定形硅2种。
三、硅的物理性质
硅的主要物理性质可编拟口诀帮助记忆。
金属光泽灰黑硅,熔沸点高硬而脆,
游离化合两形态,电子管件半导体。
四、金刚石、石墨、硅晶体的导电性
金刚石和晶体硅属于原子晶体,由于金刚石中碳原子的四个价电子全部用来形成共价键,晶体内部结构中不存在自由电子,此外,又因形成晶体的C—C键长较短(1.55×10-10m),键能较大(346kJ·mol-1),成键的两个原子核对共用电子对的吸引力大。
即使有外界条件(光或热等)的作用,共用电子对也不会被激发成为自由电子,因此金刚石不导电;晶体硅虽结构与金刚石相似,晶体内部也无自由电子,但Si—Si的键长(2.35×10-10m)比C—C的键长长,键能(177kJ·mol-1)小于C—C的键能,成键的两个原子核对共用电子对吸引力较小,在外界条件(光或热)作用下,可摆脱两核的吸引力而成为自由电子,此时共用电子对离开共价键结构,原来的位置即成为带正电荷的空穴,显然自由电子和空穴总是成对出现的,称为电子—空穴对,由于自由电子的运动,使电子—空穴对不断变换,从而使晶体导电,但晶体硅通过这种方式导电有一定方向性,即单向导电,所以晶体硅被称为半导体。
石墨是导体,是因为石墨是层状结构。
在同一层中,每个碳原子只能与周围三个碳原子成键,这样每个碳原子都还有一个未成对电子即自由电子,通过自由电子而导电,故石墨是导体。
五、硅的化学性质
(1)常温下,Si化学性质稳定,但可与下列物质反应,而C不能。
①Si+4HF
SiF4↑+SiH4↑
②Si+2NaOH+H2O
Na2SiO3+2H2↑
(2)加热和高温下,Si能与一些非金属反应,与C相似。
①Si+O2
SiO2
②Si+2H2
SiH4
Si+F2
SiF4常温即可
六、SiO2的存在
SiO2广泛存在于自然界中,与其他矿物质共同构成了岩石。
(1)砂:
含较多杂质的SiO2;
(2)石英:
含较少杂质的SiO2;
(3)水晶:
透明的石英晶体,含极少杂质的SiO2;
(4)玛瑙:
含有色杂质的石英晶体。
(5)硅石:
天然二氧化硅。
七、SiO2的物理性质
坚硬难熔(或溶)
八、SiO2的化学性质
SiO2是酸性氧化物,但与水不反应,可与CaO、NaOH(aq)、HF(aq)反应:
(1)高温下与碱性氧化物的反应
CaO+SiO2
CaSiO3
(2)高温下与盐的反应
CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑
(3)常温下与NaOH(aq)的反应
2NaOH+SiO2
Na2SiO3+H2O
注意,不生成NaHSiO3,即没有下列反应发生
NaOH+SiO2
NaHSiO3
(4)常温下与HF(aq)的反应
SiO2+4HF
SiF4↑+2H2O
注意,SiF4在常温常压下也是气体。
九、联系实际,记忆SiO2的性质
(1)SiO2不溶于水。
砂石的主要成分是SiO2,砂石于河流、海滩中经上亿万年的冲蚀而存在,是SiO2不溶于水的最好注释。
(2)NaOH(aq)可用玻璃瓶盛放,但不可使用磨砂玻璃塞。
普通玻璃中含有SiO2,石英玻璃的主要成分是SiO2。
光滑的玻璃与NaOH(aq)不反应,所以可用玻璃试剂瓶盛NaOH(aq)。
粗糙的玻璃易与NaOH(aq)反应。
2NaOH+SiO2
Na2SiO3+H2O
生成的Na2SiO3能将磨砂的玻璃瓶和玻璃塞粘合在一起,久之不能打开,所以不能用带磨砂玻璃塞的玻璃瓶盛放NaOH等碱性溶液。
(3)HF雕刻玻璃。
量筒等仪器上的刻度,某些玻璃的花纹图案,是用HF(aq)雕刻的:
把不需要雕刻的部位用蜡覆盖,需要雕刻的部位裸露,然后将玻璃放在HF(aq)中,片刻即可。
这是由于SiO2被腐蚀的结果:
SiO2+4HF
SiF4↑+2H2O
操作时,要谨防HF中毒。
十、Si的工业制法
(1)制取粗硅——含少量杂质的硅
SiO2+C
Si+2CO↑
注意,高温下C的氧化产物是CO,而非CO2,因为即使生成CO2,也会发生以下反应:
C+CO2
2CO
(2)粗硅提纯
Si(粗)+Cl2
SiCl4
SiCl4+2H2
