高三化学一轮复习 4_1 无机非金属材料的主角-硅教学设计

第四章 非金属及其化合物第一课时 无机非金属材料的主角硅复习目标（1）掌握碳、硅及其化合物的性质、转化关系以及应用。（2）了解硅酸盐工业、常见无机非金属材料的性质和用途，新型无机非金属材料的特性及其应用。（3）以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。（4）了解C、Si单质及其重要化合物对环境的影响。教学重点碳、硅及其化合物的性质、转化关系以及应用、常见无机非金属材料的性质和用途教学难点以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用教学过程【知识精讲】1、碳、硅元素及单质（1）存在形态自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。（2）单质的结构、物理性质与用途比较碳硅结构金刚石：空间网状结构石墨：层状结构晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构物理性质金刚石熔点高、硬度大石墨熔点高、质软，有滑腻感晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高用途金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池（3）碳、硅单质的化学性质碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。C Si （4）硅的工业制法制取粗硅工业上，用焦炭在电炉中还原二氧化硅得到含有少量杂质的粗硅。SiO22CSi2CO粗硅提纯a、Si2Cl2SiCl4SiCl42H2Si4HClb、Si3HCl SiHCl3H2SiHCl3H2 Si3HCl注意问题a、用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。b、粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中也含CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。2、CO2和SiO2的比较物质二氧化硅二氧化碳结构立体网状结构，不存在单个分子存在单个CO2分子主要物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水化 学 性 质与水反应不反应CO2H2OH2CO3与酸反应只与氢氟酸反应：SiO24HF=SiF42H2O不反应与碱反应SiO22NaOH=Na2SiO3H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)O2少量：CO22NaOH=Na2CO3H2O、CO2过量：CO2NaOH=NaHCO3与盐反应如与Na2CO3反应：SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2如与Na2SiO3反应：Na2SiO3H2OCO2(不足)=H2SiO3Na2CO3或Na2SiO32H2O2CO2(足量)=H2SiO32NaHCO3与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2CaOCaSiO3如与Na2O反应：Na2OCO2=Na2CO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件制饮料、制碳酸盐3、硅酸（1）溶解性：溶解度很小。（2）化学性质弱酸性：酸性比碳酸还弱。Na2SiO3CO2+H2O=Na2CO3H2SiO3 。硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3SiO2H2O。硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO32NaOH=Na2SiO32H2O。硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。（3）制备：可用硅酸钠与盐酸反应制得：Na2SiO32HCl=2NaClH2SiO34、硅酸盐（1）硅酸盐：是由 硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的重要成分。（2）硅酸钠：硅酸钠的水溶液俗称 水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。它能与酸性比硅酸强的酸反应，分别写出以下化学方程式：与盐酸反应：Na2SiO32HCl=2NaClH2SiO3。与CO2水溶液反应：Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3。用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。（3）硅酸盐组成的表示通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成：如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为 Na2OSiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为：K2OAl2O36SiO2 。用氧化物形式表示硅酸盐的注意事项氧化物的顺序：活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水。氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。氧化物之间以“”隔开；系数配置出现分数应化为整数。例如：长石：KAlSi3O8不能写成 K2OAl2O33SiO2，应写成K2OAl2O36SiO2。5、无机非金属材料传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。（1）普通玻璃 主要原料： 纯碱、石灰石、石英。主要设备： 玻璃熔炉 主要成分： Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2 。玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2；CaCO3SiO2CaSiO3CO2。（2）普通硅酸盐水泥主要原料： 石灰石 、 黏土 。主要设备： 水泥回转窑主要成分（写出名称和化学式）： 硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)（3）陶瓷 主要原料： 黏土主要设备： 陶瓷窑（4）新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。