高中化学58个精讲22硅酸盐工业

高中化学58个精讲22硅酸盐工业

高中化学58个考点精讲 ‎22、硅酸盐工业 新型无机非金属材料 ‎1．复习重点 ‎ 水泥工业和玻璃工业的基本原理；新型无机非金属材料的特性及主要用途 ‎2．难点聚焦 ‎1．硅酸（H2SiO3）‎ 酸性很弱（弱于碳酸）溶解度很小，由于SiO2不溶于水，硅酸应用可溶性硅酸盐和其他酸性比硅酸强的酸反应制得。‎ Na2SiO3＋2HCl == H2SiO3＋2NaCl 硅胶多孔疏松，可作干燥剂，催化剂的载体。‎ 四．硅酸盐 硅酸盐是由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称，分布广，结构复杂化学性质稳定。一般不溶于水。（Na2SiO3 、K2SiO3除外）最典型的代表是硅酸钠Na2SiO3 ：可溶，其水溶液称作水玻璃和泡花碱，可作肥皂填料、木材防火剂和黏胶剂。 常用硅酸盐产品：玻璃、陶瓷、水泥。‎ ‎+17‎ ‎2‎ ‎8‎ ‎7‎ ‎2．硅单质与碳相似，有晶体和无定形两种。晶体硅结构类似于金刚石，有金属光泽的灰黑色固体，熔点高（‎1410℃‎），硬度大，较脆，常温下化学性质不活泼。是良好的半导体，应用：半导体晶体管及芯片、光电池。‎ 五．氯元素：位于第三周期第ⅦA族，原子结构： 容易得到一个电子形成氯离子Cl－,为典型的非金属元素，在自然界中以化合态存在。‎ ‎3．例题精讲 ‎[例1] 熔融氢氧化钠反应选用的器皿是 [ ] 　答案：D A．陶瓷坩埚 　B．石英坩埚 C．普通玻璃坩埚 D．生铁坩埚 ‎　　 分析：陶瓷的成分中含有SiO2，石英的成分就是SiO2，玻璃的主要成分中也含有SiO2，而SiO2在高温下可以跟NaOH发生如下反应：SiO2+2NaOHNa2SiO3 所以A、B、C的器皿都不能选用，只能内生铁坩埚。　‎ ‎[例2] 下列溶液中可以盛放在玻璃瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是 [ ]。‎ A．硅酸钠溶液 　B．氢氟酸 　C．氢氧化钠溶液 D．氯化钠溶液 ‎　　 分析：玻璃的主要成分之一二氧化硅，它能跟氢氟酸迅速反应，所以，氢氟酸不能盛放在玻璃、陶瓷容器中，只能保存在铅皿或塑料瓶中。氢氧化钠溶液与二氧化硅在常温下反应十分缓慢，所以可以盛放在玻璃瓶中，但瓶的磨口处的二氧化硅跟氢氧化钠缓慢反应后，生成的硅酸钠是一种矿物胶，使瓶塞与瓶口粘在一起，因此不能用磨口玻璃塞。硅酸钠溶液可以用玻璃瓶盛放，只是不能用磨口玻璃塞（原因同氢氧化钠溶液）。氯化钠溶液不跟玻璃中各种成分反应。 　　答案：AC ‎　　[例3] 普通玻璃的主要成分为Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2‎ ‎　　（1）试计算普通玻璃中相当含有Na2O，CaO和SiO2的质量分数各是多少？‎ ‎　　（2）制造50kg普通玻璃，需要纯碱、碳酸钙和二氧化硅各多少千克？‎ ‎　　分析：Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2可用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成为：Na2O·CaO·6SiO2。‎ ‎　　（1）Na2O的摩尔质量为62g/mol，CaO的摩尔质量为56g/mol，SiO2的摩尔质量为60g/mol。