第四章 非金属及其化合物
第一讲 无机非金属材料主角—硅
。教学重点：SiO2的性质
教学难点：SiO2的结构、硅酸盐的组成
知识梳理
在地壳里，硅的含量在所有元素中居第次于氧全部以＿＿＿＿＿ 态存在。硅元素位于元素周期表中的第＿＿＿周期，族：＿＿其原子结构示意图：＿＿＿＿＿。
一、二氧化硅及硅酸
1、二氧化硅
(1)物理性质:二氧化硅广泛存在于自然界中，沙子、石英的主要成分就是二氧化硅，SiO2不溶于水，熔点＿＿＿、硬度＿＿＿。水晶、石英是二氧化硅晶体。
(2)结构:二氧化硅晶体是由硅原子和氧原子构成的，晶体中硅原子和氧原于的个数比为＿＿＿，Si02晶体的平面结构图：
(3)二氧化硅出化学性质
①酸性氧化物的性质:Si02是酸性氧化物，是 ＿＿＿ 的酸酑，＿＿＿于水。常温下Si02与NaOH溶液反应得到硅酸钠(Na2SiO3)，反应的化学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
高温下Si02能和碱性氧化物(如CaO)反应生成硅酸盐，反应的化学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
②常温下，SiO2能与氢氟酸(HF)反应，此反应常用于刻蚀玻璃，反应的化学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
③二氧化硅的弱氧化性:Si02高温下与C作用可制取粗硅，反应的化学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
(4)二氧化硅的用途 :①Si02是制造光导纤维的主要原料。②Si02常被用来制造石英表中的压电材料(3)Si02用于制造各种玻璃制品。
思考:(1)实验室为什么不用带玻璃塞的试剂瓶盛放NaOH溶液?应用什么样的塞子?(2)Si02不溶于水，如何由Si02制取H2SiO3?
2、硅酸
(1)硅酸(H2Si03)硅酸不溶于水，其酸性比碳酸的酸性＿＿＿。
(2)硅酸钠(Na2Si03): Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，常用作黏合剂。往Na2SiO3溶液中通人CO2，能制得硅酸，反应的化学方程式：＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
二、硅酸盐
1、硅酸盐制品性质稳定、熔点较高，大都难溶于水，
(1)硅酸盐的组成比较复杂，常用氧化物的形式表示。表示顺序为：活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水。例如：硅酸钠(Na2Si03)改写为氧化物形式为：＿＿＿＿＿＿＿＿；钠长石： (NaAlSi308)改写为氧化物形式为＿＿＿＿＿＿＿＿。
(2)玻璃①生产原料：＿＿＿＿＿＿＿＿。②生产设备：＿＿＿＿＿＿＿＿。
③生产过程：把原料粉碎并按适当比例混合后，放人玻璃熔炉中加热、熔化，冷却后得到普通玻璃。主要的化学反应有：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
④主要成分：普通玻璃是Na2Si03、CaSi03和SiO2在一起的混合物。
⑤重要性质：玻璃在常温下呈固态，没有固定的熔点，受热在一定温度范围内逐渐软化。
⑥玻璃的种类：铅玻璃(用于制光学仪器)；有色玻璃[蓝色钴玻璃(Co202)、红色玻璃(Cu2O)；钢化玻璃(用于汽车车窗)：
(3)水泥：水泥是重要的建筑材料，其主要成分是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，水泥具有＿＿＿＿性。
(4)陶瓷：陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料，①高温结构陶瓷，如氮化硅(Si3N4)陶瓷，碳化硅(SiC)陶瓷等。②生物陶瓷：如氧化铝陶瓷(A1203)，氧化锆陶瓷(Zr02) 等； ③压电陶瓷：以钛酸钡(BaTi03)和钛酸铅(PbTi03)为主要成分。
三、硅单质
1、硅的物理性质
单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是＿＿＿色、有＿＿＿光泽、脆而硬的固体，是良好的＿＿＿材料。
2．硅的化学性质