Si(纯)+4HCl
十一、硅酸和原硅酸
1.主要性质
(1)物理性质
硅酸和原硅酸都是难溶于水的酸。
(2)化学性质
①硅酸和原硅酸都是弱酸,它们都不能使紫色石蕊试液变红色。
②硅酸和原硅酸都是不稳定的酸,受热易发生分解反应
H4SiO4
H2SiO3+H2O;H2SiO3
H2O+SiO2
③硅酸和原硅酸都能与碱溶液反应
2NaOH+H2SiO3
Na2SiO3+2H2O
2NaOH+H4SiO4
Na2SiO3+3H2O
2.制取方法
用可溶性硅酸盐和酸溶液反应。
①Na2SiO3(aq)与强酸的反应
Na2SiO3+2HCl
2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+2HCl+H2O
H4SiO4↓+2NaCl
②Na2SiO3(aq)与CO2的反应
Na2SiO3+H2O+CO2
H2SiO3↓+Na2CO3
Na2SiO3+2H2O+2CO2
H2SiO3↓+2Na2HCO3
Na2SiO3+2H2O+CO2
H4SiO4↓+Na2CO3
Na2SiO3+3H2O+2CO2
H4SiO4↓+2Na2HCO3
十二、常见硅酸盐
(1)硅酸钠
①Na2SiO3(aq)俗名水玻璃。
②水玻璃的主要用途:
工业粘合剂、防腐剂和耐火材料。
(2)粘土
①粘土的主要成分是铝硅酸盐;
②粘土的常见种类有高岭土(也叫瓷土)和一般黏土。
③粘土的主要作用是制造陶瓷器。
十三、硅酸盐的氧化物表示方法
硅酸盐的种类很多,结构也很复杂,通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成。
如:
硅酸钠:
Na2SiO3(Na2O·SiO2)
高岭石:
Al2(Si2O5)(OH)4 (Al2O3·2SiO2·2H2O)
镁橄榄石:
Mg2SiO4(2MgO·SiO2)
注意事项:
①在硅酸盐的氧化物表示式中,氧化物的排列顺序是:
金属氧化物SiO2·H2O;当有多种金属氧化物时,活泼金属的氧化物写在前面。
②在硅酸盐氧化物的表示式中,氧化物前面的计量数只对该氧化物起作用,对其他氧化物不起作用。
如:
2MgO·SiO2表示2个MgO和1个SiO2,不能认为是2(MgO·SiO2)。
十四、硅及其化合物的反常性质
(1)硅的还原性比碳强,但碳在高温下却能从二氧化硅中还原出硅:
SiO2+2C
Si+2CO↑;这是由于生成物CO是气体逸出的原因。
工业上将Na和KCl的混合物升温至K的沸点以上Na的沸点以下,使K逸出制取K,原理与上相同。
(2)非金属单质一般不与弱氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成:
Si+4HF====SiF4↑+2H2↑。
(3)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↑。
(4)虽然SiO2是硅酸的酸酐,但却不能用SiO2与水反应制备硅酸,而只能用可溶性硅酸盐跟酸作用来制备。
(5)酸性氧化物一般不与酸反应(除氧化—还原反应外),而二氧化硅却能与氢氟酸反应。
(6)无机酸一般易溶于水,而硅酸和原硅酸却难溶于水。
(7)反应Na2SiO3+CO2+2H2O
Na2CO3+H4SiO4↓、Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑能够进行,这是由于前者生成不溶于强酸的沉淀,后者生成气体逸出的缘故。
【学习方法指导】
[例1]下列物质俗名、化学式、用途均相符的一组是()
A.水玻璃Na2SiO3粉末建筑工业粘合剂
B.重晶石 BaCO3粉末 钡餐
C.苏打 Na2SO4·10H2O泡沫灭火器原料
D.生石膏2CaSO4·H2O人物塑像
解析:
水玻璃是Na2SiO3的水溶液,A不正确。
重晶石是BaSO4晶体,不是BaCO3粉末,前者可用于钡餐,后者不能,B不正确。
苏打是Na2CO3·10H2O,但泡沫灭火器中用的是小苏打溶液。
这样,可知答案。
用石膏塑像时,先将生石膏加水调成糊状:
2CaSO4·H2O+2H2O
2[CaSO4·2H2O]
CaSO4·2H2O具有可塑性,附着在模具上,风干后定型为石膏塑像。
答案:
D
[例2]SiC的一种晶体有类似于金刚石的结构,其中C原子与Si原子的位置是交替排列着的。
以下三种晶体:
①金刚石 ②晶体硅③碳化硅,它们的熔点由高到低的顺序为( )
A.①③②B.②③①
C.③①②D.②①③
解析:
三种物质均属原子晶体,键长越长,则键能越小,熔点越低。
由于键长:
C—C键 C—C键>C—Si键>Si—Si键,故熔点: 金刚石>碳化硅>晶体硅。 答案: A [例3]下列关于硅的叙述中正确的是( ) A.硅是非金属元素,但是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起反应 D.硅与氟、氯、溴、碘在加热条件下也不能直接化合 解析: 常温下,硅能与氢氟酸、强碱溶液反应,在加热条件下能与F2、Cl2、Br2、I2反应: Si+4HF SiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2↑ Si+2Cl2 SiCl4Si+2Br2 SiBr4 答案: AB [例4]下列盛放试剂的方法正确的是() A.氢氟酸或浓硝酸盛放在带橡皮塞的棕色玻璃瓶中 B.汽油或煤油存放在带橡皮塞的棕色玻璃瓶中 C.Na2CO3(aq)或Ca(OH)2(aq)存放在配有磨口塞的棕色玻璃瓶中 D.氯水或AgNO3(aq)存放在配有磨口塞的棕色玻璃瓶中 解析: 氢氟酸能腐蚀玻璃,不能盛放在玻璃瓶中;浓HNO3有强氧化性,能氧化橡皮塞使其变脆,不能盛放在带橡皮塞的试剂瓶中;汽油、煤油易挥发,能使橡皮塞产生溶胀,不能盛放在带橡皮塞的试剂瓶中;Na2CO3(aq)、Ca(OH)2(aq)都呈碱性,不能盛放在配有磨口塞的试剂瓶中。 氯水或AgNO3(aq)不能与Na2SiO3反应(无光的条件下)。 答案: D [例5]X、Y两元素能以共价键结合成化学式为XY2的物质;X、Y两元素可能分别属于元素周期表中的族是() A.ⅠA和ⅤAB.ⅣA和ⅥA C.ⅡA和ⅥAD.ⅠA和ⅥA 解析: 首先排除X、Y中含H元素的可能;若X为H元素,则HY2不存在;若X为H元素,则H、Y形成化合物的化学式为H2Y,而非YH2。 若X为+1价,则“Y2”为-1价,超氧化钾(KO2)符合要求,但超氧化钾(KO2)是离子化合物,不符合题意。 HO2是共价化合物,但不存在;事实上,没有这样的共价化合物。 若X为+2价,则Y为-2价,则不符合XY2,备选项C不可选。 若X为+4价,则Y为-2价,则以共价键结合的CO2和SiO2等符合题意,备选项B可选。 答案: B [例6]矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的。 此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2同时作用的过程。 例如钾长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土〔Al2Si2O5(OH)4〕,此反应的离子方程式为 2KAlSi3O8+2H2CO3+9H2O 2K++2HCO +4H4SiO4+Al2Si2O5(OH)4 这个反应能够发生的原因是____________________________。 解析: 分析反应方程式,不难看出 H2CO3 H4SiO4 此即符合“强酸制弱酸”的复分解反应规律,原因可依次而答。 答案: 因为H2CO3的酸性比H4SiO4强,所以硅酸盐可与较强酸H2CO3反应生成碳酸盐和较弱酸H4SiO4。 [例7]三硅酸镁被用来治疗胃酸过多的胃溃疡,是因为该物质不溶于水,服用后能中和胃酸,作用持久。 把三硅酸镁Mg2Si3O8·nH2O改写成氧化物的形式为__________,它中和胃酸(HCl)的化学方程式是___________________。 解析: 若直接写Mg2Si3O8·nH2O与HCl(aq)的反应,则无从下手,先将Mg2Si3O8·nH2O改写成氧化物形式: 2MgO·3SiO2·nH2O,再写与HCl(aq)的反应则较易。 