2019-2020年高一化学元素与材料世界 无机非金属材料.doc

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2019-2020年高一化学元素与材料世界 无机非金属材料 一. 教学内容： 第4章 第1节 硅 无机非金属材料 二. 教学目的 1、掌握硅及二氧化硅的重要性质，了解其应用。 2、体会物质的性质与材料性能的密切关系。 3、认识新材料的开发对人类生产、生活的重要影响。 三. 教学重点、难点 硅及二氧化硅的性质 四. 知识分析 （一）导体材料与单质硅 1、半导体材料 半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。最早使用的半导体材料是锗，但因其含量低，提炼工艺复杂，价格昂贵，而不适合广泛使用。目前广泛使用的半导体材料是硅元素，在地壳中含量居第二位，该元素全部以化合态存在于自然界中，储量丰富。常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。 2、单质硅 （1）物理性质：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬而脆，熔点很高（1410℃），是良好的半导体材料。 （2）化学性质: 常温下不活泼，只与F2 及HF 和强碱反应。在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。 Si + 2F2 ＝SiF4 Si + 4HF ＝ SiF4 ↑+ 2H2 ↑ Si+ 2NaOH + H2O ＝ Na2SiO3 +2 H2 ↑ Si+ O2 SiO2 Si + 2Cl2 SiCl4 （3）硅的制备 由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。 制粗硅： SiO2 + 2C Si + 2CO ↑ 制高纯硅： Si + 2Cl2 SiCl4 SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl （4）硅的用途： 硅可用来制造集成电路，太阳能电池，硅整流器等。硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。 思考：判断下列说法是否正确： ① 非金属单质不能与碱液反应放出氢气 ② 非氧化性酸不能与非金属单质反应 ③ 自然界中含大量的硅单质，其含量仅次于氧 （解答：① × ② × ③ × ） （二）二氧化硅与光导纤维 1、二氧化硅的存在 二氧化硅广泛存在与自然界中，常见的有沙子石英和水晶，另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。 2、二氧化硅的物理性质 纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。 3、二氧化硅的化学性质 二氧化硅化学性质不活泼。是一种酸性氧化物。常温下与氢氟酸反应，与碱溶液缓慢反应，高温下与碱性氧化物反应。 Si O2+ 4HF ＝ SiF4 ↑+ 2H2O SiO2+ 2NaOH ＝ Na2SiO3 + H2 O Si O2 + CaO CaSiO3 注意： ①氢氟酸不能保存在玻璃瓶中，应保存在塑料瓶中。 ②NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，应保存在橡胶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）水晶常用来制造电子部件、光学仪器和工艺品等。 （4）SiO2 被用于制造高性能的现代通讯材料——光导纤维，光导纤维除用于通讯外，还可用于能量传输，信息处理遥测遥控和医疗器械（如光导纤维内窥镜）制造等方面。 光导纤维作为通讯材料的优点是克服了声音信号和图像信号在铜丝和铝丝这两种传统媒介中传播损耗大的缺点，并节约了大量的金属资源。 （三）硅酸盐与无机非金属材料 1、硅酸 硅酸为白色粉末状固体，不溶于水，其酸性比碳酸还弱（也可由硅的非金属性比碳弱推出），其化学式为H2SiO3。SiO2是硅酸的酸酐，但 SiO2 不溶于水，所以不能用 SiO2 与水直接反应得到 H2SiO3而只能用可溶性硅酸盐与酸反应制得。 如： Na2SiO3 + CO2 + H2O ＝ Na2CO3 + H2SiO3↓ H2SiO3 在加热条件下失水变为SiO2 ： H2SiO3 SiO2 + H2O 2、硅酸盐 （1）硅酸盐在自然界中的存在 硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿石，约占地壳的5％，粘土的主要成分也是硅酸盐。粘土的种类很多，常见的有高岭土和一般粘土，前者含杂质较少，后者含杂质较多。 （2）硅酸盐组成的表示方法 硅酸盐的种类很多，结构复杂，无论是天然的还是人工制成的硅酸盐，其组成的表示方法有两种。 ① 化学式法： 一般用于组成较简单的硅酸盐。如： 硅酸钠 Na2SiO3； 硅酸钙Ca2SiO3 ② 氧化物法：常用的表示方法。 如： 镁橄榄石（Mg2SiO4） 2MgO·SiO2 高岭石〔Al2(Si2O5)(OH)4〕 Al2O3·2SiO2·2H2O 正长石(2KAlSi3O8 ) K2O·Al2O3·6SiO2 说明：用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时，各氧化物的排列顺序为： 较活泼金属氧化物→ 较不活泼金属氧化物→ 二氧化硅→ 水 （3）硅酸钠 硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。 