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2019-2020年高一化學(xué)元素與材料世界 無機(jī)非金屬材料 一. 教學(xué)內(nèi)容： 第4章 第1節(jié) 硅 無機(jī)非金屬材料 二. 教學(xué)目的 1、掌握硅及二氧化硅的重要性質(zhì)，了解其應(yīng)用。 2、體會物質(zhì)的性質(zhì)與材料性能的密切關(guān)系。 3、認(rèn)識新材料的開發(fā)對人類生產(chǎn)、生活的重要影響。 三. 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 硅及二氧化硅的性質(zhì) 四. 知識分析 （一）導(dǎo)體材料與單質(zhì)硅 1、半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料特指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料。最早使用的半導(dǎo)體材料是鍺，但因其含量低，提煉工藝復(fù)雜，價格昂貴，而不適合廣泛使用。目前廣泛使用的半導(dǎo)體材料是硅元素，在地殼中含量居第二位，該元素全部以化合態(tài)存在于自然界中，儲量豐富。常見的有晶體硅和無定形硅等形式存在。 2、單質(zhì)硅 （1）物理性質(zhì)：單質(zhì)硅有晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅呈灰黑色，有金屬光澤，硬而脆，熔點(diǎn)很高（1410℃），是良好的半導(dǎo)體材料。 （2）化學(xué)性質(zhì): 常溫下不活潑，只與F2 及HF 和強(qiáng)堿反應(yīng)。在加熱時純硅與某些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 Si + 2F2 ＝SiF4 Si + 4HF ＝ SiF4 ↑+ 2H2 ↑ Si+ 2NaOH + H2O ＝ Na2SiO3 +2 H2 ↑ Si+ O2 SiO2 Si + 2Cl2 SiCl4 （3）硅的制備 由于自然界中沒有單質(zhì)硅的存在，因此我們使用的硅，都是從它的化合物中提取的。在工業(yè)上，用碳在高溫下還原二氧化硅的方法可制得含有少量雜質(zhì)的粗硅，將粗硅提純后，可以得到半導(dǎo)體材料的高純硅。 制粗硅： SiO2 + 2C Si + 2CO ↑ 制高純硅： Si + 2Cl2 SiCl4 SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl （4）硅的用途： 硅可用來制造集成電路，太陽能電池，硅整流器等。硅合金可用來制造變壓器鐵芯，耐酸設(shè)備等。 思考：判斷下列說法是否正確： ① 非金屬單質(zhì)不能與堿液反應(yīng)放出氫氣 ② 非氧化性酸不能與非金屬單質(zhì)反應(yīng) ③ 自然界中含大量的硅單質(zhì)，其含量僅次于氧 （解答：① × ② × ③ × ） （二）二氧化硅與光導(dǎo)纖維 1、二氧化硅的存在 二氧化硅廣泛存在與自然界中，常見的有沙子石英和水晶，另外二氧化硅也是構(gòu)成巖石的重要成分。 2、二氧化硅的物理性質(zhì) 純凈的二氧化硅晶體呈無色，熔點(diǎn)高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶劑。 3、二氧化硅的化學(xué)性質(zhì) 二氧化硅化學(xué)性質(zhì)不活潑。是一種酸性氧化物。常溫下與氫氟酸反應(yīng)，與堿溶液緩慢反應(yīng)，高溫下與堿性氧化物反應(yīng)。 Si O2+ 4HF ＝ SiF4 ↑+ 2H2O SiO2+ 2NaOH ＝ Na2SiO3 + H2 O Si O2 + CaO CaSiO3 注意： ①氫氟酸不能保存在玻璃瓶中，應(yīng)保存在塑料瓶中。 ②NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，應(yīng)保存在橡膠塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。 