山石 海滩 沙漠

紫水晶 玛瑙 石英

专题 3 从矿物到基础材料

第三单元 含硅矿物和信息材料

（一）硅酸盐矿物、传统材料和信息材料的介绍（第一课时）。

（二）单质硅、二氧化硅的结构和性质及它们的用途（第二课时）。

根据所学知识回答：

（ 2 ）硅元素在自然界中的存在

（ 1 ）硅元素在地壳中含量仅次于氧，居第二位，约占地壳质量的四分之一。

(3) 主要形式是什么？

（ 2 ）硅在自然界中没有游离态，只有化合态。

（ 1 ）硅元素在地壳中的含量怎样？

一、硅 (silicon) 在自然界的存在

（ 3 ）硅元素化合态的主要存在形式是硅酸盐和二氧化硅，据资料知地壳质量的 92 ％是硅酸盐和二氧化硅。

二、硅酸盐（ silicate ）的结构：

问：

从硅酸盐的图片你感觉硅酸盐的性质和结构怎样？1. 硅酸盐性质稳定，在自然界中稳定存在。

2. 硅酸盐结构复杂，常用氧化物的形式表示比较方便。如：

硅酸钠 Na2SiO3 ：

钠长石 NaAlSi3O8 ：

白云母 KAl3Si3O10(OH)2:

Na2O·SiO2

Na2O·Al2O3·6SiO2

K2O · 3Al2O3 · 6SiO2 · 2H2O

练习：书写下列硅酸盐的氧化物形式：

1. 辉石 Mg2Si2O6

2. 红柱石 Al2SiO5

3 . 绿泥石 Al4Si4O10(OH)8

4 ．绿帘石 Ca2Al3Si3O12(OH)

2MgO·2SiO2

Al2O3 · SiO2

2Al2O3 · 4SiO2 · 4H2O

4CaO · 3Al2O3 · 6SiO2 · H2O

练习后总结书写规律：（ 1 ）元素的价态保持不变；

（ 2 ）各元素写成相应的氧化物，顺序按先金属后非金属 , 金属元素中按金属活动顺序表。

（ 3 ）改写后的式子要与原化学式的原子个数比保持不变。三、 硅酸钠（ sodium silicate ） (Na2SiO3) 的性质：1 、 Na2SiO3 是硅酸盐中少数几种溶于水中的一种，硅酸钠能溶于水；水溶液称水玻璃。是建筑行业的黏合剂，也用于木材的防腐和防火。

2 、 Na2SiO3 的主要性质：

离子方程式： SiO32- + CO2 + 2H2O == CO3

2- + H4

SiO4↓

Na2SiO3 + CO2 + 2H2O == Na2CO3 + H4SiO4↓ （原硅酸，白色胶状沉淀）

Na2SiO3 的性质：是无色晶体，易溶于水，水溶液呈碱性，熔点高，水溶液在空气中易变质，主要反应如下（学生探究性实验后总结）：

继续

( 或 H2SiO3

↓)

( 或 H2SiO3

↓)

（ 1 ）在 Na2SiO3 溶液中通 CO2 有白色胶状沉淀：

思考：上述反应的原理是什么？说明了什么？

原硅酸是白色胶状沉淀，弱酸，不稳定，易失水成硅酸：

H4SiO4 == H2SiO3 （硅酸） + H2O.

硅酸也难溶于水，白色沉淀，也是弱酸，在方程式中可代替原硅酸书写。

硅酸不稳定受热易分解：

H2SiO3 ＝ H2O + SiO2 （加热分解）返回

加热

Na2SiO3 + 2CO2 + 2H2O ＝ 2 NaHCO3 + H2SiO3↓

SiO3 2-+2CO2 +2H2O ＝ 2HCO3 - + H2SiO3↓

强酸制弱酸， H2CO3 的酸性强于 H4SiO

4 或 H2SiO3 。

思考探究：在 Na2SiO3 溶液中滴加稀盐酸有没有什么现象？实验后请写出实验现象、反应方程式和离子方程式。，

问：如果 CO2 通过量的话，反应方程式一样吗？还有没有沉淀？并写出其离子方程式。

(2) 在 Na2SiO3 溶液中滴加稀盐酸有白色沉淀：Na2SiO3 + 2HCl == 2NaCl + H2SiO3↓

离子方程式： SiO32- +2H+ == H2SiO3↓

问：在上面的沉淀中加入氢氧化钠沉淀会溶解吗？试一试看。沉淀会溶解。

反应式： H2SiO3 + 2NaOH == Na2SiO3 + 2H2O.