【方法精讲】1、碳、硅及其化合物的特性及应用（1）熔沸点一般情况下，非金属单质熔沸点低，硬度小，但硅、金刚石熔沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质，所以可用金刚石制作钻头和切割工具。（2）导电性一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体，所以晶体硅可作半导体材料，石墨可作电极。（3）SiO2作为酸性氧化物的特性一般情况下，只有碱性氧化物与酸反应，酸性氧化物只与碱反应，不与酸反应，但SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO24HF=SiF42H2O，所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸，可以用氢氟酸刻蚀玻璃。一般情况下，酸性氧化物与水反应均能生成相应的酸，如SO2H2OH2SO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。（4）碳与水的反应一般情况下，只有活泼金属（K、Na、Fe等）才能够置换出水中的氢，但碳单质却能与水蒸气反应：CH2O（g）COH2，所以工业上用焦炭制取水煤气或氢气。（5）硅酸和硅酸盐的溶解性一般情况下，大多数酸均可溶于水，如盐酸、醋酸、碳酸，但硅酸不溶于水。硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是Na2SiO3，其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。2、CO2的相关性质（1）二氧化碳与弱酸盐溶液反应（强酸制弱酸）碳酸酸性比硅酸、次氯酸、苯酚、偏铝酸等强，将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、NaAlO2盐溶液中，均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸(氢)盐，这是“强酸制弱酸”原理的应用。如：CO2CO2Na2SiO3H2O=Na2CO3H2SiO3(或CO2Na2SiO32H2O=H4SiO4Na2CO3)CO2Ca(ClO)2H2O=CaCO32HClOCO2H2ONaHCO3CO2(过量)NaAlO22H2O=Al(OH)3NaHCO3CO2(少量)2NaAlO23H2O=2Al(OH)3Na2CO3【易错警示】CO2通入CaCl2或BaCl2溶液不会产生白色沉淀，因为碳酸的酸性弱于盐酸。（2）二氧化碳反应先后关系当有多种组分与一种物质反应时，判断反应顺序的方法：先假设与其中的一种组分反应，若产物还能与另一种组分反应，则假设错误。如将CO2通入KOH、Ba(OH)2混合溶液中，假设CO2先与KOH反应，则生成的K2CO3会与Ba(OH)2继续反应生成BaCO3，故假设错误，应该是CO2先与Ba(OH)2反应。（3）CO2与碱反应产物的定量判断CO2通入NaOH、Ca(OH)2等强碱溶液的反应与CO2气体的通入量有关，当CO2通入少量时生成碳酸盐，当CO2通入过量时生成碳酸氢盐；当CO2的通入量介于两者之间时，既有正盐又有酸式盐生成，因此推断时一定要注意CO2与碱之间量的关系。以CO2与NaOH溶液反应为例：CO22NaOH=Na2CO3H2OCO2NaOH=NaHCO3当n(OH)n(CO2)的值不同时产物如下：3、碳、硅及其化合物之间综合转化关系（1）知识网络碳及其化合物的转化关系图硅及其化合物的转化关系图（2）推断中常用题眼解答硅及其化合物的推断题，高温反应条件、特征反应、单质与碱反应、盐溶液与过量盐酸反应产生白色沉淀等往往是推断题的“突破口”。 【典例精讲】【例1】下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是 （ ）硅是构成一些岩石和矿物的基本元素水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料A B C D【答案】C【解析】硅在自然界中以硅酸盐和二氧化硅的形式存在，构成岩石和矿物的基本元素，故正确；水晶成分是二氧化硅，不属于硅酸盐，故错误； 光导纤维的成分是二氧化硅，故错误；陶瓷是人类应用很早饿硅酸盐材料，故正确；因此选项C正确。【例2】在下列各溶液中逐渐通入CO2气体直至过量，会出现先沉淀后消失现象的是 （ ）饱和Na2CO3溶液 澄清石灰水 Ca（ClO）2溶液CaCl2溶液 Na2SiO3溶液 NaAlO2溶液A只有 B只有 C除 D全部【答案】A【解析】饱和碳酸钠与二氧化碳反应生成碳酸氢钠，出现浑浊，不能消失，错误；氢氧化钙和二氧化碳反应先生成碳酸钙沉淀，后转化为碳酸氢钙，沉淀消失，正确；次氯酸钙和二氧化碳反应先生成碳酸钙沉淀和次氯酸，后碳酸钙转化为碳酸氢钙，沉淀消失，正确；氯化钙和二氧化碳不反应，错误；硅酸钠和二氧化碳反应生成硅酸沉淀，沉淀不溶解，错误；偏铝酸钠和二氧化碳反应生成氢氧化铝沉淀，沉淀不溶于二氧化碳，错误。所以选A。【考题精练】1下列有关物质的性质或应用的说法不正确的是 （ ）A二氧化硅是生产光纤制品的基本原料B水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂CNa2O、Na2O2与CO2反应产物相同DSiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应【答案】C【解析】A、光导纤维的主要成分为二氧化硅，正确，不选A；B、水玻璃有黏性和耐火性，正确，不选B；C、氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠，过氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，二者产物不同，选C；D、二氧化硅是酸性氧化物，能和氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，正确，不选D。2下列说法：硅的化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在；硅和二氧化硅晶体都是由原子构成的；二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大的差异；二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应。正确的是 （ ）A B C D 【答案】D【解析】硅是亲氧元素，在自然界中以化合态形式存在，错误；硅和二氧化硅晶体都是由原子构成的，正确；二氧化硅是原子晶体，二氧化碳是分子晶体，所以二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别，正确；二氧化硅可与氢氟酸发生反应生成四氟化硅气体，错误。答案选C。