‎ ‎　　　　‎ ‎　　‎ ‎　（2）由第（1）题求出普通玻璃中各氧化物的质量分数，可计算50kg普通玻璃中Na2O、CaO和SiO2的含量：‎ ‎　　m（Na2O）：50kg×13％=6.5kg 　　m（CaO）：50kg×11.7％=5.85kg ‎　　m（SiO2）：50kg×75.3％=37.65kg 　　再求需纯碱、碳酸钙和二氧化硅的质量：‎ ‎　　‎ ‎　　m（SiO2）：37.65kg ‎　　 答案：（1）普通玻璃中Na2O的质量分数为13％，CaO的质量分数为11.7％，SiO2质量分数为75.3％。‎ ‎　　（2）制造50kg普通玻璃，需要纯碱11.11kg、碳酸钙10.45kg、二氧化硅37.65kg。‎ ‎　　 [例4] 有A、B、C三种不溶于水的固体。A是某元素的一种单质，它在氧气中完全燃烧得到一种无色气体，此气体能使澄清石灰水变浑浊，另外测得这种气体密度为同温、同压下氧气密度的1.375倍。B固体能溶于热氢氧化钠溶液，再往所得溶液中加入过量盐酸时，析出白色胶状沉淀。此沉淀干燥后，成为不溶于水的白色粉末，这是一种比碳酸酸性还弱的酸。将B与石灰石、纯碱按比例混合加热得到C，C在高温时软化，无固定熔点。‎ ‎　　根据以上事实，判断A为哪种元素的单质？B、C各是什么物质？写出有关反应的化学方程式。‎ ‎　　分析：先求出A燃烧后生成的气体的相对分子质量，根据该气体的相对分子质量及其反应现象可推出单质A；再根据B的有关反应现象可推出B；最后根据制取C的方法及C的性质可推出C。‎ ‎　　A物质燃烧后生成的气体的相对分子质量为：32×1.375=44‎ ‎　　该气体能使澄清石灰水变浑浊，所以该气体为二氧化碳，A为碳元素的一种单质。‎ ‎　　根据B物质能与氢氧化钠反应，且能继续与过量的盐酸反应生成一种比碳酸还弱的酸，可推出B物质为二氧化硅。‎ ‎　　C物质由石灰石、纯碱、B物质（二氧化硅）混合加热而得，结合C物质在高温时软化且无固定熔点，可推知C物质为普通玻璃。‎ 答案：A为碳元素的一种单质。C+O2CO2 　‎ B为SiO2 SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O 　　Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓‎ ‎　　C为普通玻璃 　　Na2CO3+SiO2==Na2SiO3+CO2↑　　CaCO3+SiO2==CaSiO3+CO2↑‎ ‎ [例5] 某硅酸锌样品含58.6％的锌，而ZnO％与SiO2％的质量分数的总和为100％，写出这样品的化学式（最简式）。‎ ‎　　分析：题目要求写出这样品的化学式（最简式），即是要求通过计算找出ZnO与SiO2的物质的量之比值，然后用SiO2和ZnO的形式表示此硅酸锌样品的组成。‎ ‎　　可先由Zn％求算出ZnO％，并求出SiO2％。然后再运用求最简式最基本的方法求出此硅酸锌的组成。‎ ‎　　 　　SiO2％=1-73.0％=27.0％‎ ‎　　‎ ‎　　该硅酸锌样品的化学式为：2ZnO·SiO2。‎ ‎　　 [例6] 两个原硅酸分子的OH原子团之间可以相互作用而脱去一分子水：2H4SiO4===H6Si2O7＋H2O ‎　　原硅酸结构为：‎ 则在所得的H6Si2O7分子的结构中，含有的硅氧键数目为 [ ] ‎ A．5 B．‎6 ‎ 　C．7 D．8‎ ‎　　 分析：此题是一道选择题，也是一道信息迁移题。给出的新情境是原硅酸结构及脱水反应，考查内容是H6Si2O7分子中的硅氧键数目。两个原硅酸共有8个硅氧键，当它们相互作用时，虽然有一个硅氧键断裂，但又形成一个新的硅氧键，如图所示：‎ ‎　　故硅氧键的总数目没有变，仍然是8个。 　　答案：D ‎　　[例7] 下列离子方程式书写不正确的是 [ ]‎ ‎　　A．