(1)常温下硅的化学性质稳定，但能和氟(HF)、强碱(NaOH)发生反应。
①硅和氟气反应生成四氟化硅气体，化学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
②硅和氢氟酸反应生成四氟化硅，放出学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
③硅与NaOH溶液作用生成硅酸钠，反应的化学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
(2)在加热条件下，硅能和某些非金属单质发生反应。
①硅与氧气在加热时反应生成二氧化硅程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
②硅和C12在加热条件下反应生成四氯的化学方程式为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。3．硅的制取：自然界中没有游离态的硅，常见的化合态的硅有＿＿和＿＿等。工业上，
用焦炭在电炉中还原二氧化硅得到含有少量杂质的粗硅。反应的化学方程式：＿＿＿＿＿
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。在该反应中，氧化荆是＿＿＿＿，还原剂＿＿＿＿。
4．硅主要的用途：硅可以用来制造＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿等。
四、小结：比较SiO2、CO2在物理化学性质上异同。
| 二氧化碳 | 二氧化硅 | |
| 状态 | ||
| 溶解性 | ||
| 与NaOH反应 | ||
| 与酸反应(HF) | ||
| CO2通入水玻璃 | ||
| SiO2与Na2CO3 高温下反应 | ||
疑难点拨
一、 硅及其化合物的有哪些特性？
1.Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2+2C=Si+2CO↑
2.非金属与碱反应一般无氢气放出，但Si可以：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑
3.非金属单质一般不与无氧酸反应 ，但Si可以与HF作用：Si+4HF=SiF4+2H2↑
4.非金属单质一般为非导体，但Si可以作为半导体。
5.SiO2是硅酸的酸酐，但不溶于水，不能直接与水作用生成硅酸。
6.非金属的氧化物的熔点一般较低，但二氧化硅的熔点很高，原因是它为原子晶体。
7.酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2可以与HF酸作用： SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
8.硅酸不溶于水。
二、为什么玻璃没有固定的熔点？
有规则空间排列的晶体是有固定熔点的。玻璃是一种玻璃态物质，玻璃态是介于结晶态与无定形之间的一种物质状态。它的结构特点是：它的粒子不象晶体那样有严格的空间排列，但又不象无定形那样无规则排列。人们把玻璃态的这种结构特征称为“短程有序而远程无序”。即从小范围来看，它有一定的晶体排列，但从整体上看，却像无定形物质那样无晶形的排列规律。所以，玻璃态物质没有固定的熔点，而是在一定的温度范围内逐渐软化而变化为液态。
三、玻璃瓶塞会跟NaOH等碱性溶液反应，为什么NaOH溶液还能用玻璃瓶盛装？
由于玻璃不是简单的Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2机械混合物,它们相互结合为多聚硅酸的长链,金属阳离子处于无规则的多聚硅酸的长链包围之中。所以玻璃中的Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2不是独立存在的，即玻璃中SiO2与一般所说的是有区别的。瓶口内侧与瓶塞都是经过磨砂处理的，表面粗糙，造成碱性的液体容易滞留，并且水分蒸发，碱液浓度增大，促使二者更易反应。其他部位因表面光滑而难于反应。由于从组成和结构上看多聚硅酸的长链与SiO2相似，所以通常把玻璃跟NaOH等碱性溶液反应简单地看成SiO2与碱溶液的反应。
四、二氧化硅与碳酸钠和碳酸钙反应的原因？
玻璃工业生产的主要原理是在强热的条件下发生：
