2018年高中化學(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 魯科版必修1.doc

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第4章 第1節(jié) 硅 無(wú)機(jī)非金屬材料 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容： 第4章 第1節(jié) 硅 無(wú)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(huì)物質(zhì)的性質(zhì)與材料性能的密切關(guān)系。 3、認(rèn)識(shí)新材料的開(kāi)發(fā)對(duì)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(shí)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(jià)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(chǔ)量豐富。常見(jiàn)的有晶體硅和無(wú)定形硅等形式存在。 2、單質(zhì)硅 （1）物理性質(zhì)：?jiǎn)钨|(zhì)硅有晶體硅和無(wú)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(shí)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(méi)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(lái)制造集成電路，太陽(yáng)能電池，硅整流器等。硅合金可用來(lái)制造變壓器鐵芯，耐酸設(shè)備等。 思考：判斷下列說(shuō)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?jī)H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(jiàn)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(wú)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(lái)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(cè)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(hào)和圖像信號(hào)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(wú)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(jiàn)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(wú)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(jiǎn)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(zhǎng)石(2KAlSi3O8 ) K2OAl2O36SiO2 說(shuō)明：用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成時(shí)，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(wú)機(jī)非金屬材料 （1）傳統(tǒng)無(wú)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(guò)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：Na2OCaO6SiO2。 主要性質(zhì)：硬而脆，受熱時(shí)在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，沒(méi)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（3CaOSiO2），硅酸二鈣（2CaOSiO2）和鋁酸三鈣（3CaOAl2O3）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(shuō)的鋼筋混凝土。 （2）新型無(wú)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(dòng)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(wú)毒，不溶于水，對(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào) 聲吶系統(tǒng)、氣象檢測(cè)、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(píng)：本題綜合考查了鐵、硅的性質(zhì)，是定性分析與簡(jiǎn)單定量計(jì)算相結(jié)合的，解題要注意書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式的準(zhǔn)確性。 例2. 下列說(shuō)法不正確的是（ ） A. 因?yàn)镾iO2 不溶于水，故H2SiO3不是SiO2 對(duì)應(yīng)的酸或者說(shuō)SiO2 不是H2SiO3 對(duì)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(lái)盛氫氟酸 答案： A 解析：SiO2 中 Si 呈＋4價(jià)， H2SiO3中Si為＋4價(jià)，且 H2SiO3（加熱）＝ SiO2 ＋ H2O ,故A項(xiàng)錯(cuò)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(píng)：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(píng)：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(shí)，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(lái)治療胃潰瘍病患者的胃酸過(guò)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 ： Mg2Si3O8nH2O。 （1）用氧化物的形式表示三硅酸鎂的化學(xué)式。 （2）寫(xiě)出該藥物中和胃酸的化學(xué)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(shí)候，應(yīng)注意書(shū)寫(xiě)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(wèn)若直接寫(xiě)三硅酸鎂與鹽酸反應(yīng)，許多同學(xué)會(huì)感到無(wú)從下手。應(yīng)從氧化物形式書(shū)寫(xiě)。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(xiě)出正確的方程式。 評(píng)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(gè)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)本題也涉及硅酸鹽在生活中的應(yīng)用。解題時(shí)應(yīng)注意只有堿性氧化物才能與酸反應(yīng)生成鹽和水。