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第2课时 硅酸盐和硅单质
1．硅酸盐的组成和性质
①硅酸钠Na2SiO3 Na2O·SiO2
②硅酸钙CaSiO3 CaO·SiO2
③高岭石Al2Si2O5(OH)4
Al2O3·2SiO2·2H2O
④钠长石NaAlSi3O8
Na2O·Al2O3·6SiO2
2．最简单的硅酸盐——Na2SiO3
(1)物理性质：白色固体，Na2SiO3可溶于水，其水溶液俗称水玻璃。
(2)化学性质：与酸(如盐酸、碳酸)反应生成硅酸沉淀。化学方程式为：SiO＋2H＋===H2SiO3↓。
(3)用途：制造硅胶和木材防火剂的原料。
(4)硅酸盐岩石长期在水的侵蚀下风化为黏土，并且形成了土壤胶体。土壤胶体粒子表面积大而且一般带负电，能与NH、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。
3．三种常见的硅酸盐产品
无机非金属材料包括传统的和新型的两大类。
水泥、玻璃和陶瓷是三种常见的硅酸盐产品。其主要原料分别为黏土和石灰石，纯碱、石灰石和石英，黏土。其中制取水泥和玻璃的主要设备分别为水泥回转窑和玻璃窑。
4．其他含硅的物质
物质
性质
用途
SiC
俗称金刚砂，具有金刚石结构，硬度很大
砂纸、砂轮的磨料
含4%硅的硅钢
很高的导磁性
变压器铁芯
硅橡胶
既耐高温又耐低温，在－60℃～250℃保持良好的弹性
制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等
人工制造的分子筛(铝硅酸盐)
有均匀微孔结构
作吸附剂和催化剂
5．硅单质的形态与结构
6．硅单质的性质及用途
(1)主要性质：
①物理性质：晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
②化学性质：常温下化学性质稳定，除氢氟酸和强碱外，不与其他物质发生反应。
Si与氢氟酸、NaOH溶液发生反应的化学方程式分别为Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑、
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(2)重要用途：
①半导体材料，如硅芯片等。
②新型能源，如光电池等。
(时间20分钟，满分30分)
知识点一 硅酸盐的组成与性质
1．下列关于硅酸盐的说法正确的是( )
A．硅酸盐中的阴离子都是SiO
B．硅酸盐都难溶于水
C．通常用氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成，说明硅酸盐就是由各种氧化物组成的
D．Na2SiO3是最简单的硅酸盐，其水溶液可用作黏合剂
答案：D
解析：只有简单的硅酸盐中的阴离子是SiO，A项错误；硅酸钠可溶于水，B项错误；硅酸盐可以写成氧化物的组合形式，但硅酸盐并不是由氧化物组成的，C项错误。
2．下列物质的成分不含硅酸盐的是( )
A．石英玻璃 B．陶瓷
C．普通水泥 D．砖瓦
答案：A
解析：石英玻璃的成分是SiO2，其余的物质都是硅酸盐产品。
3．Na2O·CaO·6SiO2是一种( )
A．含氧酸 B．硅酸盐
C．氧化物 D．混合物
答案：B
解析：Na2O·CaO·6SiO2是一种硅酸盐，只是用氧化物的组合形式表示，并不是氧化物。
4．石棉属于硅酸盐矿物，某种石棉的化学式可表示为Ca2MgxSiyO22(OH)2，该化学式中x、y的值分别是( )
A．5、8 B．8、3
C．3、8 D．8、5
答案：A
解析：依据化合物中元素正负化合价代数和为零，可得4＋2x＋4y＝44＋2，即x、y必须满足关系式x＋2y＝21，由此可知，A项正确。
5．下列叙述正确的是( )
A．红宝石、珍珠、水晶、钻石等装饰品的主要成分都是硅酸盐
B．光导纤维导电能力很强，是一种很好的通讯材料
C．硅胶多孔，吸水能力强，所以常用作袋装食品的干燥剂
D．硅的化学性质不活泼，在自然界中主要以游离态存在
答案：C
解析：A项不正确，红宝石的主要成分是Al2O3，珍珠的主要成分是CaCO3，水晶的主要成分是SiO2，钻石是碳单质(即金刚石)，都不是硅酸盐。B项不正确，光导纤维的主要成分是SiO2，不能导电，但导光性很强，可作通讯材料。C项正确，硅胶用作干燥剂，是因为硅胶多孔，吸附水分能力强。D项不正确，硅的化学性质不活泼，但由于硅是亲氧元素，自然界中的硅都以SiO
2和硅酸盐的形式存在，即都是化合态，没有游离态。