4、二氧化硅的用途 （1）石英可用于制作石英表和石英玻璃。 （2）石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。 （3）水晶常用來制造電子部件、光學(xué)儀器和工藝品等。 （4）SiO2 被用于制造高性能的現(xiàn)代通訊材料——光導(dǎo)纖維，光導(dǎo)纖維除用于通訊外，還可用于能量傳輸，信息處理遙測遙控和醫(yī)療器械（如光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡）制造等方面。 光導(dǎo)纖維作為通訊材料的優(yōu)點(diǎn)是克服了聲音信號和圖像信號在銅絲和鋁絲這兩種傳統(tǒng)媒介中傳播損耗大的缺點(diǎn)，并節(jié)約了大量的金屬資源。 （三）硅酸鹽與無機(jī)非金屬材料 1、硅酸 硅酸為白色粉末狀固體，不溶于水，其酸性比碳酸還弱（也可由硅的非金屬性比碳弱推出），其化學(xué)式為H2SiO3。SiO2是硅酸的酸酐，但 SiO2 不溶于水，所以不能用 SiO2 與水直接反應(yīng)得到 H2SiO3而只能用可溶性硅酸鹽與酸反應(yīng)制得。 如： Na2SiO3 + CO2 + H2O ＝ Na2CO3 + H2SiO3↓ H2SiO3 在加熱條件下失水變?yōu)镾iO2 ： H2SiO3 SiO2 + H2O 2、硅酸鹽 （1）硅酸鹽在自然界中的存在 硅酸鹽是構(gòu)成地殼中巖石的主要成分，自然界中存在的各種天然硅酸鹽礦石，約占地殼的5％，粘土的主要成分也是硅酸鹽。粘土的種類很多，常見的有高嶺土和一般粘土，前者含雜質(zhì)較少，后者含雜質(zhì)較多。 （2）硅酸鹽組成的表示方法 硅酸鹽的種類很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無論是天然的還是人工制成的硅酸鹽，其組成的表示方法有兩種。 ① 化學(xué)式法： 一般用于組成較簡單的硅酸鹽。如： 硅酸鈉 Na2SiO3； 硅酸鈣Ca2SiO3 ② 氧化物法：常用的表示方法。 如： 鎂橄欖石（Mg2SiO4） 2MgO·SiO2 高嶺石〔Al2(Si2O5)(OH)4〕 Al2O3·2SiO2·2H2O 正長石(2KAlSi3O8 ) K2O·Al2O3·6SiO2 說明：用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成時，各氧化物的排列順序?yàn)椋? 較活潑金屬氧化物→ 較不活潑金屬氧化物→ 二氧化硅→ 水 （3）硅酸鈉 硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，它是一種礦物膠，具有粘合性。 3、無機(jī)非金屬材料 （1）傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料 ① 玻璃 原料：生產(chǎn)普通玻璃的主要原料是純堿（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。 主要設(shè)備：玻璃熔爐 反應(yīng)原理：將粉碎混勻的原料加強(qiáng)熱使之熔化，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，冷卻即成玻璃。其中主要化學(xué)反應(yīng)是： CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 ↑ Na2CO3 + SiO2Na2SiO3 + CO2 ↑ 主要成分： 制造玻璃的原料中，石英是過量的，所以，普通玻璃是CaSiO3，Na2SiO3和SiO2 熔化在一起得到的物質(zhì)，其物質(zhì)的量之比為1：1：4，因此玻璃可表示為：Na2O·CaO·6SiO2。 主要性質(zhì)：硬而脆，受熱時在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，沒有一定的熔點(diǎn)，故作玻璃態(tài)物質(zhì)，耐酸腐蝕（HF除外）。 ②水泥 a. 