离子方程式： H2SiO3 ＋ 2OH- == SiO32- +2 H2O.

四、硅酸盐产品（传统材料）：

问：请你说说常见的硅酸盐产品有哪些？你能简要说说它们的生产吗？

下面我们来了解它们的应用、新发展。

继续

观看录像时请注意硅酸盐生产的原料和产品的主要成分。 然后我们来总结一下。

玻璃生产的主要反应：

SiO2 + Na2CO3 ＝＝ Na2SiO3 + CO2↑ ,

SiO2 + CaCO3 ＝＝ CaSiO3 + CO2↑ . 高温

高温

返回

在玻璃的利用中用于制造光导纤维是目前信息材料中用途最广的，与我们的学习、生产、生活密切相关。下面我们进一步了解光导纤维。五、信息材料－－光导纤维：阅读资料后总结：光导纤维的主要成分什么？主要用于哪些方面？ 光导纤维的主要成分是石英玻璃。主要用于：信息传递（光缆）、光的传递、医生的助手（窥探镜）、国防方面、工业生产中等等。

硅酸盐除了以上的用途外还有新的用途－－筛分子。

观看录像（光导纤维的生产、结构和作用）。然后让学生来演示光导纤维的传导作用。

六、分子筛 (molecular sieve) ： 阅读材料后总结分子筛的用途：利用硅酸盐内部结构的空隙，可用于分离、提纯气体或液体混合物；还可以作干燥剂、离子交换剂、催化剂、催化剂载体、净化水、净化空气、防毒器械、食品保鲜、电子产品处理、石油化工等方面。

本课总结：通过以上内容的学习、了解、思维、探索，我们已经认识到硅这古老而具有青春活力的元素，伴随着人类历史发展的脚步，从传统材料到信息材料，为社会的发展创造了一个又一个的奇迹。同时我们也相信随着科技的发展，它们会创造更多的奇迹。有关硅单质和二氧化硅的知识我们将在下节课一起讨论学习。

下面我们来做几道课堂练习。

课堂练习：

一、选择题：

1 ．下列说法错误的是： （ ）

A.在地壳中，硅元素大约占总质量的 1/4，居第二位；

B.硅元素在自然界中既有游离态又有化合态；

C.硅元素与氧元素形成的氧化物和硅酸盐是构成岩石的基础；

D.硅酸盐在自然界中能稳定存在。

B

2 ．水玻璃不具备的用途是 （ ）

A. 耐酸水泥掺料； B. 木材防腐剂；

C. 食品添加剂； D. 建筑材料黏合剂。3 ．下列工业生产，用石灰石作为原料的（ ）

①用海水为原料生产镁，②制硅酸盐水泥，③制普通玻璃，④冶炼生铁，⑤制漂白粉。

A.①②③④⑤ B.②③④⑤

C.①②③⑤ D.①②③④。

C

A

4． CO2 通入下列物质溶液中，在通入的过程中不会有沉淀产生的是 （ ）

A.CaCl2 溶液 B．石灰水

C ．饱和的 Na2CO3 溶液 D． Na2SiO3 溶液

5．高岭土的组成课表示为Al2Si2OX(OH)Y,其中X、 Y的数值分别是 ( )

A.7、 2 B.6、 3

C.5、 4 D.3 、 6

A

C

6. 将 43克石英和 60克石灰石在高温下反应，产生的气体在标况下的体积为 （ ） A.5.6L B.11.2L C.13.44L D.6.72L

7．钢化玻璃的重要用途之一是制造汽车的车窗，它是将普通玻璃加热变软后迅速冷却得到的，制造钢化玻璃的原料是 ( ) A． Na2CO3 、 CaCO3 、 SiO2 B．Na2CO3 、 CaCO3 、 SiO2 、硼酸盐