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＋5H2O===2K＋＋2HCO＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4
(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式：
①KAlSi3O8：___________________________________________________；
②Al2Si2O5(OH)4：_______________________________________________；
(2)上述反应能够发生的原因是___________________________________________。
答案：(1)①K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O
(2)较强的酸能制较弱的酸
解析：(1)将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物时，只需将除O以外所有的元素写出其常见氧化物，并用“·”将它们合并起来，但需注意各种原子个数比符合原来的组成。在某种(或几种)氧化物前加合适的系数：①KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2；②Al2Si2O5(OH)4：Al2O3·2SiO2·2H2O。长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2，即原子个数不变。(2)分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的复分解反应，是由于酸性：H2CO3>H2SiO3，发生了较强的酸制取较弱的酸的反应。
知识点二 硅的性质及用途
7．下列叙述正确的是( )
A．自然界中存在大量单质硅
B．石英、水晶、硅石的主要成分都是二氧化硅
C．常温下硅的性质活泼，能与氯气、强酸反应
D．自然界中的硅都是以二氧化硅的形式存在的
答案：B
解析：硅在自然界中以化合态的形成存在，且主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，A、D项错误。常温下硅的性质不活泼，不能与氯气、强酸反应，C项错误。
8．下列关于硅的化学性质的叙述正确的是( )
A．常温下不和任何酸反应
B．常温下可和NaOH溶液反应
C．常温下可和Cl2反应生成SiCl4
D．常温下可和O2反应生成SiO2
答案：B
解析：硅在常温下化学性质不活泼，除与氟气、氢氟酸和强碱反应外，不与其他物质反应。在加热条件下，硅能与一些非金属反应，如Si＋O2SiO2。
9．下列关于碳和硅的比较，正确的是( )
A．它们的氧化物都能与水反应生成对应的酸
B．碳和硅的最高正价都是＋4
C．硅元素在地壳中的含量是第二位，碳元素是第一位
D．碳和硅在自然界中的存在形式都是既有游离态也有化合态
答案：B
解析：A项，二氧化硅与水不反应，A项错误；B项，碳和硅的最高正价都是＋4，B项正确；C项，硅元素在地壳中的含量是第二位，第一位的是氧元素，C项错误；D项，碳在自然界中有稳定的单质存在，而硅是一种亲氧元素，在自然界中它总是与氧相互化合的，D项错误。
10．有科学家提出硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，下列关于其有利因素的说法中，你认为不正确的是( )
A．硅便于运输、贮存，从安全的角度考虑，硅是最佳的燃料
B．自然界中存在大量的单质硅
C．硅燃烧放出的热量多，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制
D．地壳中硅的储量丰富
答案：B
解析：自然界中硅的储量丰富，但大多数是以SiO2和硅酸盐的形式存在，无单质硅存在，故B项错误，D项正确；硅单质是固体化学性质不活泼，所以硅便于运输、贮存，故A项正确；硅的燃烧产物SiO
2对环境污染程度低，容易有效控制，故C项正确。
11．用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代高科技中占有重要位置，足见化学对现代物质文明的重要作用。例如：
(1)计算机芯片的主要成分是________；
(2)光导纤维的主要成分是________；
(3)目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是________；
(4)常用作吸附剂、干燥剂或催化剂载体的物质是________。
答案：(1)硅(或Si或单晶硅) (2)二氧化硅(或SiO2) (3)硅(或Si) (4)硅胶
