考點 22硅酸鹽工業(yè)  新型無機非金屬材料

1．復習重點

水泥工業(yè)和玻璃工業(yè)的基本原理；新型無機非金屬材料的特性及主要用途

2．難點聚焦

1．硅酸（H₂SiO₃）

酸性很弱（弱于碳酸）溶解度很小，由于SiO₂不溶于水，硅酸應用可溶性硅酸鹽和其他酸性比硅酸強的酸反應制得。

Na₂SiO₃＋2HCl == H₂SiO₃＋2NaCl

硅膠多孔疏松，可作干燥劑，催化劑的載體。

四．硅酸鹽

硅酸鹽是由硅、氧、金屬元素組成的化合物的總稱，分布廣，結構復雜化學性質穩(wěn)定。一般不溶于水。（Na₂SiO₃ 、K₂SiO₃除外）最典型的代表是硅酸鈉Na₂SiO₃ ：可溶，其水溶液稱作水玻璃和泡花堿，可作肥皂填料、木材防火劑和黏膠劑。 常用硅酸鹽產品：玻璃、陶瓷、水泥。

2．硅單質與碳相似，有晶體和無定形兩種。晶體硅結構類似于金剛石，有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高（1410℃），硬度大，較脆，常溫下化學性質不活潑。是良好的半導體，應用：半導體晶體管及芯片、光電池。

五．氯元素：位于第三周期第ⅦA族，原子結構：             容易得到一個電子形成氯離子Cl^－,為典型的非金屬元素，在自然界中以化合態(tài)存在。

 

3．例題精講

[例1] 熔融氫氧化鈉反應選用的器皿是 [ ]

　　A．陶瓷坩堝

　　B．石英坩堝

　　C．普通玻璃坩堝

　　D．生鐵坩堝

　　 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在高溫下可以跟NaOH發(fā)生如下反應：

SiO₂+2NaOHNa₂SiO₃

　　所以A、B、C的器皿都不能選用，只能內生鐵坩堝。

　　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．硅酸鈉溶液

　　B．氫氟酸

　　C．氫氧化鈉溶液

　　D．氯化鈉溶液

　　 分析：玻璃的主要成分之一二氧化硅，它能跟氫氟酸迅速反應，所以，氫氟酸不能盛放在玻璃、陶瓷容器中，只能保存在鉛皿或塑料瓶中。氫氧化鈉溶液與二氧化硅在常溫下反應十分緩慢，所以可以盛放在玻璃瓶中，但瓶的磨口處的二氧化硅跟氫氧化鈉緩慢反應后，生成的硅酸鈉是一種礦物膠，使瓶塞與瓶口粘在一起，因此不能用磨口玻璃塞。硅酸鈉溶液可以用玻璃瓶盛放，只是不能用磨口玻璃塞（原因同氫氧化鈉溶液）。氯化鈉溶液不跟玻璃中各種成分反應。

　　答案：AC

　　[例3] 普通玻璃的主要成分為Na₂SiO₃?CaSiO₃?4SiO₂

　　（1）試計算普通玻璃中相當含有Na₂O，CaO和SiO₂的質量分數各是多少？

　�。�2）制造50kg普通玻璃，需要純堿、碳酸鈣和二氧化硅各多少千克？

　　分析：Na₂SiO₃?CaSiO₃?4SiO₂可用二氧化硅和金屬氧化物的形式表示其組成為：Na₂O?CaO?6SiO₂。

　�。�1）Na₂O的摩爾質量為62g/mol，CaO的摩爾質量為56g/mol，SiO₂的摩爾質量為60g/mol。

　　

　　

　　

　　（2）由第（1）題求出普通玻璃中各氧化物的質量分數，可計算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

　　再求需純堿、碳酸鈣和二氧化硅的質量：

　　

　　m（SiO₂）：37.65kg

　　 答案：（1）普通玻璃中Na₂O的質量分數為13％，CaO的質量分數為11.7％，SiO₂質量分數為75.3％。

　�。�2）制造50kg普通玻璃，需要純堿11.11kg、碳酸鈣10.45kg、二氧化硅37.65kg。

　　 [例4] 有A、B、C三種不溶于水的固體。A是某元素的一種單質，它在氧氣中完全燃燒得到一種無色氣體，此氣體能使澄清石灰水變渾濁，另外測得這種氣體密度為同溫、同壓下氧氣密度的1.375倍。B固體能溶于熱氫氧化鈉溶液，再往所得溶液中加入過量鹽酸時，析出白色膠狀沉淀。此沉淀干燥后，成為不溶于水的白色粉末，這是一種比碳酸酸性還弱的酸。將B與石灰石、純堿按比例混合加熱得到C，C在高溫時軟化，無固定熔點。

　　根據以上事實，判斷A為哪種元素的單質？B、C各是什么物質？寫出有關反應的化學方程式。

　　分析：先求出A燃燒后生成的氣體的相對分子質量，根據該氣體的相對分子質量及其反應現象可推出單質A；再根據B的有關反應現象可推出B；最后根據制取C的方法及C的性質可推出C。