C ． K2CO3 、 CaCO3 、 SiO2 D． Na2SiO3 、 CaCO3 、 PbO

A

C

8．实验室中的 Na2SiO3 溶液长期放置，瓶底会出现白色沉淀，形成沉淀的离子方程式是

取瓶中的上层清液滴入稀盐酸，既有气泡又有沉淀生成，其离子方程式为 :

SiO32- + H2O + CO2 == H2SiO3↓+ CO3

2- ；

CO32- + 2H+ == H2O +CO2↑；

SiO32- + 2H+ == H2SiO3↓ 。

9 ．氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大，熔点高，化学性质稳定，工业上曾采用高纯硅与氮气在 1300℃反应得到。

（ 1 ）根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是 。

A.制汽轮机叶片 B.制有色玻璃 C.制永久性模具 D.制柴油机

（ 2 ）氮化硅的化学式 ；（ 3 ）氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式是

A 、 C 、D

Si3N4

Si3N4 + 12HF == 3SiF4 + 4NH3 .

10．矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中的可溶部分生成。此处所指的风化作用是指矿物与水和二氧化碳同时作用的过程，例如钾长石（ KAlSi3O8 ）风化生成高岭土（ Al2Si2O5(OH)4 ） ,此反应的离子方程式是 2KAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H20

== 2K+ + 2HCO3- + 4H4SiO4 +Al2Si2O5(OH)4,请问

此反应能发生的原因是什么？ 答：反应中碳酸的酸性相对强于硅酸的酸性，化学反应中相对强的酸可以制弱的酸，所以反应可以进行。

主要原料 产品主要成分

普通玻璃、（ glass ）

石英、纯碱、石灰石

普通水泥(cement) 、

陶瓷 (china)

返回

黏土、石灰石、少量石膏

2CaO·SiO2

、 3CaO·SiO

2 、 3CaO·Al

2O3黏土、石英沙

产品成分复杂主要是硅酸盐

n(Na2SiO3):n(CaSiO3):n(SiO2)=1:1:4

n(Na2O):n(CaO):n(SiO2)=1:1:6

继续

水泥的标号 根据水泥在空气中硬化后所具有的抗压强度，可将水泥标以不同的标号。例如： 1份水泥和 2.5份沙子混和制成的砂浆试样，在水中硬化 28天后，测得其抗压强度为 41.7MPa ，此水泥得标号为 425 。常见得水泥标号有 325 、 425 、 525 、 625 。水泥得标号越大，其抗压强度越大。

建筑用得水泥一般都是普通硅酸盐水泥，随着科技得不断发展，水泥家族增添了许多新成员。如能在极短时间内凝固得快速水泥，能防止射线得防辐射水泥，具有不同颜色得彩色水泥等。

返回

返回

白榴石 KAlSi2O6

白云母 KAl3Si3O10(OH)2

沸石 Na2(AlSi2O6)2 2H2O

绿柱石 Ba3Al2Si6O18 矽线石 Al2SiO5 硬玉 NaAl(Si2O6) 正长石 KAlSi3O8 返回

专题 3 从矿物到基础材料

第三单元 含硅矿物和信息材料

（一）硅酸盐矿物、传统材料和信息材料的介绍（第一课时）。

（二）单质硅、二氧化硅的结构和性质及它们的用途（第二课时）。

问：硅在自然界中无游离态，为什么？

讨论推测：是不是单质硅的性质很活泼？ 一、硅（ silicon）单质

阅读资料总结用在集成电路上的硅是利用了硅的什么性质？

利用硅的导电性介于导体和绝缘体之间的性质。

追问：你还能说出一些硅的性质吗？

下面我们先来了解硅的结构、样品图。

总结：硅的结构与我们学过的什么物质的结构相似？

2. 硅的物理性质：晶体硅是灰黑色有金属光泽，硬而脆的固体；导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，熔沸点高，硬度大，难溶于溶剂。

1 . 硅的结构：正四面体空间网状结构。与金刚石结构相似。 讨论推测 : 硅应具有哪些性质？

（ 1 ）常温只与单质氟、氢氟酸和强碱溶液反应。

Si +2F2 == SiF4 （气态） ,

Si + 4HF == SiF4 +2 H2,

Si +2NaOH + H2O == Na2SiO3 +2H2↑,

Si +2NaOH + 4H2O == Na2SiO3 +2H2↑+ 3H2

O.

