第四章 第一节 第1课时
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
[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。
(3)物理性质
(4)化学性质
(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
4.硅胶
[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SiO 2
答案 B
3．单质Z 是一种常见的半导体材料，可由X 通过如下图所示的路线制备，其中X 为Z 的氧化物，Y 为氢化物，分子结构与甲烷相似。回答下列问题： X ――→Mg 加热
Mg 2Z ――→盐酸Y ――→加热Z (1)能与X 发生化学反应的酸是________；由X 制备Mg 2Z 的化学方程式为_________________________________________________________________ _______________________________________________________________。
(2)由Mg 2Z 生成Y 的化学反应方程式为_____________________________ _______________________________________________________________。 解析 单质Z 为半导体材料，则Z 是Si ；其氧化物为二氧化硅，SiO 2可与氢氟酸反应；根据反应的流程图可知，二氧化硅与Mg 反应生成Mg 2Si ，Mg 2Si 与盐酸反应生成的Y 为氢化物，则Y 的化学式是SiH 4，SiH 4加热分解可得到Si 单质。
答案 (1)氢氟酸 SiO 2＋4Mg=====△2MgO ＋Mg 2Si
(2)Mg 2Si ＋4HCl===2MgCl 2＋SiH 4↑
探究一、SiO 2与CO 2的性质比较
【探究讨论】
1．为什么CO 2和SiO 2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 SiO 2和CO 2均属于酸性氧化物，故化学性质相似。CO 2是由分子构成的，而SiO 2是空间立体网状结构，故二者物理性质差异大。
2．有人说SiO 2既能与NaOH 反应，又能与HF 反应，则SiO 2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
H
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．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸
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SiO2与CO2都是酸酐，都是酸性氧化物，A项正确、C项错误；虽然SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不溶于水，也不能与水反应生成H2SiO3，B项错误；CO2是由CO2分子构成的，而SiO2是由硅原子和氧原子构成的，SiO2中不存在分子，D项错误。
答案 A
【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。
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
【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：
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。
(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NaHCO 3溶液。
答案 (1)盐酸
(2)饱和NaHCO 3溶液 吸收HCl 气体
(3)Na 2SiO 3溶液 SiO 2－3＋CO 2＋H 2O===H 2SiO 3↓＋CO 2－3(或SiO 2－3＋2CO 2＋
2H 2O===2HCO －3＋H 2SiO 3↓)
(4)HCl H 2CO 3 H 2SiO 3
【学以致用2】 由下列实验事实得出的结论正确的是( )
A ．由SiO 2不能与水反应生成H 2SiO 3可知，SiO 2不是H 2SiO 3的酸酐
B ．由反应SiO 2＋2C=====高温Si ＋2CO ↑可知，碳的非金属性大于硅
C ．将CO 2通入Na 2SiO 3溶液中产生白色沉淀，可得酸性H 2CO 3＞H 2SiO 3
D ．SiO 2可与NaOH 溶液反应，也可与氢氟酸反应，因此SiO 2为两性氧化物 解析 酸酐是指含氧酸失去水生成的物质，所以SiO 2是H 2SiO 3的酸酐，A 项错
误；由反应SiO 2＋2C=====高温Si ＋2CO ↑不能说明碳的非金属性比硅的强，该反应
能发生是因为有气体生成，气体从反应体系中逸出，促进了反应的进行，B 项错误；将CO 2通入Na 2SiO 3溶液中生成H 2SiO 3沉淀，符合强酸制弱酸规律，证明酸性H 2CO 3＞H 2SiO 3，C 项正确；SiO 2为酸性氧化物，与HF 反应是SiO 2的特性，生成的SiF 4不是盐，且SiO 2与除HF 外的其他酸不反应，D 项错误。 答案 C
1．有下列变化：①Na 2CO 3→Na 2SiO 3，②SiO 2→H 2SiO 3，③Na 2SiO 3→Na 2CO 3，④CaO →CaSiO 3，其中不能通过一步反应实现的是( )
A ．只有①
B ．②④
C ．只有②
D ．③④
解析 ①碳酸钠与二氧化硅高温下反应生成硅酸钠，则Na 2CO 3→Na 2SiO 3可一步转化；②二氧化硅不溶于水也不与水反应，则不能一步转化生成硅酸；③硅酸钠与二氧化碳和水反应生成碳酸钠和硅酸，则Na 2SiO 3→Na 2CO 3可一步转化；④CaO 与二氧化硅高温下反应生成硅酸钙，则CaO →CaSiO 3可一步转化。
答案 C
2．下列物质的主要成分不是SiO 2的是( )
A ．石英
B ．水晶
C ．金刚石
D ．玛瑙
解析 金刚石为碳的单质。
答案 C
3．下列关于碳酸(H 2CO 3)和硅酸(H 2SiO 3)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 ．CO 2气体通入Na 2SiO 3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H 2CO 3酸性强于H 2SiO 3，故可以用H 2CO 3制备H 2SiO 3：CO 2＋H 2O ＋Na 2SiO 3===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓。 答案 B
4．指出下列反应中SiO 2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)SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O( )
(2)Na 2CO 3＋SiO 2=====高温Na 2SiO 3＋CO 2↑( )
(3)SiO 2＋2C=====高温Si ＋2CO ↑( )
(4)SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O( )
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
课时作业
基础巩固
1．关于二氧化硅的叙述不正确的是()
