高中化學(xué) 第四章 元素與材料世界 第1節(jié) 硅無(wú)機(jī)非金屬材料學(xué)案（2）魯科版必修1.doc

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第1節(jié) 硅無(wú)機(jī)非金屬材料 知識(shí)巧學(xué)升華 一、無(wú)機(jī)非金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料分為傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料和新型無(wú)機(jī)非金屬材料。 材　料 品種示例 傳 統(tǒng) 無(wú) 機(jī) 非 金 屬 材 料 水泥和其他膠凝材料 硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等 陶　瓷 黏土質(zhì)、長(zhǎng)石質(zhì)、滑石質(zhì)和骨灰質(zhì)陶瓷等 耐火材料 硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、鉻鎂質(zhì)等 玻　璃 硅酸鹽、硼酸鹽、氧化物、硫化物和鹵素化合物玻璃等 搪　瓷 鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等 多孔材料 硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等 碳素材料 石墨、焦炭和各種碳素制品等 非金屬礦 黏土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金剛石等 新 型 無(wú) 機(jī) 非 金 屬 材 料 高頻絕緣材料 氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質(zhì)陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等 鐵電和壓電材料 鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛系材料等 磁性材料 錳-鋅、鎳-鋅、錳-鎂、鋰-錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等 導(dǎo)體陶瓷 鈉、鋰、氧離子的快離子導(dǎo)體和碳化硅等 半導(dǎo)體陶瓷 鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過(guò)渡金屬元素氧化物系材料等 光學(xué)材料 釔鋁石榴石激光材料，氧化鋁、氧化釔透明材料和石英系或多組分玻璃的光導(dǎo)纖維等 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 高溫氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等難熔化合物 生物陶瓷 長(zhǎng)石質(zhì)齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材和酶的載體材料等 二、半導(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。 使用最早的半導(dǎo)體材料是鍺（Ge）。使用最廣泛的半導(dǎo)體材料是硅（Si）。 常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料還有鎵（Ga）、（Se）、砷化鎵（GaAs）等。 2．硅 （1）硅的存在 自然界中無(wú)天然存在的硅單質(zhì)，硅元素通常存在于SiO2和硅酸鹽中。硅單質(zhì)都是人工制得的。 硅 （2）硅的物理性質(zhì) 晶體硅是灰黑色，有金屬光澤、硬而脆的固體。 記憶要訣 金屬光澤灰黑硅，半導(dǎo)材料硬而脆。 （3）硅的化學(xué)性質(zhì) ①常溫下，Si的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下，Si跟強(qiáng)酸不反應(yīng)。但能發(fā)生下列反應(yīng)： Si+2F2══SiF4 Si+4HF══SiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2O══Na2SiO3+2H2↑ ②加熱條件下，Si能跟某些非金屬反應(yīng)： Si+O2SiO2 Si+2Cl2SiCl4常溫下，SiF4是氣體，SiCl4是液體，SiO2是固體。 （4）硅的制取 SiO2+2CSi（粗）+2CO↑ Si（粗）+2Cl2SiCl4 SiCl4+2H2Si（純）+4HCl （5）硅的用途 硅 三、二氧化硅和光導(dǎo)纖維 1．SiO2的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu) SiO2熔點(diǎn)高、硬度大。透明的石英晶體就是水晶，常用來(lái)制造電子部件和光學(xué)儀器。 要點(diǎn)提示 SiO2廣泛存在于自然界中，沙子、石英的主要成分都是SiO2。 2．SiO2的結(jié)構(gòu) SiO2晶體是由Si原子和O原子構(gòu)成的。每個(gè)O原子周圍連接著2個(gè)Si原子，成直線型。