普通水泥的主要成分為硅酸三鈣（3CaO·SiO2），硅酸二鈣（2CaO·SiO2）和鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）等。 b. 水泥的特點(diǎn)是水泥具有水硬性，與水?dāng)v和攪拌并靜置后，很容易凝固變硬。 c. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用鋼筋作結(jié)構(gòu)，這就是通常所說的鋼筋混凝土。 （2）新型無機(jī)非金屬材料 類別 示例 特性 用途 高溫結(jié) 構(gòu)陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度極高，耐磨損，耐高溫，抗腐蝕，抗氧化能力強(qiáng)，電絕緣性好 汽輪機(jī)葉片、軸承、發(fā)動機(jī)部件、永久性模具 碳化硅陶瓷 硬度僅次于金剛石，耐高溫，且在室溫下能導(dǎo)電 電熱元件 生物 陶瓷 氧化鋁陶瓷 氧化鋯陶瓷 強(qiáng)度高，耐磨，無毒，不溶于水，對人體組織有較好的適應(yīng)性，可直接植于人體 人造牙齒、人造骨骼 壓電 陶瓷 鈦酸鋇陶瓷 鈦酸鉛陶瓷 可將極其微弱的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成信號 聲吶系統(tǒng)、氣象檢測、遙控環(huán)境保護(hù)、家用電器、壓電地震儀 【典型例題】 例1. 有一粗硅，含鐵和硅兩種雜質(zhì)，取等質(zhì)量的樣品分別投入足量的稀鹽酸和足量的稀氫氧化鈉溶液中，放出等量的氫氣，則該粗硅中鐵和硅的關(guān)系正確的是（ ） A. 物質(zhì)的量之比為1：1 B. 物質(zhì)的量比為2：1 C. 質(zhì)量比為4：1 D. 質(zhì)量比為2：1 答案：B C 解析：粗硅與鹽酸反應(yīng)是鐵與鹽酸反應(yīng) Fe +2HCl ＝＝＝ FeCl2 + H2 ↑ ；粗硅與堿反應(yīng)是硅與堿反應(yīng)Si + 2NaOH + H2O ＝ Na2SiO3 + 2H2 ↑因放出等量氫氣，則鐵與硅的物質(zhì)的量之比為2：1， 質(zhì)量比為4：1。 點(diǎn)評：本題綜合考查了鐵、硅的性質(zhì)，是定性分析與簡單定量計(jì)算相結(jié)合的，解題要注意書寫化學(xué)方程式的準(zhǔn)確性。 例2. 下列說法不正確的是（ ） A. 因?yàn)镾iO2 不溶于水，故H2SiO3不是SiO2 對應(yīng)的酸或者說SiO2 不是H2SiO3 對應(yīng)的酸酐 B. CO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀 C. SiO2 是一種空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，熔點(diǎn)高、硬度大 D. 氫氟酸能夠雕刻玻璃，故不能用玻璃瓶來盛氫氟酸 答案： A 解析：SiO2 中 Si 呈＋4價， H2SiO3中Si為＋4價，且 H2SiO3（加熱）＝ SiO2 ＋ H2O ,故A項(xiàng)錯誤，B項(xiàng)發(fā)生的反應(yīng)：Na2SiO3 + CO2 (少量)＋ H2O ＝H2SiO3↓ + Na2CO3 D項(xiàng)發(fā)生的反應(yīng)為：4HF+ SiO2 ＝ SiF4↑+ 2H2O 點(diǎn)評：學(xué)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)既要注意共性，還要注意特性；既要知道一般規(guī)律，還要知道特殊規(guī)律。 例3. 下列溶液中加入氯化鋇溶液生成白色沉淀，在加入稀硝酸震蕩，白色沉淀不消失的是（ ） A. Na2SiO3 B. Na2CO3 C. Na2SO3 D. Na3PO4 答案：A C 解析：BaCO3 和 Ba3(PO4 )2 均為白色沉淀，二者均溶于HNO3 ,BaSiO3 溶于HNO3 后又生成H2SiO3，BaSO3溶于硝酸后生成BaSO4。 點(diǎn)評：本題表面上是考查復(fù)分解反應(yīng)，實(shí)際卻包含了氧化還原反應(yīng)的知識，解題要注意思維的全面性和靈活性。 