学年高中化学 第4章 材料家族中的元素 第1节 硅 无机非金属材料教学案 鲁科版必.docx

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学年高中化学第4章材料家族中的元素第1节硅无机非金属材料教学案鲁科版必

第1节硅　无机非金属材料

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[课标要求]

1．了解硅的物理性质、化学性质。

2．了解二氧化硅的性质，认识硅、二氧化硅作为无机非金属材料的特性及其用途。

3．了解硅酸盐等无机非金属材料的基本组成、性能和用途。

1．硅元素在地壳中的含量仅次于氧，处于第二位。

2．单质硅用作半导体材料，二氧化硅用于制光导纤维。

3．晶体硅、二氧化硅均由原子直接构成。

4．二氧化硅是不溶于水也不与水反应的酸性氧化物。

5．传统无机非金属材料指玻璃、水泥、陶瓷等。

6．重要的化学方程式：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑（制粗硅）

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（雕刻玻璃）

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（贮存NaOH溶液，不能用磨口玻璃塞）

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑（工业制玻璃）

1．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，最早使用的半导体材料是锗，现在使用最广泛的半导体材料是硅。

2．硅元素的存在

在地壳里，硅的含量仅次于氧，全部以化合态存在，主要存在形式为二氧化硅和硅酸盐。

3．单质硅

（1）硅的同素异形体有：

晶体硅和无定形硅。

（2）物理性质：

晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。

（3）化学性质：

加热条件下与O2反应的化学方程式为Si＋O2

SiO2。

（4）制备：

用焦炭还原SiO2的化学方程式为2C＋SiO2

Si＋2CO↑。

（5）用途

①硅：

制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等。

②硅合金：

a．含硅4%的钢可制造变压器铁芯。

b．含硅15%左右的钢具有耐酸性，制耐酸设备。

[特别提醒]

（1）硅化学性质不活泼，但自然界中没有游离态的硅。

（2）非金属单质一般为非导体，但Si为半导体。

（3）Si的还原性强于C，但C能在高温下还原出Si：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑。

（4）非金属单质跟强碱溶液作用一般无H2放出，但Si能与强碱溶液反应放出H2：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

（5）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能与氢氟酸反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

1．判断正误。

（1）硅在自然界中以游离态和化合态形式存在（　　）

（2）单质硅性质很稳定，常温下不与任何物质反应（　　）

（3）地壳中含量第一和第二的两种元素的单质在加热条件下反应，故该反应吸热（　　）

（4）工业制粗硅的反应为SiO2＋C

Si＋CO2（　　）

（5）含硅15%的钢可以制造耐酸设备（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√

2．下列物质属于半导体材料的是（　　）

A．金刚石　　　　　　　　　B．晶体硅

C．石墨D．铁丝

解析：

选B　金刚石属于绝缘体，石墨和铁丝属于导体。

1．二氧化硅（SiO2）

（1）存在：

沙子、石英的主要成分，透明的石英晶体俗称水晶。

（2）结构：

由硅原子和氧原子构成。

（3）物理性质：

熔点高、硬度大、不溶于水。

（4）化学性质（用化学方程式填空）

[特别提醒]

（1）SiO2不溶于水，也不与水反应，不能直接将其与水反应来制取H2SiO3。

（2）非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的熔、沸点很高。

（3）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟氢氟酸反应。

2．光导纤维

（1）主要成分：

SiO2。

（2）用途：

光纤通讯、能量传输、信息处理。

1．判断正误。

（1）SiO2溶于H2O可得硅酸（H2SiO3）（　　）

（2）SiO2能与氢氟酸反应，说明SiO2是一种碱性氧化物（　　）

（3）1molSiO2中含有6.02×1023个SiO2分子（　　）

（4）不能用玻璃瓶盛放氢氟酸溶液（　　）

（5）SiO2与NaOH溶液反应的离子方程式为SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）√

2．下列关于SiO2和CO2的说法中，不正确的是（　　）

A．SiO2的沸点比CO2高

B．CO2与SiO2化学式虽然相似，但CO2与SiO2的物理性质有很大区别

C．CO2和SiO2均能和水反应生成相应的酸

D．CO2和SiO2均能与氢氧化钠溶液反应生成相应的盐和水

解析：

选C　由常温下二氧化硅为固体，而二氧化碳为气体，可知A项正确；由CO2与SiO2的状态可知B项正确；CO2可溶于水生成H2CO3，但SiO2不溶于水，C项错误。

1．硅酸盐

（1）物理通性：

性质稳定，熔点较高，大都难溶于水。

（2）表示方法

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Na2O·SiO2，长石（KAlSi3O8）可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

[特别提醒]

（1）用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时，各氧化物的排列顺序：

较活泼金属的氧化物→较不活泼金属的氧化物→二氧化硅→水。

（2）Na2SiO3水溶液俗称水玻璃，是一种常用矿物胶，在空气中露置易变质：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

