第7章 硅和硅酸盐工业

第7章 硅和硅酸盐工业 

【重点难点】

1．碳族元素的原子结构特点及其性质上的相似性

    碳族元素包括碳、硅、锗、锡、铅五种元素，这些元素的原子最外电子层上都有4个电子，其最高正价都为+4价。

    碳族元素都能与氢形成共价型的(RH4)气态氢化物。

    碳族元素的氧化物主要有RO型和RO2型两类，RO2型氧化物主要呈酸性。

2．碳族元素的递变性

碳族元素随原子序数的增大，原子半径依次增大，从上到下由非金属元素逐渐转变为金属元素。

(1)从上到下，其氢化物的稳定性减弱。

(2)氧化物的酸性随原子序数的递增而减弱。除CO2外，其他氧化物几乎不跟水反应，H2CO3和H2SiO3显酸性。Ge、Sn、Pb的二价或四价的氢氧化物，其中R(OH)2以碱性为主，R(OH)4以酸性为主。

3．硅

    硅的原子序数为14，原子结构示意图为，硅原子最外电子层上有4个电子，比碳原子多一个电子层。  

    晶体硅是灰黑色有金属光泽，熔、沸点高，硬度大，是良好半导体材料。

硅的化学性质不活泼，但加热时可与许多非金属反应：

 工业上，用碳在高温下还原二氧化硅制硅：

4．二氧化硅

SiO2是一种坚硬难熔固体。SiO2是酸性氧化物，不溶于水也不与酸(氢氟酸除外)反应，但能与碱性氧化物或碱反应：

5．硅酸盐工业简介

    以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称硅酸盐工业。

    A．水泥工业  制水泥的原料主要是石灰石和粘土。生产时把原料按一定比混合，磨细制成生料。将生料装入水泥回转窑烧至部分熔化，原料在高温下发生复杂的物理、化学变化，冷却成硬块叫熟料。再加入一定量的石膏，磨成细粉，就制得水泥。

    B．玻璃  制造普通玻璃的主要原料是纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、和石英(SiO2)。生产时，把原料粉碎，按适当比率混合后，放在玻璃熔炉里，加强热。原料熔融后发生了复杂的物理、化学变化，冷却后即得普通玻璃。

    C．陶瓷  制造陶瓷器的主要原料是粘土。生产时在适当温度下烧制。

    综上所述，硅酸盐工业的特点：

    (1)生成物：硅酸盐。

    (2)原料：含硅的物质。

    (3)反应条件：高温。

(4)反应原理：复杂的物理、化学变化。

6．新型无机非金属材料

    (1)高温结构陶瓷  如氧化铝陶瓷具有熔点高、硬度高等优点，可利用其强度、硬度、韧性等机械性能制成各种材料、设备。

(2)光导纤维  高质量传导光的玻璃纤维。

【典型例题】

    【例1】某元素A的原子M电子层上是K层电子数的2倍，推测A不可能具有的性质是

    A．单质A晶体的熔沸点高，硬度较大

    B．A常见的化合物为+4价

    C．A的高价氧化物的水化物H2AO，其酸性比碳酸的酸性强

D．A单质是良好的半导体材料

思路分析

K电子层为2个电子，则A原子M层应有4个电子，L层一定达到饱和为8个电子，因此可确定A原子结构为：，由结构推知A元素在周期表中的位置，即第三周期Ⅳ A族元素。A的原子序数为14，应是硅元素。硅的结构类似金刚石，熔点和沸点都很高，硬度也很大。硅的常见化合价为+4，它的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料。Si在碳的下一周期，元素的非金属性比碳的非金属性弱，所以Si形成的H2SiO3酸性比H2CO3要弱，不可能比H2CO3强。

答案：C

【例2】在自然界中，既以化合态存在，又以游离态存在的是

A．碳     B．硅     C．锗      D．硫

思路分析

在自然界中碳是构成一切动植物体的重要元素，许多以动植物为来源的东西，在高温时都会分解生成碳。所以说在自然界里，碳主要是以化合态存在，但也有游离态的，如金刚石、石墨等。硫元素在自然界中也是有游离态的(存在于火口喷口附近或地壳的岩层里)，另外以化合态存在的硫分布也很广，主要是硫化物和硫酸盐，如芒硝Na2SO4·10H2O、硫铁矿FeS2等。硅和锗在自然界中只有化合态，没有游离态。

答案：A、D

【例3】关于碳族元素的正化合价的叙述正确的是

A．都有+2价和+4价       B．硅只有+4价

C． 比 稳定            D． 比 稳定

思路分析

碳族元素的主要化合价有+4价及+2价，A项正确，B项错误。已知碳的十4价化合物稳定，如CO可继续被氧化，CO2则无此性质。而铅的+2价化合物稳定。C项正确，D项错误。