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2 ↑，CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 ↑
上述反应都是在高温条件下进行的，有利于二氧化碳从体系中挥发出来，而二氧化硅不行，所以反应可以进行。符合难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理。所以上述反应不与“Na2SiO3 + CO2+H2O= Na2CO3+ H2SiO3↓”矛盾，因为后者是在溶液中进行的，符合复分解反应的原理。
五、怎样用氧化物来表示硅酸盐？
氧化物的顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，氧化物前系数的确定：除氧元素外，其他的元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。注意事项：氧化物之间用“·”隔开；系数配置出现分数应化为整数。如：正长石KAlSi3O8要写成K2O·Al2O3·6SiO2形式。
六、碳族元素化合价有哪些特点？
碳族元素主要化合价为+2和+4，非金属元素还有-4价。其中Pb+2价稳定；其余的+4价稳定。
典例剖析
【例1】向下列物质的浓溶液中缓慢地通入过量CO2气体，整个过程中无明显现象的是
A．水玻璃 B．苯酚钠 C．漂白粉 D．饱和碳酸钠 E．氯化钙
解析： CO2溶于水生成碳酸，碳酸的酸性比盐酸弱，而比硅酸、次氯酸、苯酚强。根据酸与盐反应的规律（弱酸不能制强酸），过量CO2通入硅酸钠溶液中有白色沉淀H2SiO3生成，CO2通入苯酚钠溶液中会生成苯酚浊液；CO2通入次氯酸钙溶液过程中会生成碳酸钙白色沉淀，CO2过量最终沉淀会消失；过量CO2通入饱和碳酸钠溶液会生成碳酸氢钠，碳酸氢钠溶解度比碳酸钠溶解度小而结晶析出；CO2通入氯化钙溶液无明显现象。 答案：E。
规律总结： 此题易出错的地方有三个：①CO2通入氯化钙溶液无明显现象；②题干中CO2是过量的；③碳酸氢钠因溶解度小而结晶析出。
【例2】(2002年上海)将足量CO2通人KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的
物质的量（n）和通入CO2体积（y）的关系正确的是
A B C D
解析：CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合溶液中，首先发生反应CO2+2OH－+Ca2＋=CaCO3↓+H2O，此段时间内随着CO2的不断通入，沉淀量逐渐增加；等Ca(OH)2反应完，溶液中还剩余OH－，再通CO2，即发生反应：CO2+2KOH=K2CO3+H2O，此段时间内，随着CO2的不断通入，沉淀量保持不变; 等KOH反应完，继续通CO2，即发生反应：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2，沉淀量逐渐减少，一直到沉淀完全溶解。D图象符合题意。实际上这里还有一个定量关系：完全生成碳酸钙沉淀所需的CO2的体积和使碳酸钙沉淀完全溶解所需的CO2的体积相等。答案：D。
规律总结：遇到通入气体沉淀又溶解的这类题，首先联想到碳酸盐，亚硫酸盐转化为酸式盐，当全部转化为正盐时，如有OH－，则应把OH－中和完毕，酸式盐再转化为正盐。
【例3】Fe3O4若看作“混合氧化物”时可写成FeO·Fe2O3，若看作一种盐时又可写成Fe(FeO2)2．根据化合价规则和这种书写方法，Pb3O4可以分别写成________和________。
解析: Fe元素有＋2、＋3价，Fe3O4中有1/3Fe元素为＋2价，2/3Fe元素为＋3价．与Fe元素不同，铅是＋2价、＋4价．按化合价规则及题中要求的写法(即低价在前，高价在后，且高价元素形成酸根)，故Pb3O4应改写为下列两种形式2PbO·PbO2和Pb2PbO4。
【例4】 草酸晶体与浓硫酸共热可制得CO，其化学方程式如下：H2C2O4 
CO↑+CO2↑+H2O，现利用该反应制取CO气体，要求：a．验证CO还原性及其氧化产物。b．剩余气体CO不能排入大气中，并回答有关问题：
（1）试从图中选用几种装置（有些可重复使用）连接成一套实验装置，所选用的装置及连接顺序为 。
（2）用简洁的文字说明所选的装置，如何达到上述两要求：a． ；b． 。
