高考一轮复习第六课第3节：硅酸、硅酸盐学案

这是一份高考一轮复习第六课第3节：硅酸、硅酸盐学案，共12页。学案主要包含了知识介绍，探究讨论等内容，欢迎下载使用。

一、知识介绍
●硅酸盐
1．概念
硅酸盐是由_________组成的化合物的总称。
2．硅酸盐的性质
硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，大多__________于水，化学性质很_________。
3．硅酸盐组成的表示
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。例如：Na2SiO3：________；长石KAlSi3O8：___________。
4．最常见的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称_________，能制备_________和_________。
5．三种常见的硅酸盐产品
6．特殊功能的含硅物质
(1)金刚砂(SiC)具有类似 的结构，硬度 ，可用作砂纸、砂轮磨料。
(2)硅钢(含硅4%)具有很高的 ，主要用作变压器铁芯。
(3)硅橡胶：既耐 又耐 ，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等。
(4)人工制造的分子筛(具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作 和 。
提示：一、1．硅、氧和金属元素
2．不溶 稳定
3．Na2O·SiO2 K2O·Al2O3·6SiO2
4．水玻璃 硅胶 木材防火剂
5．石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英 黏土 黏土 石灰石
6．(1)金刚石 很大
(2)导磁性
(3)高温 低温
(4)吸附剂 催化剂
●硅酸盐的表示方法及性质
1．硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。硅酸盐的表示方法：
(1)将硅酸盐中所有元素都写成氧化物(二氧化硅和氧化物的组合)。氧化物的书写顺序：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)在氧化物前面按化学式中的比例添加数字。
2．最常见的硅酸盐——硅酸钠化学性质相对稳定，不易腐蚀，不能燃烧，热稳定性强，其水溶液呈碱性，能与酸反应，其离子方程式为+2H+===H2SiO3↓。
●硅酸和硅酸盐
1．硅酸
（1）物理性质：硅酸难溶于水。
（2）化学性质
①弱酸性：其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊试液变红。与NaOH溶液反应的化学方程式为：
H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O
②不稳定性：受热易分解，化学方程式为H2SiO3SiO2+H2O
（3）制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
（4）用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2．硅酸与碳酸的比较
3．硅酸盐
（1）概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
（2）表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，多用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示它们的组成，如硅酸Na2SiO3可表示为Na2O·SiO2，长石KAlSi3O8可表示为：K2O·Al2O3·6SiO2。
4．硅酸钠
（1）物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性。
（2）化学性质：
①水解显碱性。
②与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为：
与盐酸反应：Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
与CO2的水溶液反应：Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓
（3）用途：黏合剂（矿物胶），防腐剂，耐火阻燃材料。
●无机非金属材料
1．物质的分类
2．传统无机非金属材料
3．新型无机非金属材料：
（1）高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学浸蚀性和电绝缘性等。
（2）生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。
（3）压电陶瓷：具有压电效应。
二氧化硅的特殊性
（1）非金属氧化物一般由分子构成，而SiO2是由Si和O按个数比1∶2直接构成。Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成。
（2）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3。
（3）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
（4）不要混淆二氧化硅和硅的用途
用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。
（5）水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；红、蓝宝石的主要成分是Al2O3。
二、探究讨论
1.下列关于碳、硅的叙述正确的是
A．碳、硅都是ⅣA族元素，它们在自然界中都以化合态形式存在
B．二氧化碳、二氧化硅的物理性质相似
C．二氧化碳、二氧化硅都是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成相应的盐
D．高纯度的二氧化硅用于制造半导体材料
【解析】自然界中含有单质碳(如金刚石、石墨)，A错误；二氧化碳、二氧化硅的物理性质(如熔、沸点)差别很大，B错误；高纯度的晶体硅用于制造半导体材料，D错误。
【答案】C