①二氧化硅是制造光导纤维的重要原料
②硅、碳原子最外层都有4个电子，故SiO2的物理性质与CO2类似
③SiO2既能和氢氧化钠溶液反应也能和氢氟酸反应，是两性氧化物
④将CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸比硅酸酸性强
A．②③B．③④
C．②④D．①④
解析①二氧化硅具有良好的光学特性，是制造光导纤维的重要原料，正确；②二氧化硅是由硅、氧原子构成的，二氧化碳是由CO2分子构成的，故SiO2的物理性质与CO2不同，错误；③氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，四氟化硅不是盐，故二氧化硅不是两性氧化物，错误；④碳酸酸性强于硅酸，依据强酸制备弱酸原理，将CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀硅酸生成，正确。
答案 A
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．①②B．①③
C．②④D．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
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B．氢氟酸
C．氢氧化钠溶液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．下列过程没有发生化学反应的是()
A．用活性炭去除冰箱中的异味
B．用热碱水清除炊具上残留的油污
C．用浸泡过高锰酸钾溶液的硅藻土保鲜水果
D．用含硅胶、铁粉的透气小袋与食品一起密封包装
解析活性炭具有吸附性，能够吸附冰箱中的异味，发生的是物理变化，A项正确；油污属于酯类物质，可以在热碱水条件下发生水解反应生成醇和有机盐，属于化学变化，B项错误；该过程利用的是酸性高锰酸钾溶液氧化水果产生的乙烯，属于化学变化，C项错误；硅胶起吸水作用，铁粉起还原剂作用，防止食物被氧化，属于化学变化，D项错误。
答案 A
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．①③B．④③
C．⑤③D．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。
答案
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____________________________________________________________。
(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SiO 2。SiO 2与纯碱在高温下反应生成Na 2SiO 3和CO 2，Na 2SiO 3与CO 2在水中可反应生成H 2SiO 3，而H 2SiO 3受热分解又可生成SiO 2，所以A 是SiO 2，B 是Na 2SiO 3，D 是H 2SiO 3。
答案 (1)制光导纤维 Na 2SiO 3 H 2SiO 3
(2)①Na 2CO 3＋SiO 2=====高温Na 2SiO 3＋CO 2
④H 2SiO 3=====△H 2O ＋SiO 2
(3)②CO 2＋H 2O ＋SiO 2－3===CO 2－3＋H 2SiO 3或(2CO 2＋2H 2O ＋SiO 2－3===2HCO －3＋
H 2SiO 3↓)
③SiO 2＋2OH －===SiO 2－3＋H 2O
⑤SiO 2－3＋2H ＋===H 2SiO 3
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．①②③④B．②④
C．①②③D．②③
解析CO
溶于水：CO2＋H2O H2CO3，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SiO 2与CaO 、CaCO 3、Na 2CO 3反应不属于氧化还原反应，SiO 2与C 、Si 与Cl 2、SiCl 4与H 2的反应属于氧化还原反应，A 错误；光导纤维的主要成分是SiO 2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．研究或认识物质的化学性质一般可从以下几个方面入手(以SiO 2为例)：
(1)从物质类别角度分析可能具有的通性，如酸性、碱性等。SiO 2属于________氧化物(填“酸性”“碱性”或“两性”)。盛装NaOH 溶液等碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，其原因可用离子方程式表示为__________________________。
(2)从核心元素化合价角度分析可能具有的氧化性、还原性。据SiO 2中Si 元素的价态可推知SiO 2________________(填字母)。
A ．只有还原性
B ．只有氧化性
C ．既有还原性又有氧化性
工业上用石英砂和焦炭混合高温制取含少量杂质的粗硅，写出该反应的化学方程式：___________________________________________________。
(3)从其他角度认识可能具有的特性。SiO 2能与唯一的酸________(填物质名称)反应，工艺上常利用该反应________(填一种用途)。
解析 (1)二氧化硅能和碱反应生成盐和水，所以它属于酸性氧化物；实验室盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，其原因是在常温下，氢氧化钠与玻璃中的二氧化硅缓慢地发生反应，生成具有黏性的Na 2SiO 3，反应的化学方程式为：
SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O ，离子方程式为：SiO 2＋2OH －===SiO 2－3＋H 2O 。
(2)SiO 2中Si 元素为＋4价，化合价处于最高价，只有氧化性；碳还原二氧化硅，
生成物是硅和一氧化碳，反应条件是高温，化学方程式为：SiO 2＋2C=====高温Si ＋
2CO ↑。
(3)氢氟酸能够与二氧化硅反应生成四氟化硅气体和水，玻璃中含有SiO 2，可以用HF(氢氟酸)来刻蚀玻璃，反应的化学方程式为：SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O 。
答案 (1)酸性 SiO 2＋2OH －===SiO 2－3＋H 2O
(2)B SiO 2＋2C=====高温Si ＋2CO ↑
(3)氢氟酸 刻蚀玻璃
15．某学习兴趣小组想利用高岭土(其主要成分是Al 2O 3·2SiO 2·2H 2O)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
C ．氧化铝坩埚
D ．铁坩埚
解析 加热高岭土与纯碱的混合物，发生的反应为Al 2O 3＋Na 2CO 3=====高温2NaAlO 2
＋CO 2↑、SiO 2＋Na 2CO 3=====高温Na 2SiO 3＋CO 2↑，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、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)NaAlO 2和Na 2SiO 3 H 2SiO 3和AlCl 3 AlCl 3 H 2SiO 3 (2)SiO 2＋
Na 2CO 3=====高温Na 2SiO 3＋CO 2↑
Al 2O 3＋Na 2CO 3=====高温2NaAlO 2＋CO 2↑ (3)D