答案：A、C

    【例4】在一定条件下，既能跟二氧化碳反应，又能跟二氧化硅反应的物质是

A．Na2CO3溶液    B．浓H2SO4    C．NaOH溶液    D．碳

思路分析

    因CO2及SiO2均为酸性氧化物，故都可与强碱反应生成相应的盐，如：

    SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O

    CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O

    这两种氧化物也均可与碳发生反应：

    C+CO2 2CO

2C+SiO2 Si+2CO↑

答案：C、D

    【例5】在SiO2+3C SiC+2CO↑的反应中，氧化剂和还原剂的质量比为

A．7：3    B．7：6    C．1：2    D．2：1

思路分析

氧化剂1个碳原子，还原剂2个碳原子，故氧化剂与还原剂质量之比为1：2。

答案：C

    【例6】A、B、C为短周期中相邻三元素，A、B为同周期，B、C为同主族。已知此三元素原子的最外层电子数之和为13，而其质子数之和为27，则此A、B、C三元素为

A．P、Si、C    B．N、C、Si    C．B、C、Si    D．A1、Si、C

思路分析

根据题意A、B、C在周期表中的位置可能有以下几种情况：

    若为(1)，设B的原子序数为工，则x+x+1+x-8=27，3x=34。x不得整数，不合题意。

    若为(2)，设B的原子序数为x，则：

x+x+1+x+8=27，x=6。所以B为碳，C为硅，则A为氮。B项符合题意。(3)、(4)的情况所得原子序数为非整数，所以合理的只有B项。

答案：B

    【例7】等质量的二氧化碳和二氧化硅分别跟足量的烧碱完全反应，消耗烧碱的物质的量之比为

A．1：1    B．11：7    C．7：11    D．15：11

思路分析

则CO2与SiO2消耗烧碱的物质的量分数之比为； 

答案：D

    【例8】不另加任何试剂就可将①Na2SiO3、②BaCl2、eCuSO4、④Na2SO4四种溶液鉴别出来，其鉴别检出的顺序是

    A．②、④、③、①    D．③、①、②、④

C．③、①、④、②    D．①、②、③、④

思路分析

    本题的特点是不另外加任何试剂就要求将所给出的四种溶液鉴别出来，这种题往往先通过溶液的颜色鉴别出一种，然后用这种溶液分别与其他各溶液反应，根据不同现象将它们一一区别开来。

    在四种物质中CuSO4为蓝色溶液，将取出的CuSO4，分别倒人另外三种溶液(各取少许)，若有不溶物出现，试管中盛放的为Na2SiO3：

    Na2SiO3+CuSO4＝CuSiO3↓+NaeSO4

有白色沉淀析出的试管为BaCl2，无变化的为Na2SO4。

答案：B 

    【例9】制取下列物质，无需利用到二氧化硅的是

A．玻璃     B．水泥     C．粗硅     D．光导纤维

思路分析

制造普通玻璃的原料是纯碱(Na2CO3)，石灰石(CaCO3)和石英(SiO2)。制造水泥原料为石灰石和粘土，粗硅的原料是SiO2，制造光导纤维的材料就是SiO2。用高质量的石英玻璃做外套管，在管的内壁上沉积着硅、锗、硼、磷的氧化物，在高温下将这种石英棒拉成比头发丝还细的、能传导光信号的玻璃丝。综上所述，不用Si02为原料的只有水泥。

答案：B

    【例10】普通水泥的主要成分是

    ①硅酸钠②碳酸钙③硅酸钙④硅酸二钙⑤硅酸三钙⑥铝酸三钙

A．①、②、③  B．④、⑤、⑥  C．②、③、④   D．③、④、⑤

思路分析

普通水泥主要成分是硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)和铝酸三钙(3CaO·A12O3)等。与以上几种物质成分相同的是④、⑤、⑥。

答案：D

    【例11】下列说法正确的是

    A．SiO2既不溶于水也不溶于任何酸

    B．CO2通入水玻璃中可以得到原硅酸

    C．CO2通人饱和氯化钙溶液中能生成白色沉淀

D．SiO2是制造玻璃的主要原料，它不能与NaOH溶液反应

思路分析

    A中SiO2是硅酸的酸酐，但它不溶于水，也不能与水化合成硅酸。SiO2能溶于氢氟酸生成SiF2气体，但SiO2不溶于其他酸，A不正确。

    B中CO2是碳酸的酸酐，H2C03比硅酸的酸性强，所以CO2能与硅酸钠水溶液(水玻璃)反应生成原硅酸：

    CO2+2H2O+Na2SiO3==HSiO4↓+Na2CO3，B项正确。

    C中CO2通入水中生成碳酸是弱酸，电离时H2CO3 H++HCO 第二步电离 很弱，电离出的[CO ]离子浓度很小，不足以跟CaCl2溶液中的Ca2+结合生成沉淀。C不正确。