2. 下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是
A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐
B．SiO2既能与KOH反应，又能与浓盐酸反应，而CO2不能
C．CO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物
D．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的
【解析】CO2、SiO2都不能与浓盐酸反应，SiO2不是两性氧化物，且不是由分子构成的。
【答案】A
3. 浓度相同的NaOH溶液各100 mL倒入A、B、C三个烧杯中，分别向三份溶液中通入不等量的CO2，充分反应后，再向三份所得溶液中逐滴加入0.2 ml·L－1的盐酸，产生CO2的体积与所加盐酸体积之间的关系如图所示。下列判断不正确的是
A．原NaOH溶液的浓度为0.2 ml·L－1
B．B烧杯中通入的CO2体积为448 mL(标准状况)
C．通入CO2后，A烧杯中的溶质为Na2CO3和NaHCO3
D．通入CO2后，C烧杯中溶质成分的物质的量之比为n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝2∶1
【解析】CO2通入NaOH溶液，可能发生反应2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O或NaOH＋CO2===NaHCO3，由图示可知，滴加盐酸时均不直接产生CO2气体，且最终完全反应消耗的盐酸均为100 mL生成NaCl，由原子守恒得n(Na＋)＝n(Cl－)，即n(NaOH)＝n(HCl)，故c(NaOH)＝＝＝0.2 ml·L－1，A正确；B烧杯中从开始加入盐酸到开始产生气体与从开始产生气体到气体完全放出需盐酸相同，即通入CO2后生成的溶液为Na2CO3溶液，据2NaOH～CO2可知n(CO2)＝＝0.01 ml，标准状况下V(CO2)＝224 mL，B错误；A烧杯中未产生气体消耗的盐酸小于气体完全生成消耗的盐酸，故溶质为Na2CO3和NaHCO3，C正确；C烧杯中通入CO2未产生气体消耗的盐酸大于气体完全放出消耗的盐酸，故溶液溶质为Na2CO3和NaOH，n(Na2CO3)＝n(NaHCO3)＝(100－75)×10－3×0.2 ml＝5×10－3 ml，故n(NaOH)＝(50－0)×10－3×0.2 ml＝1×10－2 ml，即n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝2∶1，D正确。
【答案】B
好题精做
1．宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是
A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物
D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸
2．下列说法正确的是
A．向含K＋、Na＋、Br－、SiOeq \\al(2－,3)的溶液中通入CO2后仍能大量共存
B．合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料
C．NaHCO3溶液中含有Na2SiO3杂质，可通入少量CO2后过滤
D．SiO2中含Al2O3杂质，可加入足量稀盐酸，然后过滤除去
3．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 B．②④C．③④ D．②③④
4．为测定某草酸晶体(H2C2O4·2H2O)样品的纯度，现称取一定质量的该样品，配制成100 mL溶液，取25.00 mL该溶液于锥形瓶中，加适量稀硫酸，用0.100 ml·L－1的KMnO4溶液滴定(杂质不参与反应)。为省去计算过程，当称取的样品的质量为某数值时，滴定所用KMnO4溶液的毫升数恰好等于样品中草酸晶体的质量分数的100倍。则应称取样品的质量为
A．2.25 g B．3.15 g C．9.00 g D．12.6 g
5．用四种溶液进行实验，如表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是
6．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是
A．高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为易熔的炉渣
B．纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料
C．用盐酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D．图中所含反应都不属于氧化还原反应
7．向某碳酸钠溶液中逐滴加1 ml·L－1的盐酸，测得溶液中Cl－、HCOeq \\al(－,3)的物质的量随加入盐酸体积的关系如图所示，其中n2∶n1＝3∶2，则下列说法中正确的是
A．Oa段反应的离子方程式与ab段反应的离子方程式相同
B．该碳酸钠溶液中含有1 ml Na2CO3
C．b点的数值为0.6
D．b点时生成CO2的物质的量为0.3 ml
8．某实验小组设计了如图装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。
已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO+PdCl2+H2OCO2+2HCl+Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。
（1）实验前要通入足够长时间的N2，其原因是______________________。
（2）装置B的作用是__________________________________________。
（3）装置C、D中所盛试剂分别为__________、____________，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为____________________________________。
