2018年高中化學 第四章 元素與材料世界 第1節(jié) 硅、無機非金屬材料學案 魯科版必修1.doc

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第4章 第1節(jié) 硅 無機非金屬材料 【本講教育信息】 一. 教學內容： 第4章 第1節(jié) 硅 無機非金屬材料 二. 教學目的 1、掌握硅及二氧化硅的重要性質，了解其應用。 2、體會物質的性質與材料性能的密切關系。 3、認識新材料的開發(fā)對人類生產、生活的重要影響。 三. 教學重點、難點 硅及二氧化硅的性質 四. 知識分析 （一）導體材料與單質硅 1、半導體材料 半導體材料特指導電能力介于導體和絕緣體之間的一類材料。最早使用的半導體材料是鍺，但因其含量低，提煉工藝復雜，價格昂貴，而不適合廣泛使用。目前廣泛使用的半導體材料是硅元素，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、單質硅 （1）物理性質：單質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，熔點很高（1410℃），是良好的半導體材料。 （2）化學性質: 常溫下不活潑，只與F2 及HF 和強堿反應。在加熱時純硅與某些非金屬單質發(fā)生反應。 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的粗硅，將粗硅提純后，可以得到半導體材料的高純硅。 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，耐酸設備等。 思考：判斷下列說法是否正確： ① 非金屬單質不能與堿液反應放出氫氣 ② 非氧化性酸不能與非金屬單質反應 ③ 自然界中含大量的硅單質，其含量僅次于氧 （解答：① ② ③ ） （二）二氧化硅與光導纖維 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成巖石的重要成分。 2、二氧化硅的物理性質 純凈的二氧化硅晶體呈無色，熔點高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶劑。 3、二氧化硅的化學性質 二氧化硅化學性質不活潑。是一種酸性氧化物。常溫下與氫氟酸反應，與堿溶液緩慢反應，高溫下與堿性氧化物反應。 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，應保存在塑料瓶中。 ②NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，應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、光學儀器和工藝品等。 （4）SiO2 被用于制造高性能的現代通訊材料——光導纖維，光導纖維除用于通訊外，還可用于能量傳輸，信息處理遙測遙控和醫(yī)療器械（如光導纖維內窺鏡）制造等方面。 光導纖維作為通訊材料的優(yōu)點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，并節(jié)約了大量的金屬資源。 （三）硅酸鹽與無機非金屬材料 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 與水直接反應得到 H2SiO3而只能用可溶性硅酸鹽與酸反應制得。 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，前者含雜質較少，后者含雜質較多。 （2）硅酸鹽組成的表示方法 硅酸鹽的種類很多，結構復雜，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） 2MgOSiO2 高嶺石〔Al2(Si2O5)(OH)4〕 Al2O32SiO22H2O 正長石(2KAlSi3O8 ) K2OAl2O36SiO2 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為： 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、無機非金屬材料 （1）傳統(tǒng)無機非金屬材料 ① 玻璃 原料：生產普通玻璃的主要原料是純堿（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。 主要設備：玻璃熔爐 反應原理：將粉碎混勻的原料加強熱使之熔化，發(fā)生復雜的物理化學變化，冷卻即成玻璃。其中主要化學反應是： 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，其物質的量之比為1：1：4，因此玻璃可表示為：Na2OCaO6SiO2。 主要性質：硬而脆，受熱時在一定溫度范圍內逐漸軟化，沒有一定的熔點，故作玻璃態(tài)物質，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（3CaOSiO2），硅酸二鈣（2CaOSiO2）和鋁酸三鈣（3CaOAl2O3）等。 b. 水泥的特點是水泥具有水硬性，與水攙和攪拌并靜置后，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構，這就是通常所說的鋼筋混凝土。 （2）新型無機非金屬材料 類別 示例 特性 用途 高溫結 構陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度極高，耐磨損，耐高溫，抗腐蝕，抗氧化能力強，電絕緣性好 汽輪機葉片、軸承、發(fā)動機部件、永久性模具 碳化硅陶瓷 硬度僅次于金剛石，耐高溫，且在室溫下能導電 電熱元件 生物 陶瓷 氧化鋁陶瓷 氧化鋯陶瓷 強度高，耐磨，無毒，不溶于水，對人體組織有較好的適應性，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 可將極其微弱的機械振動轉換成信號 聲吶系統(tǒng)、氣象檢測、遙控環(huán)境保護、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，取等質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系正確的是（ ） A. 物質的量之比為1：1 B. 物質的量比為2：1 C. 質量比為4：1 D. 質量比為2：1 答案：B C 解析：粗硅與鹽酸反應是鐵與鹽酸反應 Fe +2HCl ＝＝＝ FeCl2 + H2 ↑ ；粗硅與堿反應是硅與堿反應Si + 2NaOH + H2O ＝ Na2SiO3 + 2H2 ↑因放出等量氫氣，則鐵與硅的物質的量之比為2：1， 質量比為4：1。 點評：本題綜合考查了鐵、硅的性質，是定性分析與簡單定量計算相結合的，解題要注意書寫化學方程式的準確性。 例2. 下列說法不正確的是（ ） A. 因為SiO2 不溶于水，故H2SiO3不是SiO2 對應的酸或者說SiO2 不是H2SiO3 對應的酸酐 B. CO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀 C. SiO2 是一種空間立體網狀結構的晶體，熔點高、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項錯誤，B項發(fā)生的反應：Na2SiO3 + CO2 (少量)＋ H2O ＝H2SiO3↓ + Na2CO3 D項發(fā)生的反應為：4HF+ SiO2 ＝ SiF4↑+ 2H2O 點評：學習物質的性質既要注意共性，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。 點評：本題表面上是考查復分解反應，實際卻包含了氧化還原反應的知識，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，是因為該物質不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。三硅酸鎂晶體化學式為 ： Mg2Si3O8nH2O。 （1）用氧化物的形式表示三硅酸鎂的化學式。 （2）寫出該藥物中和胃酸的化學方程式。 答案：（1） 2MgO3SiO2nH2O （2）2MgO3SiO2 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，許多同學會感到無從下手。應從氧化物形式書寫。堿性氧化物（MgO）能與鹽酸反應，而SiO2 不能與鹽酸反應可當成雜質，最后寫出正確的方程式。 評注：本題考查了將復雜的硅酸鹽用氧化物的形式表示這個知識點，同時本題也涉及硅酸鹽在生活中的應用。解題時應注意只有堿性氧化物才能與酸反應生成鹽和水。