往NaOH溶液中通入过量CO2 ‎ ‎　　B．单质硅与烧碱溶液反应 ‎ ‎　　C．石英砂与烧碱反应制水玻璃 ‎ ‎　　D．往水玻璃中通入二氧化碳 ‎ ‎　　 分析：往NaOH溶液中通入适量CO2生成正盐Na2CO3，正盐能与酸反应变为酸式盐，所以当CO2过量时即溶液中H2CO3过量时，生成物为NaHCO3，故A式正确。‎ ‎　　单质硅能和烧碱溶液反应生成硅酸钠和氢气，NaOH是易溶于水的强碱，Na2SiO3。是易溶于水的盐，均完全电离，故Na+可以简化掉，B式正确。‎ ‎　　石英的成分是二氧化硅与烧碱液发生复分解反应生成硅酸钠和水。故C式正确。‎ ‎　　碳酸比硅酸酸性强，所以往水玻璃即硅酸钠的水溶液中通入二氧化碳可以制硅酸。反应物中的Na2SiO3和生成物中的Na2CO3均为易溶于水的盐，能完成电离写成离子式，并且Na+可以简化掉，故D式不正确。‎ ‎　　 　　 答案：D ‎　　[例8] 有一铅锡合金质量为100g，完全氧化后得到氧化物的混合物质量为116g，求合金中铅、锡的质量分数各为多少？‎ ‎　　解法一：‎ ‎　　分析：设100g铅锡合金中含锡xg，则含铅（100-x）g。①Sn氧化后的稳定产物是SnO2（＋4价氧化物稳定），Sn的相对原子质量为 ‎　　‎ ‎　　Pb氧化后的稳定产物是PbO（＋2价氧化物稳定）， Pb的相对原子质量为207，PbO的式量为223，（100-x）g Pb氧化生成的PbO质量必 ‎　　因为SnO2与PbO质量共为116g，故可列一元一次方程，解方程求出Sn、Pb质量。‎ ‎　　[解] 设100g锡铅合金中含锡xg，含铅为（100-x）g。‎ ‎　　根据化学式所表示的元素质量分数及题意，列代数方程式： ‎ ‎　　解得x=43.2（g）‎ ‎　　100-x=100-43.2=56.8（g）‎ ‎　　‎ ‎　　答：合金中锡、铅质量分数分别为43.2％、56.8％‎ ‎　　解法二：‎ ‎　　分析：此题利用物质的量计算也很方便。设100g合金中含xg，含铅为（100-x）g ‎　　‎ ‎　　‎ ‎　　将SnO2与PbO由物质的量换算成质量，质量和为116g。‎ ‎　　解：设100g锡铅合金中含锡为xg，含铅为（100-x）g 　　Sn的物质的量=SnO2的物质的量 ‎　　 　　Pb的物质的量=PbO的物质的量 ‎　　‎ ‎　　SnO2与PbO质量和为116g ‎　　‎ ‎　　解得 x=43.2（g）‎ ‎　　（锡的质量）‎ ‎　　100-x=56.8（g）‎ ‎　　（铅的质量）‎ ‎　　‎ ‎　　Pb％=1-43.2％=56.8％‎ ‎　　答：合金中铅、锡分别占56.8％、43.2％‎ ‎　　 [例9] 称取两份由碳酸钠、碳酸氢钠和碳酸氢铵组成的混合物7.06g。其中：一份加入过量的盐酸，可得CO2为1792mL（在标准状况下），另一份加热至质量不再减少时为止。冷却后再跟过量盐酸反应，可得CO2为896mL（在标准状况下）。求原混合物中，碳酸钠、碳酸氢钠和碳酸氢铵的物质的量之比。‎ ‎　　分析：此题是根据化学方程式，计算混合物成分物质的量之比的题。解题关键在于正确判断反应物与生成物、反应物的量与生成物的量之间的关系。‎ ‎　　第一份7.06g混合物，各成分都跟过量的盐酸充分反应，均生成CO2。CO2体积之和为1792mL；第二份7.06g混合物加热后，除碳酸氢钠转化为碳酸钠外，碳酸氢铵则因全部转变为气态物质而不存在固体物质了。混合物中原有碳酸钠及生成的碳酸钠共同跟过量盐酸反应，生成896mLCO2。