答案: 2MgO·3SiO2·nH2O 2MgO·3SiO2·nH2O+4HCl 2MgCl2+3SiO2+(n+2)H2O [例8]A、B是短周期元素的单质,甲、乙、丙、丁是仅含短周期元素的化合物,它们之间有下图所示的关系: 试回答下列问题: (1)A是__________________,原因是_________________________。 (2)B是________,写出工业上由甲制A的化学方程式: ______________。 (3)写出各化合物的化学式: 甲______________、乙_______________、丙_____________、丁_____________。 解析: 单质A能与NaOH(aq)反应产生H2,在短周期元素的单质中只有Si和Al: Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑ 2Al+2NaOH+2H2O====2NaAlO2+3H2↑ Na2SiO3和NaAlO2分别与过量HCl(aq)的反应为: Na2SiO3+2HCl+H2O====H4SiO4↓+2NaCl NaAlO2+4HCl====AlCl3+NaCl+2H2O H4SiO4可失水生成SiO2,而AlCl3和NaCl皆不能: H4SiO4 SiO2+2H2O 故A为Si。 由丁(H4SiO4) 甲,可知甲为SiO2,丙为H2O。 答案: (1)Si 短周期元素的单质能与NaOH(aq)反应放出H2的只有Al和Si,但铝的氢氧化物溶于过量盐酸受热不发生分解反应 (1)O2SiO2+2C Si+2CO (3)SiO2 Na2SiO3 H2O H4SiO4 [例9]为测定生铁里碳、硅、硫的质量分数,将10.00g样品在氧气中充分燃烧,并将生成的气体冷却,测定其体积在标准状况下为567 mL(不含氧气),再使混合气先通过浓硝酸,再通过澄清的石灰水充分吸收,将生成的白色沉淀滤出后干燥,称其质量为2.50g,将燃烧后生成的固体用盐酸溶解后过滤,煅烧滤出的残渣称其质量为0.75 g,试计算生铁里碳、硅、硫的质量分数各为多少? 解析: 由题意: C CO2 CaCO3 12g22.4L100g m(C)V(CO2)2.50g m(C)= =0.300 g w(C)= ×100%=3.00% V(CO2)= =0.560L S+O2 SO2 32g22.4L m(S)0.567L-0.560L m(S)= =0.01g w(S)= ×100%=0.1% Si+O2 SiO2 2860 m(Si)0.75g m(Si)= =0.35 g w(Si)= ×100%=3.5% 答案: w(C)=3.00%,w(Si)=3.5%,w(S)=0.1% 【同步达纲训练】 1.下列元素的单质中,最易与H2反应生成氢化物的是() A.硅 B.碳 C.氮 D.氟 2.下列含氧酸的酸酐不能由单质和氧气直接反应得到的是() A.H2SiO3B.H2CO3 C.H2SO4D.H3PO4 3.将过量的CO2通入下列溶液中,最终出现浑浊的是( ) A.CaCl2溶液B.石灰水 C.饱和Na2CO3溶液D.水玻璃 4.下列物质不跟任何酸起反应的是( ) A.NaOHB.CO2 C.Na2SiO3D.SiO2 5.能用带磨砂玻璃塞的试剂瓶盛放的物质是( ) ①石英砂 ②过氧化钠③烧碱④纯碱⑤水玻璃⑥芒硝 A.①和⑥B.②和④ C.④和⑤D.③和⑤ 6.下列物质不能跟NaOH溶液反应的是( ) ①CO②CO2③SiO2④SO2⑤CaSiO3 A.①和⑤B.③和④ C.①和③D.③和⑤ 7.二氧化硅是酸性氧化物的原因是( ) A.它溶于水得相应的酸 B.它对应的水化物是可溶性强酸 C.它与强碱溶液反应只生成盐和水 D.它是非金属氧化物 8.将SO2气体徐徐通入悬浮着棕色PbO2的热水中,一段时间后,将发生的现象是( ) A.悬浮物消失 B.悬浮物由棕色变为白色 C.有硫化氢气体逸出 D.析出浅黄色沉淀 9.