　　A物質燃燒后生成的氣體的相對分子質量為：

32×1.375=44

　　該氣體能使澄清石灰水變渾濁，所以該氣體為二氧化碳，A為碳元素的一種單質。

　　根據B物質能與氫氧化鈉反應，且能繼續(xù)與過量的鹽酸反應生成一種比碳酸還弱的酸，可推出B物質為二氧化硅。

　　C物質由石灰石、純堿、B物質（二氧化硅）混合加熱而得，結合C物質在高溫時軟化且無固定熔點，可推知C物質為普通玻璃。

　　答案：A為碳元素的一種單質。

C+O₂CO₂

　　B為SiO₂

　　SiO₂+2NaOH==Na₂SiO₃+H₂O

　　Na₂SiO₃+2HCl=2NaCl+H₂SiO₃↓

　　C為普通玻璃

　　Na₂CO₃+SiO₂==Na₂SiO₃+CO₂↑

　　CaCO₃+SiO₂==CaSiO₃+CO₂↑

　　 [例5] 某硅酸鋅樣品含58.6％的鋅，而ZnO％與SiO₂％的質量分數的總和為100％，寫出這樣品的化學式（最簡式）。

　　分析：題目要求寫出這樣品的化學式（最簡式），即是要求通過計算找出ZnO與SiO₂的物質的量之比值，然后用SiO₂和ZnO的形式表示此硅酸鋅樣品的組成。

　　可先由Zn％求算出ZnO％，并求出SiO₂％。然后再運用求最簡式最基本的方法求出此硅酸鋅的組成。

　　

　　SiO₂％=1-73.0％=27.0％

　　

　　該硅酸鋅樣品的化學式為：2ZnO?SiO₂。

　　 [例6] 兩個原硅酸分子的OH原子團之間可以相互作用而脫去一分子水：

2H₄SiO₄===H₆Si₂O₇＋H₂O

　　原硅酸結構為：

　　則在所得的H₆Si₂O₇分子的結構中，含有的硅氧鍵數目為 [ ]

　　A．5

　　B．6

　　C．7

　　D．8

　　 分析：此題是一道選擇題，也是一道信息遷移題。給出的新情境是原硅酸結構及脫水反應，考查內容是H₆Si₂O₇分子中的硅氧鍵數目。兩個原硅酸共有8個硅氧鍵，當它們相互作用時，雖然有一個硅氧鍵斷裂，但又形成一個新的硅氧鍵，如圖所示：

　　故硅氧鍵的總數目沒有變，仍然是8個。

　　答案：D

　　[例7] 下列離子方程式書寫不正確的是 [ ]

　　A．往NaOH溶液中通入過量CO₂

　　B．單質硅與燒堿溶液反應

　　C．石英砂與燒堿反應制水玻璃

　　D．往水玻璃中通入二氧化碳

　　 分析：往NaOH溶液中通入適量CO₂生成正鹽Na₂CO₃，正鹽能與酸反應變?yōu)樗崾禁}，所以當CO₂過量時即溶液中H₂CO₃過量時，生成物為NaHCO₃，故A式正確。

　　單質硅能和燒堿溶液反應生成硅酸鈉和氫氣，NaOH是易溶于水的強堿，Na₂SiO₃。是易溶于水的鹽，均完全電離，故Na⁺可以簡化掉，B式正確。

　　石英的成分是二氧化硅與燒堿液發(fā)生復分解反應生成硅酸鈉和水。故C式正確。

　　碳酸比硅酸酸性強，所以往水玻璃即硅酸鈉的水溶液中通入二氧化碳可以制硅酸。反應物中的Na₂SiO₃和生成物中的Na₂CO₃均為易溶于水的鹽，能完成電離寫成離子式，并且Na⁺可以簡化掉，故D式不正確。

　　

　　 答案：D

　　[例8] 有一鉛錫合金質量為100g，完全氧化后得到氧化物的混合物質量為116g，求合金中鉛、錫的質量分數各為多少？

　　解法一：

　　分析：設100g鉛錫合金中含錫xg，則含鉛（100-x）g。①Sn氧化后的穩(wěn)定產物是SnO₂（＋4價氧化物穩(wěn)定），Sn的相對原子質量為

　　

　　Pb氧化后的穩(wěn)定產物是PbO（＋2價氧化物穩(wěn)定）， Pb的相對原子質量為207，PbO的式量為223，（100-x）g Pb氧化生成的PbO質量必

　　

　　因為SnO₂與PbO質量共為116g，故可列一元一次方程，解方程求出Sn、Pb質量。

　　[解] 設100g錫鉛合金中含錫xg，含鉛為（100-x）g。

　　根據化學式所表示的元素質量分數及題意，列代數方程式：

　　

　　解得x=43.2（g）

　　100-x=100-43.2=56.8（g）

　　