2．无机非金属材料

（1）传统无机非金属材料——硅酸盐

①玻璃和水泥：

玻璃

水泥

原料

纯碱、石灰石、石英

黏土、石灰石

设备

玻璃熔炉

水泥回转窑

化学方

程式

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑

复杂的物理、化学变化

主要成分

Na2SiO3、CaSiO3、SiO2

硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙

主要性质

没有固定熔点

具有水硬性

　　②陶瓷：

a．生产原料：

黏土。

b．重要性质：

耐酸碱侵蚀。

（2）新型无机非金属材料

分类

实例

高温结构陶瓷

氮化硅（Si3N4）陶瓷、碳化硅（SiC）陶瓷等

生物陶瓷

氧化铝（Al2O3）陶瓷、氧化锆（ZrO2）陶瓷等

压电陶瓷

钛酸钡（BaTiO3）和钛酸铅（PbTiO3）等为主要成分

1．有下列物品或设备：

①陶瓷餐具　②砖瓦　③水泥路桥　④门窗玻璃　⑤水晶镜片　⑥石英钟表　⑦玛瑙手镯　⑧硅太阳能电池　⑨石英光导纤维　⑩计算机芯片。

（1）用到硅单质的是________________。

（2）所用材料为SiO2或用到SiO2的是__________________________________________。

（3）所用材料为硅酸盐的是________________。

答案：

（1）⑧⑩　

（2）④⑤⑥⑦⑨　（3）①②③④

2．氮化硅（Si3N4）是一种具有耐高温、耐腐蚀等优良性能的新型陶瓷材料，工业上可用以下方法制取Si3N4：

3SiO2＋6C＋2N2

Si3N4＋6CO。

下列说法正确的是（　　）

A．氮化硅陶瓷可用于制造汽车发动机

B．氮化硅陶瓷是良好的半导体材料

C．该反应中二氧化硅作氧化剂

D．该反应中氮化硅为氧化产物

解析：

选A　由题干可知氮化硅有耐高温、耐腐蚀等优良性能，所以氮化硅陶瓷可用于制造汽车发动机，A项正确；在题给反应中，Si和O的化合价在反应前后无变化，SiO2不是氧化剂，C项错误；N的化合价由0降为－3，故Si3N4为还原产物，D项错误。

[三级训练·节节过关]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．光导纤维的主要成分是（　　）

A．Si　　　　　　　　　　　B．SiO2

C．SiCD．Na2SiO3

解析：

选B　光导纤维的主要成分是SiO2。

2．赏心悦目的雕花玻璃是用下列物质中的一种对玻璃进行刻蚀而制成的。

这种物质是（　　）

A．盐酸B．氢氟酸

C．烧碱D．纯碱

解析：

选B　玻璃中的SiO2与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，因消耗SiO2而使玻璃受到腐蚀。

3．下列物质的变化，不能通过一步化学反应完成的是（　　）

A．CO2→H2CO3B．SiO2→Na2SiO3

C．SiO2→H2SiO3D．Na2O2→Na2CO3

解析：

选C　SiO2不能与水直接反应生成H2SiO3。

4．化学在生产生活和科学研究中具有重要作用。

下列说法正确的是（　　）

①硅石的主要成分是二氧化硅　②三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料　③嫦娥二号卫星上所用的太阳能电池采用硅材料制作，太阳能电池在生活中的应用有利于环保、节能　④二氧化硅的熔点高，硬度大，可用来制造电子部件和光学器件　⑤水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品

A．①②③B．②④⑤

C．③④⑤D．①②③④

解析：

选D　硅石的主要成分是SiO2；水泥属于传统无机非金属材料，主要成分为硅酸盐；太阳能电池的主要原料是硅；水晶项链的主要成分是SiO2，餐桌上的瓷盘是硅酸盐制品。

5．请选用提供的试剂和操作，除去下列各粉末状混合物或溶液中的杂质（括号内为杂质）。

（请将标号填在表内）

试剂：

A.盐酸　B．烧碱溶液　C．氧气　D．水　E．铁　F．不用其他试剂

操作：

①加热燃烧　②加热熔融　③高温加热　④过滤　⑤结晶

物质

试剂

操作

（1）Na2CO3（NaHCO3）

（2）SiO2（CaCO3）

（3）SiO2（Si）

（4）NaCl（SiO2）

（5）FeCl2溶液（FeCl3溶液）

（6）CuO（SiO2）

解析：

解答本题时需根据各组混合物的物理性质和化学性质选择正确的方法进行分离。

除杂的一般原则是：

①引入试剂一般只能与杂质反应；②后续试剂能除去过量的前一试剂；③不引入新的杂质；④杂质与试剂反应生成的物质易与被提纯物质进行分离；⑤尽可能将杂质转化为所需物质；⑥加入试剂的顺序要合理。