（3）在装置C中的化学反应方程式为 。
（4）本实验有四个酒精灯A、B、C、H，正确操作时点燃酒精灯的顺序是 ；试简单说明理由； 。熄灭酒精灯的顺序是 ；试简单说明理由： 。
（5）用有效气体还原0.40g
将生成的气体通入过量澄清石灰水中，生成0.75g白色沉淀，则 中
值是
，
值是
。
解析：在制取气体时，根据方程式：H2C2O4
CO↑+CO2↑+H2O,可知这是一个固体与液体物质在加热条件下制取气体的反应，应选装置A。
因为草酸在加热中分解生成CO时，同时有CO2 和H2O生成，若不除去则影响CO还原性和进行氧化产物CO2 的鉴定。可选用装有苛性钠的U型管以吸收混合气体中的CO2 ，同时还要配以装有澄清石灰水的装置E。当气体通过G装置后进行装置E无浑浊出现，说明混合气体中CO2 已除尽，然后通过装有浓H2SO4
的洗气瓶进行干燥，才能进入装置C与 反应，证明CO的还原性。
在C中反应生成Fe和CO2 ，证明生成了CO2 ，只能再次选用装置E，其中溶液在气体通过后出现浑浊，证明在反应中已生成了CO2 ，这就说明了CO的还原性，CO在反应中被氧化为CO2 ，剩余CO不能向空气中排放，无其他试剂可以将其吸收，所以将尾气在H处点燃，使未反应的CO转化为CO2 。
实验中有三处装置使用酒精灯，即A、C、H。正确操作点燃酒精灯的顺序应为A→H→C。使分解产生的气体将系统内的空气排净，防止加热时发生爆炸，而熄灭酒精灯的顺序应为C→A→H。这是因为要使已被还原的铁粉在CO的气流中冷却，以防止再被氧化影响实验结果。
实验最后给出测定的有关数值，要求确定 中的 和 值：
中含氧原子的物质的量：
,故
答案：(1)A→G→E→F→C→E→H(2)a．草酸分解气体通过装置E时无白色沉淀生成说明其中所含CO2 已除尽，通过装置C反应后气体通过第二个装置E时出现白色沉淀，说明CO的氧化产物为CO2 。b．尾气在装置H处点燃，使剩余的CO转化为CO2
(3)
(4)A→H→C，使分解产生的气体把实验系统内的空气排尽，防止加热时引起爆炸
C→A→H，使热的铁粉在CO气流中冷却，防止铁粉再次被氧化
(5)2、3
知能训练
一、选择题
1.(2002全国理综，6)以下说法正确的是
A.纳米材料是一种称为"纳米"的新物质制成的材料
B.绿色食品是指不含任何化学物质的食品
C.生物固氮是指植物通过叶面直接吸收空气中的氮气
D.光导纤维是以二氧化硅为主要原料制成的
2．(2004上海，大综)玻璃的主要成分之一是二氧化硅。能在玻璃上进行刻蚀，将其制成毛玻璃和雕花玻璃的物质是
A、烧碱 B、纯碱 C 、氢氟酸 D、 盐酸
3．（2001春季，5）下列氧化物按其形成的含氧酸酸性递增顺序排列的是
A. 
B. 
C. 
D. 
4．对于碳族元素，下列说法正确的是
A．锗、硅元素的单质都是半导体材料 B．CH4、SiH4、GeH4的稳定性依次减弱
C．H2CO3、H2SiO3、H2GeO3的酸性依次增强 D．C、Si、Ge、Sn、Pb的熔、沸点依次升高
5．下列说法：①硅化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在；②硅和二氧化硅晶体都属于原子晶体；③二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大的差异；④二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应。正确的是
A．①②③④ B．①②④ C．①④ D．②③
6．二氧化硅属于酸性氧化物的理由主要是
A．硅是非金属元素 B．二氧化硅对应的水化物是可溶性弱酸
C．二氧化硅能与强碱反应生成盐和水 D．二氧化硅不能与酸反应
7．某混合气体中可能含有H2、CO、CO2、HCl、NH3、和H2O (气)中的两种或多种，当混合气体依次通过① 澄清石灰水(无浑浊现象)，② Ba(OH)2溶液(有浑浊现象)，③ 浓H2SO4(无现象)，④ 灼烧氧化铜(变红)，⑤ 无水CuSO4(变蓝)。对该混合气体成分正确判断的是
A．一定没有CO2，肯定有H2 B．一定有CO、CO2、H2O(气)
C．一定有H2、CO2、HCl D．可能有CO2、NH3、H2O(气)
8．将标准状况下2.24 L CO2通入150 mL 1mol·L－１NaOH溶液中，下列说法正确的是