下列物质的溶液暴露在空气中,不产生浑浊现象的是( ) A.Ca(OH)2B.NaOH C.Na2SiO3D.H2S 10.下列变化中,不能一步实现的是( ) A.Na2SiO3→H4SiO4B.H2SiO3→SiO2 C.SiO2→H2SiO3D.SiO2→Na2SiO3 11.实验室保存下列药品的方法正确的是_________(填代号)。 A.少量金属钾保存在煤油中 B.少量白磷保存在CS2中 C.水玻璃保存在带玻璃塞的细口瓶中 D.液溴保存在细口瓶中,并在瓶中加少量水 E.浓硝酸保存在棕色试剂瓶中 F.KOH(aq)保存在带玻璃塞的细口瓶中 12.由SiO2制纯硅经过下列三步,试写出其中反应的化学方程式。 (1)工业上在电炉中用炭还原SiO2制粗硅__________________。 (2)粗硅在高温下与氯气反应生成四氯化硅_________________________________。 (3)四氯化硅经分馏、提纯用氢气还原,得纯硅_____________________________。 13.由SiO2制取H2SiO3经过以下三步,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(aq)溶解SiO2: ___________________; (2)过滤,向滤液中加入盐酸,至沉淀不再产生: ___________________; (3)过滤,得固体;微热,得硅酸: ___________________。 14. (1)除去CO2中的少量CO,可使混合气体通过___________________。 (2)除去CO中的少量CO2和水蒸气,可使混合气体通过_____________。 (3)除去CO2中的少量SO2,可使混合气体依次通过________和________。 (4)检验SO2中是否混有CO2,可使混合气体依次通过_______________和_____________。 (5)除去二氧化硅中混有的少量碳酸钙的实验方法是_______________。 (6)除去二氧化硅中混有的少量硅酸钠的实验方法是_______________。 (7)检验生石灰里含有石英和石灰石的化学方法是__________________。 15.某课外活动小组实验测得某硅酸盐所含氧化物的质量分数如下表: 氧化物 CaO Al2O3 SiO2 H2O 质量分数 0.1420 0.2602 0.4592 0.1378 请你通过计算,写出该硅酸盐的普通化学式和氧化物表示式。 (1)普通化学式为__________________; (2)氧化物表示式为_______________。 16.A和B两种元素的原子最外层电子数相等,但相差一个电子层,A、B的单质在常温下是同一状态;A和C两元素位于周期表同一周期,并能形成化合物AC2,每个AC2分子中共有22个电子。 请回答: (1)A、B、C各是什么元素,并画出它们的原子结构示意图。 (2)比较A和B的最高价氧化物的酸性强弱,并举一个具体反应加以说明。 (3)排出A、B、C原子半径由小到大的顺序。 (4)写出B的氢化物在空气中自燃的化学方程式,并注明电子得失的方向和数目。 17.框图中,A、B、C是单质,甲、乙、丙等是化合物;物质中所包含的元素都是短周期元素。 试回答下列问题: (1)写出A、B、C的化学式: __________、__________、__________; (2)写出甲、丙、己的化学式: _________、__________、__________; (3)框图所列单质和化合物中,含有碳元素的是_____(写字母代号或汉字代号)。 18.铝和硅均能与强碱溶液反应,离子方程式分别为 2Al+2OH-+2H2O====2AlO-2+3H2↑ Si+2OH-+H2O====SiO +2H2↑ 现有一铁、硅、铝的混合物13.0g,当与足量盐酸反应时,生成标准状况下的氢气11.2L;若将等质量的混合物与足量的NaO
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