4e-

3. 硅的化学性质：通常硅的化学性质稳定。

回忆：这个反应与我们前面学过的哪种金属的反应类似？ 金属铝

（ 2 ）加热高温能和氧气、氯气、氢气等反应：

Si + O2 ＝＝ SiO2 ,

Si + 2Cl2 ＝＝ SiCl4 （液态），

Si +2H2 ＝＝ SiH4 （气态）

高温

高温

高温

思考探索：硅的性质通常时稳定的，那么自然界中为什么无游离态？请同学们课后查阅有关资料分析、讨论解决。 友情提示：硅具有亲氧性，同时地壳的运动也有一定的作用。

问：通过对硅的结构和性质的学习，你有什么启发？

物质的结构决定性质。

（ 1 ）用于制造硅芯片、集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件；

（ 2 ）制造太阳能；

（ 3 ）制造合金，如含硅 4％（质量分数）的钢导磁性好制造变压器的铁芯；含硅 15%(质量分数 ) 的钢有良好的耐酸性等。 问：既然硅的作用非常重要，自然界中又没有单质硅，那么工业是怎样生产的呢？

4. 硅的用途：

5. 硅的工业生产：

制粗硅： SiO2 + 2C ＝＝ Si + 2CO ，

制纯硅： Si + 2Cl2 ＝＝ SiCl4(液态 ) ，

SiCl4 + 2H2 ＝＝ Si + 4HCl 。 高温

高温

高温

了解单质硅的有关性质，我们再来了解二氧化硅的性质。

二、二氧化硅 (silica) 的存在、 结构、 性质

2. SiO2 的结构：正四面体的空间网状结构。可以理解为在晶体硅的结构中两个硅原子中间插入一个氧原子。

1. SiO2 的存在：在自然界中有较纯的水晶，含有少量杂质的石英、玛瑙和普遍存在的沙子，还有无定形的硅藻土。自然界的二氧化硅又称硅石。

讨论推测： SiO2 的性质。

总结：

（ 1 ） SiO2 物理性质：硬度大，熔点高，难溶于水等溶剂的固体。

（ 2 ） SiO2 化学性质：常温下，性质稳定，只与单质氟、氢氟酸和强碱溶液反应。

SiO2 + 2F2 == SiF4 + O2 ,

SiO2 + 4HF == SiF4 + 2H2O

SiO2 + 2NaOH == Na2SiO3 + H2O

3. SiO2 的性质 :

问：这个反应在生活和生产中有什么实际作用？

雕刻玻璃

问：这个反应的原理在实验室中是怎样应用的？装碱液试剂瓶不能用玻璃塞。

加热高温：

SiO2 + 2C ＝＝ Si + 2CO

SiO2 + Na2CO3 ＝＝ Na2SiO3 + CO2↑

SiO2 + CaCO3 ＝＝ CaSiO3 + CO2↑

高温

高温

高温

4. SiO2 的用途： 制石英玻璃，是光导纤维的主要原料；制钟表部件；可制耐磨材料；用于玻璃的生产；在光学仪器、电子工业等方面广泛应用。

进一步证实物质的结构决定物质性质。

问：通过对二氧化硅的结构和性质的学习，你有什么收获？

问：这两个反应用在什么生产中？能否说二氧化硅参加反应生成二氧化碳，就表面硅酸酸性强于碳酸？

用在玻璃生产中；不能，强酸制弱酸是指在溶液中进行的复分解反应的规律。在干态下，遵循的是高沸点制低

沸点。

问题思考： 1.你有没有发现实验室中，盛装碱液的试剂瓶的塞子是什么塞？为什么不是玻璃塞？