　　答：合金中錫、鉛質量分數分別為43.2％、56.8％

　　解法二：

　　分析：此題利用物質的量計算也很方便。設100g合金中含xg，含鉛為（100-x）g

　　

　　

　　將SnO₂與PbO由物質的量換算成質量，質量和為116g。

　　解：設100g錫鉛合金中含錫為xg，含鉛為（100-x）g

　　Sn的物質的量=SnO₂的物質的量

　　

　　Pb的物質的量=PbO的物質的量

　　

　　SnO₂與PbO質量和為116g

　　

　　解得 x=43.2（g）

　�。ㄥa的質量）

　　100-x=56.8（g）

　　（鉛的質量）

　　

　　Pb％=1-43.2％=56.8％

　　答：合金中鉛、錫分別占56.8％、43.2％

　　 [例9] 稱取兩份由碳酸鈉、碳酸氫鈉和碳酸氫銨組成的混合物7.06g。其中：一份加入過量的鹽酸，可得CO₂為1792mL（在標準狀況下），另一份加熱至質量不再減少時為止。冷卻后再跟過量鹽酸反應，可得CO₂為896mL（在標準狀況下）。求原混合物中，碳酸鈉、碳酸氫鈉和碳酸氫銨的物質的量之比。

　　分析：此題是根據化學方程式，計算混合物成分物質的量之比的題。解題關鍵在于正確判斷反應物與生成物、反應物的量與生成物的量之間的關系。

　　第一份7.06g混合物，各成分都跟過量的鹽酸充分反應，均生成CO₂。CO₂體積之和為1792mL；第二份7.06g混合物加熱后，除碳酸氫鈉轉化為碳酸鈉外，碳酸氫銨則因全部轉變?yōu)闅鈶B(tài)物質而不存在固體物質了�；旌衔镏性�有碳酸鈉及生成的碳酸鈉共同跟過量鹽酸反應，生成896mLCO₂。

　　解 全過程發(fā)生反應的化學方程式為：

　　Na₂CO₃＋2HCl==2NaCl＋H₂O＋CO₂↑

（1）

　　NaHCO₃＋HCl==NaCl＋H₂O＋CO₂↑

（2）

　　NH₄HCO₃＋HCl==NH₄Cl＋H₂O＋CO₂↑

（3）

　　

（4）

　　

（5）

　　　設7.06g該混合物中含Na₂CO₃、NaHCO₃、NH₄HCO₃分別為x、y、zmol

　　從化學方程式（1）（2）（3）可知，第一份7.06g混合物與過量鹽酸反應，共生成CO₂為（x＋y＋z）mol

　　

　　從化學方程式（4）、（5）可知，第二份7.06g混合物加熱，其中

　　

　　

　　

 

 

 

 

 

x∶y∶z=0.02∶0.04∶0.02=1∶2∶1

　　答：Na₂CO₃、NaHCO₃、NH₄HCO₃的物質的量之比為1∶2∶1。

　新型無機非金屬材料

　　[例10] 新型無機非金屬材料跟傳統(tǒng)硅酸鹽材料相比，有什么特性？

　　【分析】 （1）能承受高溫，強度高。如氮化硅陶瓷在1200℃時仍具有高強度。

　�。�2）具有電學特性。有的可作絕緣體，有的可作半導體、導體、超導體。

　�。�3）具有光學特性。有的能發(fā)出各色光，有的能透過可見光，有的能使紅外線、雷達射線穿過。

　�。�4）具有生物功能。有些對人體組織有較好的適應性，且硬度高、無毒、不溶于水，可直接植于人體內。

　　【答案】 略。

　　 　　[例11] 請比較紅寶石和藍寶石成分的異同。人造紅寶石和人造藍寶石各有何用途？

　　【解答】 兩者的主要成分都是Al₂O₃（剛玉）。剛玉中混有少量鉻時，呈現紅色，就形成紅寶石；剛玉中混有少量鈦時，呈現藍色，就形成藍寶石。

　　人造紅寶石硬度高，可制鐘表的軸承，它能放大某一波長的光而產生激光，可作固體激光器。人造藍寶石因能使紫外線和可見光通過，可用于制造光學儀器。

　　 　　[例12] 下列說法正確的是 [ ]

　　A．二氧化硅溶于水顯酸性

　　B．光導纖維傳導光的能力非常強，利用光纜通訊，能同時傳送大量信息

　　C．因為高溫時二氧化硅與碳酸鈉反應放出CO₂，所以硅酸的酸性比碳酸強

　　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，不溶于強酸，但溶于氫氟酸。因為它能與堿反應生成鹽和水，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高溫下反應生成CO₂，它可說明不揮發(fā)的SiO₂可把氣體CO₂制出，但不能說明碳酸和硅酸的相對強弱。

　　答案：B

 

 

4．實戰(zhàn)演練

一、選擇題（每小題6分，共48分）?

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二、非選擇題（共52分）?

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一、1.D  2.AB  3.C

4.解析：同溫下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?