高中化学 第四章 元素与材料世界 第1节 硅无机非金属材料学案（2）鲁科版必修1.doc

第1节 硅无机非金属材料知识巧学升华 一、无机非金属材料无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。材料品种示例传统无机非金属材料水泥和其他胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶瓷黏土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等玻璃硅酸盐、硼酸盐、氧化物、硫化物和卤素化合物玻璃等搪瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等多孔材料硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等非金属矿黏土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等新型无机非金属材料高频绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等光学材料钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等二、半导体材料与单质硅 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。 使用最早的半导体材料是锗（Ge）。使用最广泛的半导体材料是硅（Si）。 常见的半导体材料还有镓（Ga）、（Se）、砷化镓（GaAs）等。 2硅 （1）硅的存在 自然界中无天然存在的硅单质，硅元素通常存在于SiO2和硅酸盐中。硅单质都是人工制得的。 硅 （2）硅的物理性质 晶体硅是灰黑色，有金属光泽、硬而脆的固体。 记忆要诀 金属光泽灰黑硅，半导材料硬而脆。 （3）硅的化学性质 常温下，Si的化学性质不活泼，常温下，Si跟强酸不反应。但能发生下列反应： Si+2F2SiF4 Si+4HFSiF4+2H2 Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2 加热条件下，Si能跟某些非金属反应： Si+O2SiO2 Si+2Cl2SiCl4常温下，SiF4是气体，SiCl4是液体，SiO2是固体。 （4）硅的制取 SiO2+2CSi（粗）+2CO Si（粗）+2Cl2SiCl4 SiCl4+2H2Si（纯）+4HCl （5）硅的用途 硅 三、二氧化硅和光导纤维 1SiO2的物理性质和结构 SiO2熔点高、硬度大。透明的石英晶体就是水晶，常用来制造电子部件和光学仪器。 要点提示 SiO2广泛存在于自然界中，沙子、石英的主要成分都是SiO2。 2SiO2的结构 SiO2晶体是由Si原子和O原子构成的。每个O原子周围连接着2个Si原子，成直线型。每个Si原子周围连接着4个O原子，构成以Si原子为中心的正四面体型，4个O原子分别位于正四面体的4个顶点上（虚线示型）： 每个Si原子通过O原子与周围的4个Si原子连接着，形成1个大的正四面体（虚线示型）： 每个最小的SiO原子环上有12个原子（6个Si原子和6个O原子），该SiO原子环上的原子不在同一平面上。 要点提示 注意此处空半格去掉SiO2晶体中的O原子，所得即为Si晶体；将Si晶体中的Si原子看作C原子，所得即为金刚石晶体。 3SiO2的化学性质 （1）SiO2具有酸性氧化物的通性，是H2SiO3的酸酐硅酐。 跟碱反应生成盐和水： 2NaOH+SiO2Na2SiO3+H2O 玻璃中含有SiO2，但光滑的玻璃与NaOH不反应，而磨砂的玻璃能与NaOH（aq）等碱溶液反应。 跟碱性氧化物反应生成盐：CaO+SiO2高温CaSiO3， （2OH+SiO2+H2O） （2）SiO2的特性 SiO2能跟氢氟酸反应：SiO2+4HFSiF4+2H2O SiO2不溶于水，也不跟水反应： H2O+SiO2H2SiO3（） 4SiO2的用途 SiO2 5二氧化碳和二氧化硅的比较酸性氧化物构成物理性质化学性质CO2CO2分子气体熔沸点低，溶于水酸性氧化物与H2O反应生成碳酸SiO2硅原子，氧原子，无SiO2分子固体熔沸点高；硬度大，不溶于水酸性氧化物不与H2O反应，能与氢氟酸反应 四、硅酸盐与无机非金属材料 1硅酸盐的表示方法 硅酸盐通常表示为氧化物形式：金属氧化物非金属氧化物水。金属性活泼的元素的氧化物要排在前面。 2玻璃 （1）生产普通玻璃的主要原料：纯碱、石灰石和石英。 （2）生产普通玻璃的主要反应原理： 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 有色玻璃：a蓝色玻璃：普通玻璃中加入了Co2O3。b红色玻璃：普通玻璃中加入了Cu2O。 变色玻璃：普通玻璃中加入了AgI、AgBr等。 光学玻璃：普通玻璃中加入了PbO2。 钢化玻璃：经普通玻璃熔化后快速冷却制成。 石英玻璃：石英熔化制成。 3水泥 (1)水泥的特性水硬性 水泥跟水掺和搅拌、静置后变硬的特性。 水泥的水硬性是化学性质，发生的变化属于化学变化。 (2)生产普通水泥的原料： 主要原料：黏土和石灰石。 辅料：石膏调节水泥硬化速率。 普通水泥的主要成分：硅酸三钙（3CaOSiO2）、硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaOAl2O3）等。 