‎ ‎　　解 全过程发生反应的化学方程式为：‎ ‎　　Na2CO3＋2HCl==2NaCl＋H2O＋CO2↑‎ ‎（1）‎ ‎　　NaHCO3＋HCl==NaCl＋H2O＋CO2↑‎ ‎（2）‎ ‎　　NH4HCO3＋HCl==NH4Cl＋H2O＋CO2↑‎ ‎（3）‎ ‎　　‎ ‎（4）‎ ‎　　‎ ‎（5）‎ ‎　　　设7.06g该混合物中含Na2CO3、NaHCO3、NH4HCO3分别为x、y、zmol 从化学方程式（1）（2）（3）可知，第一份7.06g混合物与过量盐酸反应，‎ 共生成CO2为（x＋y＋z）mol 　　‎ ‎　　从化学方程式（4）、（5）可知，第二份7.06g混合物加热，其中 ‎　　‎ ‎　　‎ x∶y∶z=0.02∶0.04∶0.02=1∶2∶1　　答：Na2CO3、NaHCO3、NH4HCO3的物质的量之比为1∶2∶1。‎ ‎　新型无机非金属材料 ‎　　[例10] 新型无机非金属材料跟传统硅酸盐材料相比，有什么特性？‎ ‎　【分析】 （1）能承受高温，强度高。如氮化硅陶瓷在1200℃时仍具有高强度。‎ ‎　（2）具有电学特性。有的可作绝缘体，有的可作半导体、导体、超导体。‎ ‎　（3）具有光学特性。有的能发出各色光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。‎ ‎　（4）具有生物功能。有些对人体组织有较好的适应性，且硬度高、无毒、不溶于水，可直接植于人体内。‎ ‎　[例11] 请比较红宝石和蓝宝石成分的异同。人造红宝石和人造蓝宝石各有何用途？‎ ‎　　【解答】 两者的主要成分都是Al2O3（刚玉）。刚玉中混有少量铬时，呈现红色，就形成红宝石；刚玉中混有少量钛时，呈现蓝色，就形成蓝宝石。‎ ‎　　人造红宝石硬度高，可制钟表的轴承，它能放大某一波长的光而产生激光，可作固体激光器。人造蓝宝石因能使紫外线和可见光通过，可用于制造光学仪器。‎ ‎[例12] 下列说法正确的是 [ ]‎ ‎　　A．二氧化硅溶于水显酸性 　B．光导纤维传导光的能力非常强，利用光缆通讯，能同时传送大量信息 ‎　　C．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出CO2，所以硅酸的酸性比碳酸强 ‎　　D．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸。‎ ‎　　分析 二氧化硅不溶于水，不溶于强酸，但溶于氢氟酸。因为它能与碱反应生成盐和水，所以它是酸性氧化物。硅酸酸性比碳酸弱，它反映在CO2通入Na2SiO3溶液可生成硅酸。而SiO2能和Na2CO3高温下反应生成CO2，它可说明不挥发的SiO2可把气体CO2制出，但不能说明碳酸和硅酸的相对强弱。　　答案：B ‎4．实战演练 一、选择题（每小题6分，共48分） ‎1.以下说法正确的是 A.纳米材料是指一种称为“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.实验室存放下列各试剂的瓶塞必须用橡皮塞的是 A.澄清石灰水 B.硅酸钠溶液 C.新制氯水 D.氯化钙溶液 ‎3.2MgO·SｉO2中的酸根离子是 A.SiO B.Si2O C.SｉO D.SiO ‎4.将过量的CO2通入下列溶液中，最终出现浑浊的是 A.CaCl2溶液 B.石灰水 C.饱和Na2CO3溶液 D.水玻璃 ‎5.下列各组物质的比较中，正确的是 A.熔点：晶体硅＞碳化硅＞金刚石B.金属活动性：锗＞锡 C.稳定性：CH4＞SｉH4 D.酸性：H2SｉO3＞H2CO3‎ ‎6.欲除去SiO2中混有的少量CaCO3和Fe2O3，最好应加入的试剂是 A.