（4）该装置的缺点是_________________________________________。
（5）资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物SiC。取18 g SiO2和8.4 g焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体13.44 L，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则Si和SiC的物质的量之比为______________。
（6）设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强： __。
9．硅是带来人类文明的重要元素之一，在传统材料发展到信息材料的过程中创造了一个又一个奇迹。
（1）新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的作用下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，该反应的化学方程式为____________________________。
（2）一种用工业硅(含少量铁、铜的单质及化合物)和氮气(含少量氧气)合成氮化硅的工艺主要流程如下：
已知硅的熔点是1 420 ℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。
①N2净化时，铜屑的作用是_____________________；硅胶的作用是________________________。
②在氮化炉中反应为3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s) ΔH=-727.5 kJ·ml-1，开始时须严格控制氮气的流速以控制温度的原因是___________________。
③X可能是________(选填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。
（3）工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：
①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应，该反应的化学方程式为______________________________。
②假设每一轮次制备1 ml纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应Ⅰ中HCl的利用率为90%，反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H2的物质的量之比是______________。
参考答案
1．【答案】C
【解析】不同的金属氧化物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致颜色变化，故A正确；新型无机非金属材料主要有先进陶瓷、非晶体材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等，氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，故B正确；瓷器主要是由黏土烧结而成，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，故C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的成分是硅酸盐和二氧化硅，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，故D正确。
2．【答案】D
【解析】A项，SiOeq \\al(2－,3)与CO2、H2O反应生成H2SiO3；B项，合成纤维为有机高分子材料；C项，通入少量CO2生成Na2CO3，引入新杂质；D项，Al2O3溶于盐酸，而SiO2不溶于盐酸。
3．【答案】B
【解析】CO2溶于水：CO2＋H2OH2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。根据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液中无明显现象；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。
4．【答案】D
【解析】设样品的质量为x，草酸晶体的质量分数为w，滴定所用KMnO4溶液的毫升数为y。
2MnOeq \\al(－,4)＋6H＋＋5H2C2O4===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O
2 5
y×10－3×0.1 eq \f(x×w,126)×eq \f(25,100)
则5y×10－4＝2×eq \f(xw,126×4)，滴定所用KMnO4溶液的毫升数恰好等于样品中草酸晶体的质量分数的100倍，y＝100w，可知x＝12.6 g，故选D。
5．【答案】B
【解析】A项，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，向饱和Na2CO3溶液中通入CO2会析出NaHCO3晶体，正确；B项，CO2通入Na2SiO3溶液中产生H2SiO3沉淀，CO2过量后沉淀不消失，错误；C项，CO2与Ca(ClO)2溶液反应生成CaCO3沉淀和HClO，溶液变浑浊后加入品红溶液，被HClO氧化褪色，正确；D项，首先CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通CO2，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH，又发生2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊，正确。
6．【答案】D
