n陶瓷在我国有悠久的历史，是中华民族古老文明的象征。从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真，被认为是世界文化奇迹、人类的文明宝库。唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名。传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界存在大量天然的硅酸盐，如岩石、土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。此外，人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量人造硅酸盐，主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐具有什么样的性质呢？随着科技的发展，硅酸盐材料又有哪些发展呢？让我们一起来学习本节课，了解有关硅酸盐和单质硅的知识。n硅是常温下化学性质稳定的半导体材料，广泛应用于计算机技术领域。世界上第一台电子管计算机问世时，其总质量达几十吨，占地100多平方米，耗电量大，但计算速度还不如今天的一台微型计算器的计算速度。硅芯片的使用大大减小了计算机的体积与质量，加快了计算速度。现在，人们可以在一块芯片上集成上亿个晶体管，研制出运算速度达每秒几十万亿次的超级计算机。 n梳理导引n1硅酸盐是_的化合物的总称，分布极广。硅酸盐一般都不溶于水，化学性质很稳定。n2硅酸钠(Na2SiO3)的性质、用途nNa2SiO3固 体 俗 称 泡 花 碱 ， 水 溶 液 俗 称_，是无色粘稠的_体，常作_。放置在空气中会变质，发生反应方程式为：_。n3用氧化物的形式表示下列硅酸盐的组成。n硅酸钠：Na2SiO3_n硅酸钙：CaSiO3_n高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4_n4硅酸盐岩石长期在水的侵蚀下风化为_，并且形成了_。_因其表面积_且一般带_电，能与_、_等数十种生物所需的营养离子，使土壤具有保肥能力。 n5 无 机 非 金 属 材 料 包 括 了 _和_两大类。传统无机非金属材料是指_、_、_等硅酸盐产品。陶瓷是以_为原料，经高温烧结而成的；制普通玻璃的原料有_、_和_；以_和_为主要原料，经研磨混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量_，研成细粉得到普通水泥。n6碳化硅(俗称_)具有_结构，硬度_，可作_；含4%的硅的硅钢具有_，主要用作_；硅橡胶耐_和_，用于制造_；人工制造的分子筛主要作用_等。 n7单质硅有_硅和_硅两种。晶体硅的结构与_相似，物理性质有_。晶体硅是良好的_材料；硅是人类将_能转换为_能的常用材料。n参考答案：n1由硅、氧和金属组成n2水玻璃液粘合剂、防腐剂、耐火材料nNa2SiO3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3n3Na2OSiO2CaOSiO2nAl2O32SiO22H2On4黏土土壤胶体土壤胶体粒子巨大负NHKn5传统无机非金属材料新型无机非金属材料陶瓷玻璃水泥黏土纯碱石灰石石英黏土石灰石石膏n6金刚砂正四面体大砂纸，砂轮的磨料很高的导磁性变压器铁芯高温低温火箭、导弹、 飞机的零件和绝缘材料吸附剂、催化剂n7晶体无定形金刚石灰黑色固体，带有金属光泽，熔点高，硬度大，质脆半导体太阳电n问题探究n1不法商人常用玻璃加工成“水晶”并高价出售给消费者，作为一个高中生，你有区分水晶和玻璃的简单方法吗？n提示：水晶是一种高纯度的二氧化硅，而玻璃是由硅酸钠、二氧化硅等原料加工而成，从元素种类上看，玻璃中必含有一定量的钠元素，只要你有办法能区分是否含有钠元素，则相信你就一定有方法。查阅资料，钠元素具有焰色反应这一特殊性质，即将市售水晶球(最好是破损的部分)放在酒精喷灯上灼烧，火焰呈黄色，说明是假货。 n2根据Na2CO3SiO2 Na2SiO3CO2能说明硅酸酸性比碳酸强吗？n提示：上述反应不是在溶液中，而是在高温熔融状态下进行，SiO2的沸点很高，其化学反应可以看作是分两步进行的：Na2CO3 Na2OCO2，nNa2OSiO2 Na2SiO3，故该反应不能用于比较酸性强弱，但可以说明Na2SiO3的热稳定性比Na2CO3强。其反应原理可理解为用难挥发的物质制易挥发的物质。若在水溶液中，则可以发生如下反应： nNa2SiO3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3，根据盐与酸反应，能生成其对应的酸，则生成的酸比参加反应的酸的酸性弱，所以，此反应能说明硅酸酸性比碳酸弱。 n细品教材n1硅酸盐的概念、性质及用途n(1)概念：硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。