硫酸 B.烧碱 C.氢氟酸 D.盐酸 ‎7.现有下列五个转化，其中不可能通过一步反应实现的是 ‎①SiO2Na2SｉO3②CuSO‎4CｕCl2③SiO2H2SｉO3 ‎④CｕOCｕ（OH）2⑤Ca3（ＰO4）2Ca（H2ＰO4）2 A.①和② B.③和④C.②③和④ D.②③④和⑤‎ ‎8.下列叙述中，不正确的是 A.光导纤维广泛应用于现代通讯，制造光导纤维的主要原料是SiO2 B.二氧化碳不宜用于扑灭金属钠燃烧引起的火灾 C.一定条件下，可将石墨转化为金刚石，这一变化是物理变化 D.氢气作为新型燃料，其突出的优点是氢气轻，便于携带 二、非选择题（共52分） ‎9.(12分)将‎5 g含有SiO2的石灰石与267 mL 0.5 mol·L－1的盐酸反应，所得CO2在标准状况下的体积为1064 mL。‎ ‎(1)中和剩余的盐酸，需1 mol·L－1 NaOH溶液 mL。‎ ‎(2)煅烧1吨这种不纯的碳酸钙，最后残留物质量为 吨。‎ ‎10.(10分)氮化硅是一种耐高温陶瓷材料，它的硬度大，熔点高，化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在‎1300℃‎反应获得。 ‎(1)氮化硅晶体属于 晶体。‎ ‎(2)已知氮化硅晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子和Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式 。‎ ‎(3)现用四氯化硅和氮气在氢气保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为： 。‎ ‎11.（10分）普通玻璃的成分Na2CaSi6O14，以氧化物形式可表示为 ，钾云母的化学式是K2H4Al6Si6O24，以氧化物形式可表示为 。‎ ‎12.(10分)由Fe、Si、Al组成的混合物‎9.7 g，与足量的稀硫酸反应，在标准状况下可生成‎5.6 L氢气。若将等质量的该混合物与足量氢氧化钠溶液反应，在标准状况下也可产生同样多的氢气。问在上述‎9.7 g混合物中含Fe、Si、Al各多少克?‎ ‎13.（10分）由SiO2和CaCO3组成的混合物‎26.0 g，经灼烧至质量恒定时，其质量减少‎8.8 g,试解答： ‎（1）写出可能发生反应的化学方程式； ‎（2）求产生的气体在标准状况下的体积； ‎（3）求原混合物中SiO2的质量。‎ 附参考答案 一、1.D 2.AB 3.C 4.解析：同温下NaHCO3比Na2CO3的溶解度要小。答案：CD ‎5.C 6.D ‎7.解析：SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O CuSO4+BaCl2===BaSO4↓+CuCl2 ‎ Ca3(PO4)2+4H3PO4===3Cu(H2PO4)2。 答案：B ‎8.CD 二、9.（1）38.5 (2)0.582 ‎10.(1)原子 （2）Si3N4 (3)3SiCl4+6H2+2N2Si3N4+12HCl ‎11.Na2O·CaO·6SiO2 K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O ‎12.Fe:‎5.6 g Si:‎1.4 g Al:‎2.7 g ‎13.（1）SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑，CaCO3CaO+CO2↑（2）‎4.48 L（3）‎6 g