【解析】CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑，CaSiO3的熔点低于SiO2的熔点，故A项正确；光导纤维的主要成分是二氧化硅，硅可用于制作半导体、芯片，纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料，故B项正确；碳酸钙溶于盐酸生成氯化钙和水以及二氧化碳，二氧化硅和盐酸不反应，可以用盐酸除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙，故C项正确；化学反应前后有元素化合价发生变化的反应一定是氧化还原反应，题图中二氧化硅与碳反应生成硅单质和一氧化碳的反应是氧化还原反应，故D项错误。
7．【答案】C
【解析】结合图像知Oa段反应为COeq \\al(2－,3)＋H＋===HCOeq \\al(－,3)，a点后：HCOeq \\al(－,3)＋H＋===H2O＋CO2↑，A项错误；由加入a L盐酸时生成HCOeq \\al(－,3)为0.5 ml，则n(HCl)＝0.5 ml可知，n(Na2CO3)＝0.5 ml，B项错误；由n2∶n1＝3∶2，可推知n2＝0.6 ml，n1＝0.4 ml，C项正确；b点产生n(CO2)＝0.1 ml，D项错误。
8．【答案】（1）将装置中的空气排尽，避免空气中的氧气等对实验产生干扰
（2）作安全瓶，防止倒吸
（3）澄清石灰水 PdCl2溶液 3SiO2+4C2CO2↑+2CO↑+3Si
（4）缺少尾气吸收装置
（5）2∶1
（6）向硅酸钠溶液中通入二氧化碳气体，溶液变浑浊，证明碳酸酸性大于硅酸
【解析】（1）碳与二氧化硅反应要在高温下进行，而高温下碳与空气中氧气反应，所以实验前要通入足够长时间的N2将装置中的空气排尽。
（2）根据装置图可知，B装置作安全瓶，防止倒吸。
（3）碳与二氧化硅反应可能生成CO也可能生成CO2，所以C装置用来检验CO2，D装置用来检验CO，所盛试剂分别为澄清石灰水、PdCl2溶液;若装置C、D中溶液均变浑浊，说明既有CO2又有CO，由于两气体产物的物质的量相等，根据元素守恒可知化学方程式为3SiO2+4C2CO2↑+2CO↑+3Si。
（4）CO有毒，不能直接排放到空气中，而该装置缺少尾气吸收装置吸收未反应的CO。
（5）18 g SiO2是0.3 ml ，8.4 g C是0.7 ml ，充分反应后收集到13.44 L
(0.6 ml )气体，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则有
SiO2 + 2C 2CO↑ + Si
0.3 ml 0.6 ml 0.6 ml 0.3 ml
Si + C SiC
1 1 1
0.1 ml 0.1 ml 0.1 ml
Si和SiC的物质的量之比为0.2 ml∶0.1 ml =2∶1。
（6）验证碳酸、硅酸的酸性强弱，将CO2气体通入硅酸钠溶液，发生反应CO2+H2O+Na2SiO3Na2CO3+H2SiO3↓，溶液变浑浊，说明酸性H2CO3>H2SiO3。
9．【答案】（1）3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl
（2）①除去原料气中的氧气 除去水蒸气
②这是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N2的充分接触
③硝酸
（3）①SiHCl3+3H2OH2SiO3+3HCl+H2↑
②5∶1
【解析】（1）制备Si3N4的反应中，反应物是H2、SiCl4和N2，根据质量守恒，除了Si3N4外，还有HCl气体生成，从而写出该反应的化学方程式。
（2）①氮气中含有少量氧气及水蒸气，需将氮气净化，用Cu除去氧气，硅胶除去水蒸气。
②氮化炉温度为1 200～1 400 ℃，硅的熔点为1 420 ℃，该反应是放热反应，严格控制氮气流速，以控制温度为1 200～1 400 ℃，防止硅熔化熔合成团，阻碍硅与氮气的充分接触。
③Si3N4与氢氟酸反应，而与硝酸不反应，且硝酸可将硅块中的Fe、Cu杂质溶解而除去。
（3）①SiHCl3与H2O反应生成H2SiO3、HCl和H2。
②制取1 ml纯硅第一轮次：
反应Ⅰ：Si + 3HCl SiHCl3 + H2，
1 ml 3 ml÷90% 1 ml 1 ml
反应Ⅱ：
SiHCl3 + H2 Si + 3HCl，
1 ml 1 ml÷93.75% 1 ml 3 ml
第二轮次生产中，需补充HCl物质的量为3 ml÷90%-3 ml，需补充H2物质
的量为1 ml÷93.75%-1 ml，则n(HCl)∶n(H2)=(3 ml/90%-3 ml)∶(1 ml/93.75%-1 ml)=5∶1。硅酸盐产品
原料
主要设备
主要成分
备注
水泥
__________
水泥回转窑
3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3
硅酸盐产品水泥与陶瓷的共同原料是__________，水泥与玻璃的共同原料是__________。
玻璃
__________
玻璃窑
Na2O·CaO·6SiO2
陶瓷
__________
硅酸盐
物质
硅酸
碳酸
化学式
H2SiO3
H2CO3
酸酐
SiO2
CO2
制法
Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
CO2+H2OH2CO3
颜色与状态
白色、粉末状
无色液态，只存在于水溶液中
水溶性
不溶于水
只存在于水溶液中
酸性比较
弱
强
玻璃
水泥
陶瓷
主要原料
纯碱、石灰石、石英
石灰石、黏土
黏土
设备
玻璃熔炉
水泥回转窑
陶瓷窑
生产过程中的主要变化
SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑，
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
复杂的物理、化学变化
复杂的物理、
化学变化
主要成分
Na2SiO3，CaSiO3，SiO2
3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、CaO·Al2O3
选项
操作及现象
溶液
A
通入CO2，溶液变浑浊
饱和Na2CO3溶液
B
通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失
Na2SiO3溶液
C
通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去
Ca(ClO)2溶液
D
通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊
澄清石灰水