3、无机非金属材料 （1）传统无机非金属材料 ① 玻璃 原料：生产普通玻璃的主要原料是纯碱（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。 主要设备：玻璃熔炉 反应原理：将粉碎混匀的原料加强热使之熔化，发生复杂的物理化学变化，冷却即成玻璃。其中主要化学反应是： CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 ↑ Na2CO3 + SiO2Na2SiO3 + CO2 ↑ 主要成分： 制造玻璃的原料中，石英是过量的，所以，普通玻璃是CaSiO3，Na2SiO3和SiO2 熔化在一起得到的物质，其物质的量之比为1：1：4，因此玻璃可表示为：Na2O·CaO·6SiO2。 主要性质：硬而脆，受热时在一定温度范围内逐渐软化，没有一定的熔点，故作玻璃态物质，耐酸腐蚀（HF除外）。 ②水泥 a. 普通水泥的主要成分为硅酸三钙（3CaO·SiO2），硅酸二钙（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3）等。 b. 水泥的特点是水泥具有水硬性，与水搀和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。 c. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用钢筋作结构，这就是通常所说的钢筋混凝土。 （2）新型无机非金属材料 类别 示例 特性 用途 高温结 构陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度极高，耐磨损，耐高温，抗腐蚀，抗氧化能力强，电绝缘性好 汽轮机叶片、轴承、发动机部件、永久性模具 碳化硅陶瓷 硬度仅次于金刚石，耐高温，且在室温下能导电 电热元件 生物 陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷 强度高，耐磨，无毒，不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植于人体 人造牙齿、人造骨骼 压电 陶瓷 钛酸钡陶瓷 钛酸铅陶瓷 可将极其微弱的机械振动转换成信号 声呐系统、气象检测、遥控环境保护、家用电器、压电地震仪 【典型例题】 例1. 有一粗硅，含铁和硅两种杂质，取等质量的样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的氢气，则该粗硅中铁和硅的关系正确的是（ ） A. 物质的量之比为1：1 B. 物质的量比为2：1 C. 质量比为4：1 D. 质量比为2：1 答案：B C 解析：粗硅与盐酸反应是铁与盐酸反应 Fe +2HCl ＝＝＝ FeCl2 + H2 ↑ ；粗硅与碱反应是硅与碱反应Si + 2NaOH + H2O ＝ Na2SiO3 + 2H2 ↑因放出等量氢气，则铁与硅的物质的量之比为2：1， 质量比为4：1。 点评：本题综合考查了铁、硅的性质，是定性分析与简单定量计算相结合的，解题要注意书写化学方程式的准确性。 例2. 下列说法不正确的是（ ） A. 因为SiO2 不溶于水，故H2SiO3不是SiO2 对应的酸或者说SiO2 不是H2SiO3 对应的酸酐 B. CO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀 C. SiO2 是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大 D. 氢氟酸能够雕刻玻璃，故不能用玻璃瓶来盛氢氟酸 答案： A 解析：SiO2 中 Si 呈＋4价， H2SiO3中Si为＋4价，且 H2SiO3（加热）＝ SiO2 ＋ H2O ,故A项错误，B项发生的反应：Na2SiO3 + CO2 (少量)＋ H2O ＝H2SiO3↓ + Na2CO3 D项发生的反应为：4HF+ SiO2 ＝ SiF4↑+ 2H2O 点评：学习物质的性质既要注意共性，还要注意特性；既要知道一般规律，还要知道特殊规律。 例3. 下列溶液中加入氯化钡溶液生成白色沉淀，在加入稀硝酸震荡，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 均为白色沉淀，二者均溶于HNO3 ,BaSiO3 溶于HNO3 后又生成H2SiO3，BaSO3溶于硝酸后生成BaSO4。 点评：本题表面上是考查复分解反应，实际却包含了氧化还原反应的知识，解题要注意思维的全面性和灵活性。 例4. 三硅酸镁晶体被用来治疗胃溃疡病患者的胃酸过多症，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。三硅酸镁晶体化学式为 ： Mg2Si3O8·nH2O。 （1）用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式。 （2）写出该药物中和胃酸的化学方程式。 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盐的时候，应注意书写原则： 活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水 第二问若直接写三硅酸镁与盐酸反应，许多同学会感到无从下手。应从氧化物形式书写。碱性氧化物（MgO）能与盐酸反应，而SiO2 不能与盐酸反应可当成杂质，最后写出正确的方程式。 评注：本题考查了将复杂的硅酸盐用氧化物的形式表示这个知识点，同时本题也涉及硅酸盐在生活中的应用。解题时应注意只有碱性氧化物才能与酸反应生成盐和水。 【模拟试题】 一、选择题（每题有1或2个正确答案） 1. 下列叙述正确的是（ ） A. 自然界中存在大量单质硅 B. 