解析：晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料，正是由于这一性质且它的来源极其丰富，从20世纪中叶开始，硅成为信息技术的关键材料，硅芯片的使用，使计算机的体积大大缩小。二氧化硅制成的光导纤维传导光的能力非常强，抗干扰能力强，质量小且细，是一种非常好的通信材料。硅是人类将太阳能转化为电能的常用材料，主要利用其半导体性能，光电池是极有发展前景的新型能源。硅胶多孔，吸附能力强，常用作吸附剂、干燥剂或催化剂载体。
知识点三 硅及其化合物的转化关系
12．下图中的每一方格表示相关的一种反应物或生成物。其中B是一种单质，其余物质也都是含B元素的化合物。C是一种钠盐，E是C对应的酸，B的结构类似金刚石，D为B的氧化物(其他不含B元素的反应产物以及各步反应添加的必要试剂和反应条件已被略去)，请填写下列空白：
(1)A、D、E的化学式分别为________、________、________。
(2)A和B的互相转化在工业上有什么实际意义？
________________________________________________________________________。
(3)写出D→C反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
(4)写出E→D反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
答案：(1)SiCl4 SiO2 H2SiO3
(2)粗硅提纯
(3)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(4)H2SiO3SiO2＋H2O
解析：本题的突破口是：“B是一种单质”“B的结构类似金刚石”。据此，容易推断出B是晶体硅。硅与氯气在加热条件下生成SiCl4，因此，A为SiCl4。经过分馏提纯后得到纯净的SiCl4，SiCl4可以被氢气还原得纯净的硅。根据D能转化为B(Si)，可知D为SiO2，由此可知其他答案。
13．物质A是一种高熔点化合物，不溶于H2SO4、硝酸，却溶于氢氟酸；C是一种气体；D是白色胶状沉淀；E是白色固体。A、B、C、D、E之间的转化如图所示：
试推断：A________B________、C________、D________、E________。
答案：SiO2 Na2SiO3 CO2 H4SiO4 H2SiO3
解析：解答该类题目的方法是找出“突破口”，记住常见物质的性质、颜色、状态等特征，是解答该类题目的关键。由物质A是一种高熔点化合物，不溶于H2SO4、硝酸，却溶于氢氟酸，可知A是二氧化硅。二氧化硅与纯碱在高温下生成硅酸钠和二氧化碳，所以C为二氧化碳，B为硅酸钠。硅酸钠与水、二氧化碳反应生成原硅酸，原硅酸不稳定，在空气中失水变成硅酸。
课后作业·速达标
时间：30分钟 满分100分
一、选择题(本题包括12小题，每小题5分，共60分)
1．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是( )
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
C．石英玻璃和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品
D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸作抛光液抛光单晶硅
答案：A
解析：硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料，A项正确；粗硅制备单晶硅，首先是粗硅与氯气发生氧化还原反应生成四氯化硅，四氯化硅再与氢气发生氧化还原反应生成纯硅，B项错误；石英玻璃的主要成分是二氧化硅，C项错误；盐酸不与硅反应，D项错误。
2．假设SiO2晶体中Si原子被Al原子取代，不足的价数由K原子补充。当有25%的硅原子被铝原子取代时，可形成正长石，则正长石的化学组成为( )
A．KAlSiO4 B．KAlSi2O6
C．KAlSi3O8 D．KAlSi4O10
答案：C
解析：假设有4个SiO2，则1个Si原子被Al原子取代，被取代的Si的化合价与1个Al和1个K在化合物中的化合价之和相等，所以正长石的化学组成中K、Al、Si原子个数之比为1∶1∶3，即化学式为KAISi3O8。
3．下列说法正确的是( )
A．我国自主研发的“龙芯1号”CPU芯片与光导纤维使用的是同种材料
B．需要通过化学反应才能从海水中获得食盐和淡水