A．c(HCO3－)略大于c( CO32－) B．能使酸性高锰酸钾溶液褪色
C．c(Na＋)等于c( CO32－)与c( HCO3－)之和 D．c( HCO3－)略小于c( CO32－)
9．下列离子方程式，正确的是
A．澄清石灰水通人过量二氧化碳：Ca2＋ +2OH－+CO2 = CaCO3↓+H2O
B．硅酸钠溶液中通人足量二氧化碳：SiO32－+2CO2+3H2O = H4SiO4↓+2HCO3－
C．二氧化硅与烧碱溶液反应：SiO2 +2OH－= SiO32－+H2O
D．硅酸与烧碱溶液中和：H＋ + OH－= H2O
10．如果发现114号新元素X，则下列可能具有的性质合理的是
A．X是非金属元素 B．X有稳定的氢化物
C．X的+4价化合物比+2价化合物稳定 D．XO2具有强氧化性
11．下列各组离子中能大量存在的是
A．K＋、SiO32－、OH－、Na＋ B． Na＋、H＋、CO32－、SO42－
C．K＋、H＋、SiO32－、Cl－ D．OH－、Na＋、HCO3－、Cl－
12．下列5个转化，其中不能通过一步反应实现的是
① SiO2 → Na2SiO3 ② CuSO4 → CuCl2 ③ SiO2 → H2SiO3 ④ CuO → Cu（OH）2 ⑤ Na2O2 → Na2SO4
A．① ② B．③ ④ C．② ③ ④ D．② ③ ④ ⑤
13．高岭土的组成可表示为Al2Si2Ox(OH)y ，其中x、y的数值分别是
A．7、2 B．5、4 C．6、3 D．3、6
二、填空题
14．Fe3O4可以写成FeO·Fe2O3，若看作一种盐时，又可写成Fe(FeO2)2。根据化合价规律
和这种书写方法，则Pb3O4的氧化物形式为 ，盐的形式为 。等物质的量的Fe3O4和Pb3O4分别和浓盐酸时，所消耗HCl的物质的量相等，不同的是，高价的铅能将盐酸氧化而放出氯气。试写出Fe3O4、Pb3O4分别和浓盐酸反应的方程式 ， 。
15．一固体单质A加入NaOH溶液生成单质气体B和化合物甲，气体B和单质C在一定条件下反应生成化合物乙，化合物甲加入过量盐酸生成白色胶状物质丙，丙彻底脱去化合物乙生成难溶物丁，丁加入NaOH又可生成化合物甲。写出上述物质的化学式： A ，B ，C ，甲 ，乙 ，丙 ，丁 。写出A与NaOH反应的化学方程式： 。写出甲与盐酸反应的离子方程式： 。
16．有三种不同质量比的氧化铜与炭粉的混合物样品①、②、③。甲、乙、丙三同学各取一种样品，加强热充分反应，测定各样品中氧化铜的量。
（1）甲取样品①强热，若所得固体为金属铜，将其置于足量的稀硝酸中微热，产生1．12 L气体(标准状况)，则样品①中氧化铜的质量为 g。
（2）乙取样品② a g强热，生成的气体不能使澄清的石灰水变浑浊。再将反应后的固体与足量的稀硝酸微热，充分反应后，有b g固体剩余，该剩余固体的化学式为 。样品②中氧化铜质量为 g（以含a、b的代数式表示）。
（3）丙称量样品③强热后剩余的固体，质量比原样品减小了c g，若该固体为金属铜，则样品③中氧化铜物质的量（n）的取值范围为 。
三、计算题
17．向300mL KOH溶液中缓慢通入一定量的CO2气体，充分反应后，在减压低温下蒸发溶液，得到白色固体。请回答下列问题：
(1)由于CO2通入量不同，所得到的白色固体的组成也不同，试推断有几种可能的组成，并分别列出。
(2)若通入CO2气体为2.24L（标准状况下），得到11.9g的白色团体。请通过计算确定此
白色固体是由哪些物质组成的，其质量各为多少？所用的KOH溶液溶质的物质的量浓度为多少？
参考答案：
1．D 2．C 3．B4．AB 5．D 6．C 6．C 8．A 9．BC 10．D 11．A 12．B 13．B
14．2PbO·PbO2 Pb2PbO4 Fe3O4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2O，Pb3O4+8HCl=3PbCl2+Cl2↑+4H2O
15．Si H2 O2 Na2SiO3 H2O H4SiO4 SiO2
Si+2NaOH+ H2O= Na2SiO3+ 2H2↑ SiO32－+2H++H2O==H4SiO4↓
16．（1）6.0 （2）C；
（3）
17．（1）①K2CO3和KOH ②K2CO3 ③K2CO3和KHCO3 ④KHCO3（2）白色固体由K2CO3和KHCO3组成， 其质量各为6．90g和5．00g 0.500 mol•L－1