水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物。 混凝土和钢筋混凝土 水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用钢筋做结构，这就是我们常说的钢筋混凝土结构。 4陶瓷 （1）传统陶瓷 传统陶瓷 （2）新型陶瓷 新型陶瓷 问题思路探究 问题 有下列几种说法，请大家讨论一下是否正确。 （1）金属氧化物一定是碱性氧化物。 （2）非金属氧化物一定是酸性氧化物。 （3）碱性氧化物不能与碱发生反应。 （4）碱性氧化物放入碱溶液中不会发生反应。 （5）酸性氧化物不能与酸发生反应。 （6）酸性氧化物在酸溶液中不会发生反应。 思路:本题是一组基本概念的辨析，它对金属氧化物、碱性氧化物、非金属氧化物、酸性氧化物的定义及相互关系的理解能有所帮助。解答此类问题的关键是要掌握一些特殊的物质，如氧化铝是金属氧化物但不是碱性氧化物。 探究:（1）金属氧化物不一定是碱性氧化物，如Al2O3是两性氧化物。 （2）非金属氧化物不一定是酸性氧化物，如CO、NO，没有对应的水合物，它们被称为不成盐氧化物。 （3）碱性氧化物不能与碱发生反应。 （4）碱性氧化物放入碱溶液中可以与水发生反应，如：Na2OH2O2NaOH，CaOH2OCa（OH）2。 （5）有的酸性氧化物可以与酸发生反应，如：SiO24HFSiF4+2H2O。 （6）酸性氧化物在酸溶液中有的可以发生反应，有的不能发生反应。如SiO2在盐酸中不能发生反应，而SO3在硫酸中却可以发生反应：SO3H2OH2SO4。典题热题新题 例1实验室贮存固体试剂可以放在广口瓶中，液体试剂放在细口瓶中，但有些试剂必须贮存在具有橡皮塞的玻璃试剂瓶中。以下物质必须贮存在具有橡皮塞的玻璃试剂瓶中的是_。 KOH溶液饱和Na2CO3溶液（碱性溶液）盐酸水玻璃氟气氢氟酸澄清石灰水硝酸NaOH溶液 解析：本题考查二氧化硅的化学性质。二氧化硅是酸性氧化物，能与碱发生反应。若用玻璃塞的试剂瓶盛碱性溶液，SiO2与碱反应，生成的硅酸盐能黏住瓶塞而不易打开。SiO2不能与水和酸反应。但氢氟酸腐蚀玻璃，不能用玻璃试剂瓶盛装。 答案： 深化升华 H2SiO3（硅酸）-H2OSiO2（硅酐），可用玻璃瓶盛装碱性液体，但不能盖磨砂玻璃塞，以防SiO2与NaOH（aq）等反应，生成的一种黏合剂Na2SiO3使瓶塞和瓶口黏合在一起。 量筒、容量瓶、滴管上的刻线，就是用氢氟酸刻蚀上去的，SiO2是中学所学酸性氧化物中，唯一不溶于水的物质。 例2硅胶和石英的主要成分都是SiO2，前者是结构疏松的SiO2，后者是结构致密的SiO2。二者成分相同，结构不同，化学性质相同，物理性质上表现出差别，具有不同的用途。由石英制取硅胶，经历以下三步，试写出每步反应的化学方程式（是离子反应的，写出离子方程式）。 （1）用NaOH（aq）溶解石英：_。 （2）过滤，向滤液中加入盐酸，至沉淀不再产生：_。 （3）微热，浓缩硅酸溶液，加热蒸干溶液，并使固体完全分解：_。 写出硅胶的一种用途：_。 解析：（1）石英主要成分是酸性氧化物SiO2，与碱反应生成盐和水： 2NaOHSiO2Na2SiO3H2O （2）过滤，除去石英中的杂质，得滤液为Na2SiO3（aq），硅酸是弱酸，Na2SiO3与盐酸发生复分解反应： Na2SiO32HCl2NaClH2SiO3 （3）微热，H2SiO3（aq）浓缩，H2SiO3聚合为胶体，加热硅酸溶胶脱水，生成多孔硅胶： H2SiO3H2OSiO2 硅胶的主要用途有两个：作干燥剂或作催化剂的载体。 硅胶的制备过程： 石英（SiO2）Na2SiO3+H2SiO3硅胶（SiO2） 答案：（1）2OHSiO2H2O （2）2HH2SiO3 （3）H2SiO3H2OSiO2干燥剂（或“催化剂载体”） 深化升华 此题的解题思路是，根据酸性氧化物（SiO2）的性质与碱反应生成盐（Na2SiO3），盐（Na2SiO3）与强酸反应生成新的弱酸（H2SiO3），不溶于水的弱酸（H2SiO3）分解生成酸性氧化物（SiO2）。 例3三硅酸镁被用来治疗胃酸过多的胃溃疡，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。把三硅酸镁Mg2Si3O8nH2O改写成氧化物的形式为_，它中和胃酸（HCl）的化学方程式是_。 解析：若直接写Mg2Si3O8nH2O与HCl（aq）的反应，则无从下手，先将Mg2Si3O8nH2O改写成氧化物形式：2MgO3SiO2nH2O，再写与HCl（aq）的反应则较易。 答案：2MgO3SiO2nH2O 2MgO3SiO2nH2O4HCl2MgCl23SiO2（n2）H2O 深化升华 注意此处空半格硅酸盐改写成氧化物的形式，注意原子守恒和应用化合价法则。 例4下列说法正确的是（） A硅是良好的半导体材料，能与盐酸或氢氧化钠溶液反应 B二氧化硅不导电，能与盐酸或氢氧化钠溶液反应 C硅酸具有多孔性结构，可用作吸附剂或催化剂载体 D二氧化硅是酸性氧化物，能与氢氟酸反应，也能与氢氧化钠溶液反应 解析：逐项分析。硅与盐酸不反应，A选项不正确。二氧化硅与盐酸也不反应，B选项不正确。具有多孔结构，用作吸附剂或催化剂载体的是硅胶，而非硅酸，C选项不正确。 SiO24HFSiF42H2O 2NaOHSiO2Na2SiO3H2O 答案：D深化升华 根据硅、二氧化硅性质逐项判断解答，硅只与氢氟酸反应。