n(2)硅酸钠(Na2SiO3)：溶于水，其水溶液俗称水玻璃，可用作肥皂填料，防火剂及黏胶剂等。n(3)硅酸盐的化学性质n硅酸盐有很强的热稳定性，即能耐高温。n硅酸盐易跟酸发生反应。n由于硅酸是比碳酸还弱的酸，所以水玻璃易跟碳酸(CO2H2O)及更强的酸反应，生成难溶于水的硅酸，例如：n温馨提示：盛Na2SiO3的试剂瓶应密封，否则吸收空气中CO2和H2O会变质。n硅酸钠的耐热性n实验步骤：a.取两个小木条或滤纸条，分别放入蒸馏水和Na2SiO3饱和溶液中，使之充分吸湿、浸透。nb取出稍沥干(不再滴液)后， 同时分别在酒精灯外焰点燃。n实验现象：放入蒸馏水吸湿的小木条或滤纸条在酒精灯火焰上，首先变干，后又燃烧，而放入Na2SiO3溶液的小木条或滤纸条在酒精灯火焰上，只是变干，不燃烧。n实验结论：Na2SiO3能耐高温，不能燃烧。 n2硅酸盐组成的表示方法n(1)自然界中的存在情况：硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，自然界中存在各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的5%。n(2)硅酸盐组成的表示方法：硅酸盐的种类多、结构复杂，其组成的表示方法有两种。n盐化学式法：如硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙n(CaSiO3)，此方法一般适用于组成较简单的硅酸盐。n氧化物法：如硅酸钠(Na2OSiO2)、石棉n(3MgOCaO4SiO2)、黏土的主要成分n(Al2O32SiO22H2O)。n用氧化物的形式表示硅酸盐组成时，各氧化物的一般排列顺序为金属氧化物(较活泼金属的氧化物较不活泼金属的氧化物)二氧化硅水n注意事项：氧化物之间以“”隔开；计量数配置出现分数应化为整数。n例如：钾长石KAlSi3O8不能写成n应写成K2OAl2O36SiO2。 n温馨提示：虽然我们采用氧化物的形式来表示硅酸盐的组成，但硅酸盐并不是由氧化物组成的，不是混合物，是纯净物，属于盐类。 n典例精析n【例1】美国“911”恐怖袭击事件给纽约带来了一场严重的环境灾难石棉污染，易使吸入石棉纤维者患肺癌。已知石棉是硅酸盐矿物，某种石棉的化学式可表示为Ca2MgxSiyO22(OH)2，其中x、y的值分别为 ()nA5,8 B8,3nC3,8D8,5n解析】Ca为2价，Mg为2价，Si为4价，nO为2价，OH为1价，则有(2)2(2)x(4)y(2)22(1)20，化简得x2y21。将四个选项中x、y的值代入，只有A符合。n【答案】An【点拔】根据化合价规律，物质中所有显正价的元素所带电荷总数与所有显负价的元素所带电荷总数的绝对值相等，通过此规律即可解题。 n【例2】用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中不正确的是()nA钙沸石Ca(Al2Si3O10)3H2O表示为n Al2O3CaO3SiO23H2OnB镁橄榄石Mg2SiO4表示为2MgOSiO2nC钾长石KAlSi3O8表示为K2OAl2O33SiO2nD高岭石Al2(Si2O5)(OH)4表示为n Al2O32SiO22H2On【解析】硅酸盐矿物的成分复杂，多用氧化物的形式表示它们的组成，顺序为：活泼金属氧化物、二氧化硅、水。n【答案】Cn【点拔】硅酸盐成分复杂，用氧化物的形式表示则比较单，但切不可认为“Al2O3CaO3SiO23H2O”这种形式代表的是氧化物。n下列关于水玻璃的性质和用途叙述错误的是()nA水玻璃是硅酸钠的水溶液，是混合物nB在建筑工地上可用作黏合剂nC木条或滤纸条浸过水玻璃后，具有防腐蚀性能且不易着火nD水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质n【答案】Dn【解析】水玻璃在空气中容易吸收空气中的CO2，生成H2SiO3而变质。 n三硅酸镁晶体被用来治疗胃溃疡患者的胃酸过多症，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。三硅酸镁晶体化学式为Mg2Si3O8nH2O。n(1)用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式。n(2)写出该药物中和胃酸的化学方程式。n【解析】用氧化物的形式表示硅酸盐的时候，应注意书写顺序：活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水。第二问若直接写三硅酸镁与盐酸反应，许多同学会感到无从下手。应以氧化物形式书写。碱性氧化物(MgO)能与盐酸反应，而SiO2不能与盐酸反应，可当成杂质，最后写出正确的方程式。