例4. 三硅酸鎂晶體被用來治療胃潰瘍病患者的胃酸過多癥，是因?yàn)樵撐镔|(zhì)不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。三硅酸鎂晶體化學(xué)式為 ： Mg2Si3O8·nH2O。 （1）用氧化物的形式表示三硅酸鎂的化學(xué)式。 （2）寫出該藥物中和胃酸的化學(xué)方程式。 答案：（1） 2MgO·3SiO2·nH2O （2）2MgO·3SiO2 ·nH2O + 4HCl ＝ 2MgCl2 + (n+2) H2O + 3SiO2 解析：用氧化物的形式表示硅酸鹽的時候，應(yīng)注意書寫原則： 活潑金屬氧化物、較活潑金屬氧化物、二氧化硅、水 第二問若直接寫三硅酸鎂與鹽酸反應(yīng)，許多同學(xué)會感到無從下手。應(yīng)從氧化物形式書寫。堿性氧化物（MgO）能與鹽酸反應(yīng)，而SiO2 不能與鹽酸反應(yīng)可當(dāng)成雜質(zhì)，最后寫出正確的方程式。 評注：本題考查了將復(fù)雜的硅酸鹽用氧化物的形式表示這個知識點(diǎn)，同時本題也涉及硅酸鹽在生活中的應(yīng)用。解題時應(yīng)注意只有堿性氧化物才能與酸反應(yīng)生成鹽和水。 【模擬試題】 一、選擇題（每題有1或2個正確答案） 1. 下列敘述正確的是（ ） A. 自然界中存在大量單質(zhì)硅 B. 石英、水晶、 硅石的主要成分是二氧化硅 C. 二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)活潑，能跟酸堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng) D. 自然界中二氧化硅都存在于石英礦中 2. 可制造熔化燒堿的坩鍋材料是（ ） A. 鐵 B. 陶瓷 C. 氧化鋁 D. 石英 3. 磷酸鈣陶瓷也是一種新型無機(jī)材料，它可用于制造人造骨骼，這是利用了這種材料的（ ） A. 耐高溫特性 B. 電學(xué)特性 C. 光學(xué)特性 D. 生物功能 4. 硅酸銅鋇是當(dāng)今最新科學(xué)技術(shù)合成的一種物質(zhì)，然而科學(xué)家卻驚奇的發(fā)現(xiàn)，我國秦朝兵馬俑的一種顏料竟是硅酸銅鋇。由以上事實(shí)推測關(guān)于硅酸銅鋇的說法錯誤的是（ ） A. 易溶于水 B. 難溶于水 C. 屬于硅酸鹽 D. 屬于混合物 5. 下列離子方程式不正確的是（ ） A. 向燒堿溶液中通入過量的二氧化碳 2OH- +CO2 ＝CO32- +H2O B. 向純堿溶液中通入足量的二氧化碳 CO32- + CO2 + H2O ＝2HCO3- C. 向水玻璃中通入少量二氧化碳 SiO32- + CO2 + H2O ＝H2SiO3 ↓ + CO32- D. 向次氯酸鈉溶液中通入少量的二氧化碳 2ClO- + CO2 + H2O ＝ 2HClO + CO32- 6. 將過量的二氧化碳分別通入① CaCl2 溶液； ② Na2SiO3 溶液；③ Ca(ClO)2 溶液；④ 飽和Na2CO3 溶液。最終溶液中有白色沉淀析出的是（ ） A. ①②③④ B. ②④ C. ①②③ D. ②③ 7. 在反應(yīng)SiO2 + 3C SiC + 2 CO↑中，氧化劑與還原劑的質(zhì)量比是 （ ） A. 36: 60 B. 60:36 C. 1:2 D. 1:3 8. 下列物質(zhì)放置在空氣中（不考慮水份蒸發(fā)和吸收空氣中的水份）變質(zhì)，且能析出固體，加入鹽酸時固體不溶解的是（ ） A. 澄清石灰水 B. 水玻璃（Na2SiO3） C. 過氧化氫 D. 氧化鈣 9. 下列物品或設(shè)備： ①水泥路橋 ；② 門窗玻璃； ③水晶鏡片 ；④石英鐘表；⑤瑪瑙手鐲； ⑥ 硅太陽能電池；⑦光導(dǎo)纖維 ；⑧ 計(jì)算機(jī)芯片。 其中所用材料為SiO2 或用到SiO2 的是（ ） A. ①②③④⑤⑦ B. 全部 C. ⑥⑧ D. ①②⑦⑧ 10. 有關(guān)硅元素的下列敘述中正確的是（ ） A. 常溫時硅可和強(qiáng)堿溶液反應(yīng) B. 硅與任何酸都不反應(yīng) C. 