每個(gè)Si原子周圍連接著4個(gè)O原子，構(gòu)成以Si原子為中心的正四面體型，4個(gè)O原子分別位于正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)上（虛線示型）： 每個(gè)Si原子通過(guò)O原子與周圍的4個(gè)Si原子連接著，形成1個(gè)大的正四面體（虛線示型）： 每個(gè)最小的Si－O原子環(huán)上有12個(gè)原子（6個(gè)Si原子和6個(gè)O原子），該Si－O原子環(huán)上的原子不在同一平面上。 要點(diǎn)提示 注意此處空半格去掉SiO2晶體中的O原子，所得即為Si晶體；將Si晶體中的Si原子看作C原子，所得即為金剛石晶體。 3．SiO2的化學(xué)性質(zhì) （1）SiO2具有酸性氧化物的通性，是H2SiO3的酸酐——硅酐。 ①跟堿反應(yīng)生成鹽和水： 2NaOH+SiO2══Na2SiO3+H2O 玻璃中含有SiO2，但光滑的玻璃與NaOH不反應(yīng)，而磨砂的玻璃能與NaOH（aq）等堿溶液反應(yīng)。 ②跟堿性氧化物反應(yīng)生成鹽：CaO+SiO2高溫CaSiO3， （2OH－+SiO2══+H2O） （2）SiO2的特性 ①SiO2能跟氫氟酸反應(yīng)：SiO2+4HF══SiF4↑+2H2O ②SiO2不溶于水，也不跟水反應(yīng)： H2O+SiO2══H2SiO3（） 4．SiO2的用途 SiO2 5．二氧化碳和二氧化硅的比較 酸性氧化物 構(gòu)　成 物理性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì) CO2 CO2分子 氣體熔沸點(diǎn)低，溶于水 酸性氧化物與H2O反應(yīng)生成碳酸 SiO2 硅原子，氧原子，無(wú)SiO2分子 固體熔沸點(diǎn)高；硬度大，不溶于水 酸性氧化物不與H2O反應(yīng)，能與氫氟酸反應(yīng) 四、硅酸鹽與無(wú)機(jī)非金屬材料 1．硅酸鹽的表示方法 硅酸鹽通常表示為氧化物形式：金屬氧化物非金屬氧化物水。金屬性活潑的元素的氧化物要排在前面。 2．玻璃 （1）生產(chǎn)普通玻璃的主要原料：純堿、石灰石和石英。 （2）生產(chǎn)普通玻璃的主要反應(yīng)原理： Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑ （3）普通玻璃的主要成分：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。 （4）形形色色的玻璃 ①有色玻璃：a．藍(lán)色玻璃：普通玻璃中加入了Co2O3。b．紅色玻璃：普通玻璃中加入了Cu2O。 ②變色玻璃：普通玻璃中加入了AgI、AgBr等。 ③光學(xué)玻璃：普通玻璃中加入了PbO2。 ④鋼化玻璃：經(jīng)普通玻璃熔化后快速冷卻制成。 ⑤石英玻璃：石英熔化制成。 3．水泥 (1)水泥的特性——水硬性 水泥跟水摻和攪拌、靜置后變硬的特性。 水泥的水硬性是化學(xué)性質(zhì)，發(fā)生的變化屬于化學(xué)變化。 (2)生產(chǎn)普通水泥的原料： ①主要原料：黏土和石灰石。 ②輔料：石膏——調(diào)節(jié)水泥硬化速率。 ③普通水泥的主要成分：硅酸三鈣（3CaOSiO2）、硅酸二鈣（2CaOSiO2）和鋁酸三鈣（3CaOAl2O3）等。 ④水泥砂漿：水泥、沙子和水的混合物。 ⑤混凝土和鋼筋混凝土 水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土?；炷脸Ｓ娩摻钭鼋Y(jié)構(gòu)，這就是我們常說(shuō)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 4．陶瓷 （1）傳統(tǒng)陶瓷 傳統(tǒng)陶瓷 （2）新型陶瓷 新型陶瓷 問(wèn)題思路探究 問(wèn)題 有下列幾種說(shuō)法，請(qǐng)大家討論一下是否正確。 （1）金屬氧化物一定是堿性氧化物。 （2）非金屬氧化物一定是酸性氧化物。 （3）堿性氧化物不能與堿發(fā)生反應(yīng)。 （4）堿性氧化物放入堿溶液中不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。 （5）酸性氧化物不能與酸發(fā)生反應(yīng)。 （6）酸性氧化物在酸溶液中不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。 思路:本題是一組基本概念的辨析，它對(duì)金屬氧化物、堿性氧化物、非金屬氧化物、酸性氧化物的定義及相互關(guān)系的理解能有所幫助。解答此類問(wèn)題的關(guān)鍵是要掌握一些特殊的物質(zhì)，如氧化鋁是金屬氧化物但不是堿性氧化物。 探究:（1）金屬氧化物不一定是堿性氧化物，如Al2O3是兩性氧化物。 （2）非金屬氧化物不一定是酸性氧化物，如CO、NO，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的水合物，它們被稱為不成鹽氧化物。 （3）堿性氧化物不能與堿發(fā)生反應(yīng)。 （4）堿性氧化物放入堿溶液中可以與水發(fā)生反應(yīng)，如：Na2O＋H2O══2NaOH，CaO＋H2OCa（OH）2。 （5）有的酸性氧化物可以與酸發(fā)生反應(yīng)，如：SiO2＋4HF══SiF4↑+2H2O。 （6）酸性氧化物在酸溶液中有的可以發(fā)生反應(yīng)，有的不能發(fā)生反應(yīng)。如SiO2在鹽酸中不能發(fā)生反應(yīng)，而SO3在硫酸中卻可以發(fā)生反應(yīng)：SO3＋H2O══H2SO4。 典題熱題新題 例1．實(shí)驗(yàn)室貯存固體試劑可以放在廣口瓶中，液體試劑放在細(xì)口瓶中，但有些試劑必須貯存在具有橡皮塞的玻璃試劑瓶中。以下物質(zhì)必須貯存在具有橡皮塞的玻璃試劑瓶中的是____________。 ①KOH溶液②飽和Na2CO3溶液（堿性溶液）③鹽酸④水玻璃⑤氟氣⑥氫氟酸⑦澄清石灰水⑧硝酸⑨NaOH溶液 解析：本題考查二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)。二氧化硅是酸性氧化物，能與堿發(fā)生反應(yīng)。若用玻璃塞的試劑瓶盛堿性溶液，SiO2與堿反應(yīng)，生成的硅酸鹽能黏住瓶塞而不易打開(kāi)。SiO2不能與水和酸反應(yīng)。但氫氟酸腐蝕玻璃，不能用玻璃試劑瓶盛裝。 答案：①②④⑦⑨ 深化升華 H2SiO3（硅酸）-H2OSiO2（硅酐），可用玻璃瓶盛裝堿性液體，但不能蓋磨砂玻璃塞，以防SiO2與NaOH（aq）等反應(yīng)，生成的一種黏合劑Na2SiO3使瓶塞和瓶口黏合在一起。 量筒、容量瓶、滴管上的刻線，就是用氫氟酸刻蝕上去的，SiO2是中學(xué)所學(xué)酸性氧化物中，唯一不溶于水的物質(zhì)。 例2．硅膠和石英的主要成分都是SiO2，前者是結(jié)構(gòu)疏松的SiO2，后者是結(jié)構(gòu)致密的SiO2。二者成分相同，結(jié)構(gòu)不同，化學(xué)性質(zhì)相同，物理性質(zhì)上表現(xiàn)出差別，具有不同的用途。由石英制取硅膠，經(jīng)歷以下三步，試寫出每步反應(yīng)的化學(xué)方程式（是離子反應(yīng)的，寫出離子方程式）。 （1）用NaOH（aq）溶解石英：_________________。 （2）過(guò)濾，向?yàn)V液中加入鹽酸，至沉淀不再產(chǎn)生：_________________。 （3）微熱，濃縮硅酸溶液，加熱蒸干溶液，并使固體完全分解：_________________。 寫出硅膠的一種用途：_________________。 解析：（1）石英主要成分是酸性氧化物SiO2，與堿反應(yīng)生成鹽和水： 2NaOH＋SiO2══Na2SiO3＋H2O （2）過(guò)濾，除去石英中的雜質(zhì)，得濾液為Na2SiO3（aq），硅酸是弱酸，Na2SiO3與鹽酸發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)： Na2SiO3＋2HCl══2NaCl＋H2SiO3↓ （3）微熱，H2SiO3（aq）濃縮，H2SiO3聚合為膠體，加熱硅酸溶膠脫水，生成多孔硅膠： H2SiO3H2O↑＋SiO2 硅膠的主要用途有兩個(gè)：作干燥劑或作催化劑的載體。 硅膠的制備過(guò)程： 石英（SiO2）Na2SiO3+H2SiO3硅膠（SiO2） 答案：（1）2OH－＋SiO2══＋H2O （2）＋2H＋══H2SiO3↓ （3）H2SiO3H2O↑＋SiO2干燥劑（或“催化劑載體”） 深化升華 此題的解題思路是，根據(jù)酸性氧化物（SiO2）的性質(zhì)與堿反應(yīng)生成鹽（Na2SiO3），鹽（Na2SiO3）與強(qiáng)酸反應(yīng)生成新的弱酸（H2SiO3），不溶于水的弱酸（H2SiO3）分解生成酸性氧化物（SiO2）。 例3．三硅酸鎂被用來(lái)治療胃酸過(guò)多的胃潰瘍，是因?yàn)樵撐镔|(zhì)不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。把三硅酸鎂Mg2Si3O8nH2O改寫成氧化物的形式為_(kāi)___________，它中和胃酸（HCl）的化學(xué)方程式是___________________。 解析：若直接寫Mg2Si3O8nH2O與HCl（aq）的反應(yīng)，則無(wú)從下手，先將Mg2Si3O8nH2O改寫成氧化物形式：2MgO3SiO2nH2O，再寫與HCl（aq）的反應(yīng)則較易。 答案：2MgO3SiO2nH2O 2MgO3SiO2nH2O＋4HCl══2MgCl2＋3SiO2＋（n＋2）H2O 深化升華 注意此處空半格硅酸鹽改寫成氧化物的形式，注意原子守恒和應(yīng)用化合價(jià)法則。 例4．下列說(shuō)法正確的是（　?。? A．硅是良好的半導(dǎo)體材料，能與鹽酸或氫氧化鈉溶液反應(yīng) B．二氧化硅不導(dǎo)電，能與鹽酸或氫氧化鈉溶液反應(yīng) C．硅酸具有多孔性結(jié)構(gòu)，可用作吸附劑或催化劑載體 D．二氧化硅是酸性氧化物，能與氫氟酸反應(yīng)，也能與氫氧化鈉溶液反應(yīng) 解析：逐項(xiàng)分析。硅與鹽酸不反應(yīng)，A選項(xiàng)不正確。二氧化硅與鹽酸也不反應(yīng)，B選項(xiàng)不正確。具有多孔結(jié)構(gòu)，用作吸附劑或催化劑載體的是硅膠，而非硅酸，C選項(xiàng)不正確。 SiO2＋4HF══SiF4↑＋2H2O 2NaOH＋SiO2══Na2SiO3＋H2O 答案：D 深化升華 根據(jù)硅、二氧化硅性質(zhì)逐項(xiàng)判斷解答，硅只與氫氟酸反應(yīng)。