答：是橡皮塞或软木塞。因为碱会和玻璃中的SiO2 反应生成具有黏性的矿物胶（ Na2SiO3 ） ,会将塞子和瓶口黏住。

再问：氟化氢气体用什么瓶收集？氢氟酸在实验室应如何储存？

答：氟化氢气体一般是用塑料瓶收集。氢氟酸只能用塑料瓶或铅制容器盛放。

2 ．请画出碳原子和硅原子的原子结构示意图，比较两原子结构有何共同点？碳单质金刚石和晶体硅的结构和性质有相似之处吗？那么， CO2 和 SiO2呢？据所学知识列表比较它们的性质；分析思考产生性质差别的根本原因是什么？

前进

提示： 产生性质差别的根本原因是 CO2 和SiO2 的结构不相同， CO2 气体存在单个 CO2 分子，而 SiO2 物质内部没有分子，只是 Si 原子和 O 原子相互结合而成，结构上的进一步了解将在后面学习。

提示：CO2 SiO2

物理性质

无色无味气体，能溶于水它的固体叫干冰。

难溶、难熔的固体，硬度大，熔沸点高

化学性质

是酸性氧化物：能与水、碱、碱性氧化物反应；与过氧化钠、碳酸钠溶液反应；有水时能溶解碳酸钙等；高温与碳反应等。

是酸性氧化物，但不溶于水，不与水反应，常温只与单质氟、氢氟酸和强碱溶液反应；高温可与氧化钙、纯碱、碳酸钙、碳单质反应。

联系 CO2 +2H2O +Na2SiO3 ==Na2CO3 + H4SiO4↓(酸性： H2CO3 强于 H4SiO4 或 H2SiO3)

返回

本课总结：这节课我们主要学习了硅单质和二氧化硅的结构和性质及用途，通过学习，我们了解到硅及其化合物在社会发展和人类文明进步历程中充当了一个非常重要的角色，可以说目前全球信息的流通、电子业的发展是离不开硅元素的；我们也相信随着科技的发展，它们还会为人类文明的进步发挥更多的作用，创造更多的奇迹。希望同学们努力学习，掌握更多的科学知识，开发、研究硅这古老而又年轻的元素在更多方面的应用。

下面我们来做几道练习。

课堂练习：

一、选择题：

1 ．下列关于硅和二氧化硅的性质叙述中正确的是 （ ）

A.常温下 O2 能氧化成 SiO2 ，

B． SiO2 是酸性氧化物，能与水反应生成硅酸，

C ．石英、水晶、海沙的主要成分都是 SiO2 ， D．硅通常很稳定，不溶于常见的溶液中。

C

2 ．工业制取 SiC 的化学方程式是 SiO2 + 3C == SiC + 2CO↑反应中氧化剂与还原剂的物质的量比是 （ ）

A. 1 ： 2 B. 2 ： 1

C. 1 ： 1 D. 3 ： 5

高温

3. 要除去 SiO2 中混有的少量杂质 CaCO3 ，最适宜的试剂是 ( )

A.水 B.盐酸

C.稀硫酸 D. 氢氧化钠溶液。

A

B

4.硅与铝一样能与氢氧化钠溶液反应放出氢气，现有一根粗铝，其中含 Si 与 Fe 杂质，取等质量的样品分别与足量的稀盐酸和足量的 NaOH溶液反应，放出等量的 H2 ，则该粗铝中 Fe 和 Si的关系是 （ ）

（ 1) 物质的量比 2 ： 1 ，（ 2 ）物质的量比 3 ：1 ，

（ 3 ）质量比 2 ： 1 ，（ 4）质量比 4： 1 。

A.（ 2 ）（ 4） B.(2)(3)

C.(1)(4) D.只有（ 4）。

C

5. 下列离子方程式不正确的是 ( )