n【答案】(1)2MgO3SiO2nH2On(2)2MgO3SiO2nH2O4HCl=n2MgCl2(n2)H2O3SiO2n【点拔】改写时注意原子守恒；我国著名的数学家华罗庚说过：“把一个比较复杂的问题退成最简单、最原始的问题，把这最简单、最原始问题想通了，想透了，然后再来一个飞跃上升。”这是一个非常精辟的思维方法，用这种方法去思考问题极有意义。把三硅酸镁改写成氧化物的形式，本题就能迎刃而解。 n细品教材n1传统的硅酸盐产品n陶瓷、玻璃和水泥是构成现代生活要素的最重要的无机非金属材料，它们都是以黏土等硅酸盐和其他无机原料在高温下加工而成的具有一些优良性能的工业产品。n(1)水泥中加石膏的作用是调节水泥的硬化速度。n(2)水泥砂浆是水泥、沙子和水的混合物，水泥、沙子和碎石、水混合成混凝土，与钢筋混合在一起就是钢筋混凝土。n(3)制造玻璃的原料中，石英是过量的，所以普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2按114比例混合在一起得到的物质，因此其成分表示为Na2OCaO6SiO2。而石英玻璃的成分就是SiO2。n(4)玻璃不属于晶体，没有固定的熔点，只在一定范围内软化后熔化，称为玻璃态物质。 n特别提示：普通玻璃：呈淡绿色，含二价铁。有色玻璃：蓝色玻璃是普通玻璃中加入了Co2O3，红色玻璃是加入Cu2O。变色玻璃：普通玻璃中加入了AgI、AgBr等。光学玻璃：普通玻璃中加入PbO2。钢化玻璃：经普通玻璃熔化后快速冷却制成，与普通玻璃的成分相同。石英玻璃：石英熔化制成。n2新型陶瓷n如高温结构陶瓷(工程陶瓷)、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等，都是人们在继承传统硅酸盐陶瓷的基础上发展创新，研制出的组成各异、性能独特的新型陶瓷。n3其他特殊功能的含硅物质n如碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、硅橡胶、分子筛等。n4无机非金属材料包括了传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类。传统无机非金属材料是指陶瓷、水泥、玻璃等硅酸盐产品；新型陶瓷如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷等。n典例精析n【例3】下列物质中，不含有硅酸盐的是 ()nA水玻璃B硅芯片nC黏土 D普通水泥n【解析】水玻璃中含有硅酸钠，普通水泥中含有硅酸钙，黏土含有复杂的硅酸盐，硅芯片中含的是硅单质。n【答案】B n【点拔】解此类题需了解常见生活中含硅物质的主要成分，理解化学与生活的关系。n请回答下列问题：n(1)下列属于新型无机非金属材料的是()nA高强度水泥 B钢化玻璃nC氧化铝陶瓷 D光导纤维n(2)磷酸钙陶瓷也是一种新型无机非金属材料，它可以用于制成人造骨骼，这是利用这类材料的()nA耐高温特性 B电学特性nC光学特性 D生物功能n【解析】(1)水泥、玻璃属于硅酸盐材料，是传统无机非金属材料。(2)新型无机非金属材料的四种特性不一定是这类材料的共性，不同的材料具有不同的特性。n【答案】(1)CD(2)Dn【点拔】区分传统的无机非金属材料和新型的无机非金属材料，分析新型无机非金属材料的四种特性及其应用进行判断。 n细品教材n1物理性质和重要用途n硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。晶体硅是灰黑色、有金属光泽硬而脆的固体，熔点、沸点很高，硬度大。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。n晶体硅的用途广泛。晶体硅可以用来制造晶体管和光电池，同时硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心。 n2化学性质n硅元素原子的最外层电子数相同，都有4个电子，化学性质不活泼，常温下除F2、HF酸和强碱外，硅不跟其他物质起反应。在加热时可与一些非金属和其他物质反应。n n3硅的工业制法 n典例精析n【例4】下列关于硅的说法中，不正确的是 ()nA硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体nB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nC硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应nD加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应n【解析】硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属；硅既有金属性，又有非金属性，其导电性也介于金属导体和非金属绝缘体之间，是良好的半导体材料。硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下)，但常温下仍能与氟气、氟化氢和NaOH溶液等发生反应，加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应。n【答案】C n【点拔】本题考查硅单质的物理性质和化学性质，要熟练地掌握其性质。 n【例5】已知硅可与碱溶液发生下列反应：nSi2NaOHH2O=Na2SiO32H2。现将6.9g钠和4.2g硅同时投入足量水中，充分反应后测得溶液体积为500mL，求产生的氢气在标准状况下的体积为多少升？所得溶液的物质的量浓度为多少？ n【解析】设6.9g金属钠与水反应放出氢气的体积为V1，生成的NaOH的物质的量为n1,4.2g硅与氢氧化钠反应生成氢气的体积为V2，生成的Na2SiO3的物质的量为n2。n经分析可知，4.2g硅与0.3molNaOH恰好完全反应，则：n所以，产生的氢气在标准状况下的体积为n336L6.72L10.08L，n所得溶液的物质的量浓度为0.3molL1n【答案】10.08L,0.3molL1 n【例6】几种含硅元素的物质之间的相互转化关系如图所示： n(1)写出图示反应的几种物质的化学式：nA_，B_，C_，nD_，E_，F_。n(2)写出下列反应的化学方程式：nBA：_；BE：_。n(3)写出下列溶液中反应的离子方程式：nAD_；nDF_。 n【解析】本题的突破点在于A和B，含Si的物质与碳在加强热的条件下能反应的只有Si和SiO2，所以A为Si，B为SiO2，则由Si的相关知识可推出C为H2Si3，D为Na2SiO3，E为CaSiO3，F为H4SiO4。 n下列关于硅的说法中，不正确的是 ()nA硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体nB硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料nC硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应nD加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属反应n【解析】本题考查硅的物理性质、化学性质。n【答案】C n有一粗铝，含铁和硅两种杂质，取等质量的样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的H2。则该粗铝中铁和硅的关系正确的是 ()nA物质的量之比为11 nB物质的量之比为21nC质量之比为41 nD质量之比为21n【答案】BCn【点拔】一定量铝与酸或氢氧化钠反应放出的氢气量相等，则据题意可知，粗铝中的铁与酸反应放出的氢气和硅与氢氧化钠反应放出的氢气量相等，依据反应Fe2HCl=FeCl2H2，Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2可知，Fe与Si的物质的量之比为21时产生H2的量相等，而Fe与Si的物质的量之比为21时其质量之比为41。 n(2009广东理基22)下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是 ()n硅是构成一些岩石和矿物的基本元素n水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品n高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维n陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料nABnCDn【答案】Cn【点拔】水晶饰物不是硅酸盐制品，主要成分是SiO2；制作光导纤维不是用高纯度的硅单质，主要用SiO2，错，故选C。n资料备选n硅及其化合物的特性n1非金属单质一般为非导体(石墨能导电)，硅的晶体是良好的半导体材料。n2Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO22C Si2CO。n3非金属单质跟碱作用一般无H2放出，但Si能跟强碱溶液作用放出H2：nSi2NaOHH2O=Na2SiO32H2。 n4非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能跟HF作用：Si4HF=SiF42H2。n5酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能与HF作用。n6SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3。n7无机酸一般易于溶水，但H2SiO3难溶于水。n8硅酸钠水溶液称泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。 n温馨提示：与强碱溶液反应生成H2的固体单质有Si和Al，常作为推断题的突破口。