考点 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。

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 [ ]

　　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。

　　答案：D

　　[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。

　　【答案】 略。

　　 　　[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）?

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二、非选择题（共52分）?

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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?