A.石英和烧碱反应： SiO2 + 2OH- == SiO32- +

H2O

B.往烧碱溶液中通入少量的 CO2 ： CO2 + 2OH- == CO3

2- + H2O

C.小苏打溶液中加入过量的石灰水： 2HCO3- +

Ca2+ + 2OH- == CaCO3 + 2H2O + CO32-

D.往水玻璃中加入盐酸： 2H+ + SiO32- + H2O =

=H4SiO4↓

C

6. 下列试剂不能放在有玻璃塞的玻璃试剂瓶中的是 ( )

(1)NaHCO3 (2)NaCl (3)KNO3 (4) 石灰水 (5)CaSO4 (6)NaOH(7)Na2CO3(8)NaHSO4

A.①④⑥⑦ B.①③⑤⑧

C.②③⑤⑦ D.①④⑥⑧7．把 9.2gNa 和 4.2gSi同时投入适量水中，在标况下产生的 H2 的体积是 ( )

A.2.8L B.5.6L C.11.2L D.22.4L .

C

A

8.据 2001年 12月有消息报道，有科学家提出硅是“ 21世纪的能源”“未来的石油”的观点 。假如硅作为一种普通使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不妥当的是 （ ）

A.硅便于运输、储存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料；

B.硅的来源丰富，易开采，且可再生；

C.硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度底，容易有效控制；

D.寻找高效催化剂，使硅的生产耗能很低，是硅能源开发利用的关键技术 .

D

二、填空题：

9. 选适当试剂或方法除去下列物质中的杂质（括号内为杂质）。

（ 1 ） SiO2(CaCO3) ； (2)SiO2 (Si) ；

(3)NaCl (SiO2) ；

(4)SiO2 (H2SiO3) ；

(5)Fe2O3 (SiO2) ；

(6)Si (Fe) 。

稀盐酸 过滤

氧气 加热

水 过滤

加热

强氧化钠溶液 过滤

稀盐酸 过滤

10. 硅易与氧结合（更易与氟结合，哪些反应可以说明这一点？），自然界中的硅几乎都是与氧结合在一起，即自然界中没有游离态的硅，SiO2十分稳定， H2 不能夺走 SiO2 中的氧，但是Mg能，将Mg和 SiO2隔绝空气加热，可生成 Si ，若Mg过量，还会进一步反应，将反应后的物质冷却，并与水反应，放出能自然的气体，请你写出上述变化的化学方程式。

SiO2 + 2Mg == Si +2MgO, Si + 2Mg=== Mg2Si,

Mg2Si + 4H2O == 2Mg(OH)2 + SiH4 ,

SiH4 + 2O2 == SiO2 + 2H2O .

高温 高温

11.常温下 SiCl4 是一种液体，曾经应用于海战，喷洒到海面潮湿的空气中，能迅速形成烟雾，用于隐蔽自己，不被敌人发现。用简短的语言及化学方程式解释其原因。

答： SiCl4遇水蒸汽，与水蒸气反应，生成 SiO2固体和盐酸小液滴，因此产生烟雾现象。

SiCl4 + 2H2O == SiO2 + 4HCl .

12.把 SiO2 与 CaCO3 的混合物 26g高温加热到质量不再变化，冷却后残留固体质量为 17.2g。

(1) 写出发生的化学方程式；

(2)求生成的 CO2 在标况下的体积；

(3) 原混合物中 SiO2 的质量是多少？

(4)最后得到的物质一定是混合物吗？(1) 反应式： CaCO3 == CaO + CO2 ,SiO2 + CaO == CaSiO3 .或 SiO2 + CaCO3 == CaSiO3 + CO2 , 从若 CaCO3过量， CaCO3 == CaO + CO2 .（ 2 ） CO2 的质量是 8.8g，物质的量是 0.2mol, 体积为 4.48L；（ 3 ） SiO2 的质量为 6g ；（ 4）不一定，可能是 CaSiO3 与 CaO 的混合物，也可能是 CaSiO3 .

高温 高温高温

高温

二氧化硅结构返回

石英钟玛瑙饰品石英坩锅光导纤维

返回

玛 瑙

海滩

茫茫沙漠

石英

水晶 返回

硅单质 返回

硅芯片 硅太阳能

供应集成电路板 音乐集成电路板 返回

铁芯片