硅是構(gòu)成礦物巖石的主要原料，其化合態(tài)硅幾乎全部是硅石和硅酸鹽 D. 硅的性質(zhì)很穩(wěn)定，能以游離態(tài)存在于自然界 二、填空題 11. 物質(zhì)的組成可用不同形式表示: （1）將下列硅酸鹽改寫成氧化物的形式（改寫時注意金屬氧化物在前，非金屬氧化物在后，低價在前，高價在后） ① 鎂橄欖石（Mg2SiO4）_____________________ ② 高嶺石Al2(Si2O5)(OH)4_______________________ （2）許多含氧酸及其鹽類均可以類似硅酸鹽的改寫為氧化物形式，請繼續(xù)改寫下列物質(zhì)： 2HNO3 _________, HCOOH_________________________, 2KAl(SO4)2·12H2O _________________, 通過以上改寫可知， HNO3 的酸酐為_________________,HCOOH與濃H2SO4 反應(yīng)可制成_______________氣體。 12. 氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應(yīng)獲得。 （1）寫出氮原子的結(jié)構(gòu)示意圖：_____________,根據(jù)元素周期律知識，請寫出氮化硅的化學(xué)式__________________； （2）氮化硅陶瓷抗腐蝕能力強(qiáng)，除氫氟酸外，它不與其他無機(jī)酸反應(yīng)。試推測該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學(xué)式為_____________________； （3）現(xiàn)用四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥毡Ｗo(hù)下，加強(qiáng)熱發(fā)生反應(yīng)，可得較高純度的氮化硅。反應(yīng)的化學(xué)方程式為：_______________________。 13. 常用的干燥劑硅膠，是網(wǎng)狀多孔物質(zhì)，主要成分為SiO2，其中含水約為4％，制法是將硅酸減壓條件下加熱到300℃，使之分解?，F(xiàn)以石英、純堿、鹽酸為原料，生產(chǎn)硅膠，試按生產(chǎn)順序?qū)懗龈鞑椒磻?yīng)的化學(xué)方程式。 三、計(jì)算題 14. 已知硅和鋁都能與堿溶液反應(yīng)，反應(yīng)的離子方程式分別為： Si+ 2OH- +H2O ＝ SiO32- +2H2 ↑ 2Al + 2OH- + 6H2O ＝ 2〔Al(OH)4〕- + 3H2↑ 現(xiàn)有鐵、硅、鋁的混合物13g，當(dāng)與足量的鹽酸反應(yīng)時，生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氫氣的體積為11.2L；若將等質(zhì)量的混合物與足量的氫氧化鈉溶液反應(yīng)時生成的氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下也是11.2L。 求原混合物中各成分的質(zhì)量。 參考答案 一、選擇題（每題有1或2個正確答案） 1. B 2. A 3. D 4. AD 5. A 6. B 7. C 8. B 9. A 10. AC 二、填空題 11. （1）①2MgO·SiO2 ② Al2O3·2SiO2·2H2O （2）N2O5·H2O；CO·H2O ；K2O·Al2O3·4SO3·24H2O；N2O5；CO 12. （1）；Si3N4 （2）Si3N4 + 12HF + 4H2O ＝ 3SiF4 ↑+ 4NH3·H2O （3）3SiCl4 +2N2 +6H2 (強(qiáng)熱)＝ Si3N4 + 12HCl 13. ① SiO2 + Na2CO3 （高溫）＝ Na2SiO3 +CO2 ↑ ② Na2SiO3 + 2HCl ＝ H2SiO3 ↓ + 2NaCl ③ H2SiO3 （加熱） ＝ SiO2 + H2O 三、計(jì)算題 14. 混合物中鐵、硅、鋁的質(zhì)量分別為：5.6g；5.6g；1.8g。