D中SiO2是制造玻璃的主要原料，SiO2+是酸酐能与碱或碱性氧化物反应生成相应的盐。D不正确。

答案：B

    【例12】下列关于元素的叙述中能够说明X一定位于第WA族的是

    A．最高正价与最低负价的绝对值相等

    B．原子最外层有四个电子

    C最高价氧化物的水化物为弱酸

D．单质晶体是一种半导体材料

    思路分析

    IVA族元素的原子结构的特点是最外电子层上均有4个电子，B项正确。

由于原子的特殊结构决定本族元素的最高正价为14价、最低价(负价)也是4价，正负化合价绝对值相等，A正确。由A、B两项内容可以说明X一定位于IVA族。

    C项不行，因为最高价氧化物的水化物为弱酸，在其他主族的也有，如碲酸(H2TeO4)就是很弱的酸。

D项不能，单质晶体的是半导体的材料还有一些，如硒、碲也均为半导体材料。

答案：A、B

    【例13】某些保健品中含有锗元素(Ge)，它位于周期表的第四周期IVA族，有关锗的叙述正确的是

    A．锗的原子序数为24

    B．锗的金属活动性比铝强

    C．Ge可以生成化学式为Na2GeO3的盐

D．单质锗是半导体材料

思路分析

    锗处于Ⅳ族硅的下边，硅的原子序数为14，锗处于第四周期(长周期中)，与硅相差18个格，故其原子的原子序数应为14+18=32，而不是24，A项不正确。

铝是金属元素，而锗是半导体材料，所以说锗的金属活动性比铝强是错误的。B错误，D正确。锗的氧化物有酸性，故可以与氧化钠、氢氧化钠反应生成化学式为Na2GeO3的盐，C项正确。

答案：C、D

【单元测试】

    1．光纤通讯是光作为信息载体，让光在光导纤维中传播，制造光导纤维的基本原料是

       A．钢    B．铜    C．石英砂    D．铝

    2．下列晶体属于原子晶体且为化合物是

       A．干冰    B．石英    C金刚石    D．晶体硅

    3．下列有关碳族元素的递变规律中，正确的是

       A．自上而下元素的金属性逐渐增强

       B．自上而下元素的非金属性逐渐增强

       C．自上而下元素单质颜色逐渐变浅

       D．自上而下元素单质熔、沸点逐渐升高

    4．下列关于碳族元素及其化合物的性质的描述不正确的是

       A．除Pb外，+4价化合物是稳定的

       B．RO和RO2(除CO2外)均不跟水反应

       C．RH4的稳定性随分子量增大而增大

       D．RH4的沸点从碳到铅逐渐升高

    5．有关硅元素的下列叙述中正确的是

       A．单晶硅具有与金刚石相似的空间结构

       B．硅与任何酸都不反应

       C．硅是构成矿物与岩石的主要原料，其化合态硅几乎全部是硅石和硅酸盐

       D．硅的性质很稳定，能以游离态存在于自然界

    6．碳族元素中，正二价的化合物较为稳定的是

       A．Si    B．Ge    C．Sa    D．Pb

    7．检验生石灰中混有杂质碳酸钙和石英，应选用的试剂是

       A．水    B．盐酸    C．稀硫酸    D．氢氧化钠溶液

    8．下列各反应的化学方程式正确的是

A．SiO2+H2O==H2SiO3

       B．Na2SiO3+CO2+H2O== Na2CO3+H2SiO3↓

       C．SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O

       D．BaCl2 +CO2+H2O==BaCO3↓+2HCl

    9．在制取水泥、玻璃的生产中，共同使用的原料是

       A．纯碱    B．石灰石    C．粘土    D．石英

    10．SiCl4与CCl4有类似的结构，对其性质推断不正确的是

       A．易溶于水            B．晶体是分子晶体

       C．常温下是气体        D．熔点高于CCl4

    11．下列物质的主要成分中含有硅酸盐的是

       A．大理石      B．水晶      C．重晶石     D．水泥

    12．下列物质中能与二氧化硅起化学反应的是

       ①浓HNO3  ②水  ③氢氟酸   ④KOM溶液

       A．①、②     B．②、④      C．①、④    D．③、④

13．下列离子方程式不正确的是

       A．石英与烧碱反应

          SiO2+2OH—==SiO +H2O

      B．往烧碱溶液中通人过量的CO2

         CO2+2OH—==CO +H2O

      C．往硅酸钠溶液中加入盐酸

         2H++SiO +H2O==H4SiO4

      D．往碳酸钙上滴稀

         CO +2H+==H2O+CO2↑

【参】

    1．C  2．B  3．A  4．C  5．A、C   6．D  7．B   8．B、C   9．B  10．A、C   11．D  12．D  13．B、D

窗体底端