石英、水晶、 硅石的主要成分是二氧化硅 C. 二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸碱发生化学反应 D. 自然界中二氧化硅都存在于石英矿中 2. 可制造熔化烧碱的坩锅材料是（ ） A. 铁 B. 陶瓷 C. 氧化铝 D. 石英 3. 磷酸钙陶瓷也是一种新型无机材料，它可用于制造人造骨骼，这是利用了这种材料的（ ） A. 耐高温特性 B. 电学特性 C. 光学特性 D. 生物功能 4. 硅酸铜钡是当今最新科学技术合成的一种物质，然而科学家却惊奇的发现，我国秦朝兵马俑的一种颜料竟是硅酸铜钡。由以上事实推测关于硅酸铜钡的说法错误的是（ ） A. 易溶于水 B. 难溶于水 C. 属于硅酸盐 D. 属于混合物 5. 下列离子方程式不正确的是（ ） A. 向烧碱溶液中通入过量的二氧化碳 2OH- +CO2 ＝CO32- +H2O B. 向纯碱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. 向次氯酸钠溶液中通入少量的二氧化碳 2ClO- + CO2 + H2O ＝ 2HClO + CO32- 6. 将过量的二氧化碳分别通入① CaCl2 溶液； ② Na2SiO3 溶液；③ Ca(ClO)2 溶液；④ 饱和Na2CO3 溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是（ ） A. ①②③④ B. ②④ C. ①②③ D. ②③ 7. 在反应SiO2 + 3C SiC + 2 CO↑中，氧化剂与还原剂的质量比是 （ ） A. 36: 60 B. 60:36 C. 1:2 D. 1:3 8. 下列物质放置在空气中（不考虑水份蒸发和吸收空气中的水份）变质，且能析出固体，加入盐酸时固体不溶解的是（ ） A. 澄清石灰水 B. 水玻璃（Na2SiO3） C. 过氧化氢 D. 氧化钙 9. 下列物品或设备： ①水泥路桥 ；② 门窗玻璃； ③水晶镜片 ；④石英钟表；⑤玛瑙手镯； ⑥ 硅太阳能电池；⑦光导纤维 ；⑧ 计算机芯片。 其中所用材料为SiO2 或用到SiO2 的是（ ） A. ①②③④⑤⑦ B. 全部 C. ⑥⑧ D. ①②⑦⑧ 10. 有关硅元素的下列叙述中正确的是（ ） A. 常温时硅可和强碱溶液反应 B. 硅与任何酸都不反应 C. 硅是构成矿物岩石的主要原料，其化合态硅几乎全部是硅石和硅酸盐 D. 硅的性质很稳定，能以游离态存在于自然界 二、填空题 11. 物质的组成可用不同形式表示: （1）将下列硅酸盐改写成氧化物的形式（改写时注意金属氧化物在前，非金属氧化物在后，低价在前，高价在后） ① 镁橄榄石（Mg2SiO4）_____________________ ② 高岭石Al2(Si2O5)(OH)4_______________________ （2）许多含氧酸及其盐类均可以类似硅酸盐的改写为氧化物形式，请继续改写下列物质： 2HNO3 _________, HCOOH_________________________, 2KAl(SO4)2·12H2O _________________, 通过以上改写可知， HNO3 的酸酐为_________________,HCOOH与浓H2SO4 反应可制成_______________气体。 12. 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。工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应获得。 （1）写出氮原子的结构示意图：_____________,根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式__________________； （2）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式为_____________________； （3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，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：_______________________。 13. 常用的干燥剂硅胶，是网状多孔物质，主要成分为SiO2，其中含水约为4％，制法是将硅酸减压条件下加热到300℃，使之分解。现以石英、纯碱、盐酸为原料，生产硅胶，试按生产顺序写出各步反应的化学方程式。 三、计算题 14. 已知硅和铝都能与碱溶液反应，反应的离子方程式分别为： Si+ 2OH- +H2O ＝ SiO32- +2H2 ↑ 2Al + 2OH- + 6H2O ＝ 2〔Al(OH)4〕- + 3H2↑ 现有铁、硅、铝的混合物13g，当与足量的盐酸反应时，生成标准状况下的氢气的体积为11.2L；若将等质量的混合物与足量的氢氧化钠溶液反应时生成的氢气在标准状况下也是11.2L。 求原混合物中各成分的质量。 参考答案 一、选择题（每题有1或2个正确答案） 1. B 2. A 3. D 4. AD 5. A 6. B 7. C 8. B 9. A 10. AC 二、填空题 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 (强热)＝ Si3N4 + 12HCl 13. ① SiO2 + Na2CO3 （高温）＝ Na2SiO3 +CO2 ↑ ② Na2SiO3 + 2HCl ＝ H2SiO3 ↓ + 2NaCl ③ H2SiO3 （加热） ＝ SiO2 + H2O 三、计算题 14. 混合物中铁、硅、铝的质量分别为：5.6g；5.6g；1.8g。