C．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品
D．工业制粗硅的过程涉及氧化还原反应
答案：D
解析：我国自主研发的“龙芯1号”CPU芯片的成分是Si单质，而光导纤维的成分是SiO2，二者不是同种材料，A项错误；不需要通过化学反应就能从海水中获得食盐和淡水，B项错误；水晶项链的主要成分是SiO
2，餐桌上的瓷盘是硅酸盐制品，C项错误；工业上以SiO2和焦炭为原料，在高温条件下发生氧化还原反应制取粗硅，D项正确。
4．下列离子在水溶液中能大量共存的是( )
A．H＋、K＋、HCO、Ca2＋
B．OH－、Na＋、Mg2＋、HCO
C．Na＋、H＋、Cl－、NO
D．Na＋、SiO、H＋、Cl－
答案：C
解析：氢离子与碳酸氢根离子不能大量共存，A项错误；氢氧根离子与镁离子、碳酸氢根离子不能大量共存，B项错误；所给离子可以大量共存，C项正确；H＋与SiO反应生成硅酸沉淀，不能大量共存，D项错误。
5．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是( )
A．青石棉是一种硅酸盐产品
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1 mol青石棉能还原含1 mol HNO3的稀硝酸
答案：B
解析：硅酸盐指的是硅、氧与金属元素组成的化合物的总称，所以青石棉是一种硅酸盐产品，A项正确。硅酸盐中不含二氧化硅，所以青石棉中不含石英晶体，B项错误。硅酸盐写成氧化物组合形式的先后顺序为较活泼金属氧化物、较不活泼金属氧化物、二氧化硅、水，所以青石棉的化学组成用氧化物的组合形式可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O，C项正确。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO，根据氧化还原反应中得失电子守恒，可知1 mol青石棉能还原1mol HNO3，D项正确。
6．高纯度单晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法进行制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si( 纯)
下列说法正确的是( )
A．反应①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．反应①②③中每生成或消耗1 mol Si，转移4 mol电子
C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应
D．SiHCl3(℃)中含有少量的SiCl4(℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
答案：D
解析：二氧化硅与C在高温条件下反应生成Si和CO，不是二氧化碳，A项错误；反应①中每生成1 mol Si转移4 mol电子，而SiHCl3中Si的化合价是＋2，所以反应②③中每消耗或生成1 mol Si，转移2 mol电子，B项错误；二氧化硅与硅都可以与氢氟酸反应，C项错误；SiHCl3与SiCl4的沸点相差较大，所以可通过蒸馏除去SiHCl3中的SiCl4，D项正确。
7．工业上生产玻璃的过程中有一个重要反应：CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。若把100 g CaCO3和30 g SiO2在高温条件下混合，充分反应后，收集到的气体的体积(标准状况下)是( )
A． L B． L
C． L D．无法计算
答案：B
解析：根据碳元素守恒可知，CO2中的C来自CaCO3，但由于n(CaCO3)＝1 mol，n(SiO2)＝ mol，即反应过程中SiO2不足，过量的CaCO3发生分解反应也生成CO2，所以n(CO2)＝n(CaCO3)＝1 mol，V(CO2)＝ L。
8．下列叙述错误的是( )
A．硅元素广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石
B．二氧化硅在信息高速传输中有重要应用
C．常温下硅很稳定，不与强酸发生反应
D．二氧化硅可用于制造玻璃、单质硅、光导纤维
答案：A
解析：硅元素以化合态形式广泛存在于自然界中，无天然的单质硅存在，故A项错误；硅的性质较稳定，在常温下与强酸不反应，故C项正确；二氧化硅是制造玻璃的主要原料，也可被还原制备单质硅，同时也是光导纤维的材料，故D项正确。
9．经常会有陨石落在地球上，经过化学分析，得出某陨石中游离态的铁含量约为10