答案：

（1）F　③　

（2）A　④　（3）C　①　（4）D　④⑤　（5）E　④　（6）B　④

1．从现有的考古资料来看，中国原始陶器开始于距今七千年前。

时至今日陶瓷已广泛应用于人们的生活和生产中，下列不属于陶瓷制品的是（　　）

解析：

选C　C项试管的成分是玻璃而不是陶瓷。

2．下列试剂可用带玻璃塞的玻璃瓶存放的是（　　）

A．NaOH溶液　　　　　　　　　B．Na2SiO3溶液

C．盐酸D．氢氟酸

解析：

选C　玻璃中所含的SiO2能和NaOH溶液反应，Na2SiO3是一种黏合剂，能使瓶塞和瓶颈粘到一块而不能打开，氢氟酸能腐蚀玻璃。

3．下列物质：

①水；②氢氟酸；③烧碱溶液；④浓H2SO4；⑤氧化钙；⑥浓HNO3；⑦Na2CO3固体。

其中，在一定条件下能与SiO2反应的是（　　）

A．②③⑤⑦B．①③⑤⑦

C．①④⑥D．全部

解析：

选A　SiO2能与②、③、⑤、⑦分别发生如下反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O、SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O、SiO2＋CaO

CaSiO3、Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑。

4．久置在空气中不易变质的物质是（　　）

A．氢氧化钠固体B．硅酸钠

C．纯净的氯化钠D．漂白粉

解析：

选C　A项，氢氧化钠久置在空气中易潮解并吸收空气中的二氧化碳而变质；B项，硅酸钠久置在空气中易与二氧化碳、水反应生成硅酸而变质；D项，漂白粉久置在空气中易与二氧化碳、水反应生成易分解的次氯酸而失效；C项，纯净的氯化钠久置在空气中不易变质。

5．下列物质中，既能与氢氟酸反应，又能与氢氧化钠溶液反应的单质是（　　）

A．铁B．硅酸

C．硅D．二氧化硅

解析：

选C　A项，Fe与NaOH溶液不反应，错误；C项，硅可与氢氟酸和氢氧化钠溶液反应，C项正确；硅酸和二氧化硅是化合物，不是单质，B、D项错误。

6．用二氧化硅和金属氧化物形式表示硅酸盐的组成，不正确的是（　　）

A．钙沸石[Ca（Al2Si3O10·3H2O）]

CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O

B．镁橄榄石（Mg2SiO4）　2MgO·SiO2

C．正长石（KAlSi3O8）　K2O·Al2O3·3SiO2

D．硅酸钠[Na2SiO3]　Na2O·SiO2

解析：

选C　正长石（KAlSi3O8）的正确写法为K2O·Al2O3·6SiO2。

7．下列物质之间的转化不可以通过化合反应一步完成的是（　　）

A．SiO2→H2SiO3　　　　　　B．Fe→FeCl2

C．Cu→Cu2SD．Fe（OH）2→Fe（OH）3

解析：

选A　SiO2不溶于水；B、C、D均可以通过化合反应一步完成：

Fe＋2FeCl3===3FeCl2、2Cu＋S

Cu2S、4Fe（OH）2＋2H2O＋O2===4Fe（OH）3。

8．玻璃、水泥、陶瓷和砖瓦都是传统硅酸盐产品，下列关于它们的说法中不正确的是（　　）

A．制普通玻璃的基本原料是纯碱、石灰石和石英

B．制水泥的基本原料是石灰石和黏土

C．制陶瓷的基本原料是黏土

D．黑砖中三价铁元素的含量最高

解析：

选D　黏土中三价铁元素主要以氧化铁（红色）的形式存在，黑砖中铁元素主要以氧化亚铁（黑色）和四氧化三铁（黑色）的形式存在。

9．

（1）请用两种常见的不同方法来鉴别Na2CO3和SiO2两种固体：

①_____________________________________________________________；

②___________________________________________________________。

（2）已知硅酸是一种难溶于水的白色胶状固体，酸性：

H2SiO3＜H2CO3。

如何用最简单的方法来鉴别Na2CO3和Na2SiO3两种溶液？

答案：

（1）①焰色反应法：

焰色反应为黄色的是Na2CO3，余者为SiO2

②酸液产气法：

分别取少许待测粉末，滴加稀盐酸，有气泡出现的是Na2CO3；无明显现象的是SiO2。

Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑

③水溶法：

分别用小烧杯取少许待测粉末，加足量的水，固体溶解的是Na2CO3，不能溶解的是SiO2

（2）分别用两支小试管取少许待测液，向其中滴加稀盐酸，有气泡出现的是Na2CO3溶液；无气泡出现，有沉淀产生的是Na2SiO3溶液。

10．已知A是一种熔点很高的非金属单质，D是难溶性的白色沉淀，请根据以下关系图回答有关问题：

（1）A的名称为________，C的俗名为________。

（2）②的离子方程式为______________________________________________________，

⑤的化学方程式为________________________________________________________。

（3）D的摩尔质量为________，E的名称为________。

（4）已知：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑，这两个反应是否矛盾？

________（填“矛盾”或“不矛盾”），原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

由A是一种熔点很高的非金属单质，并结合关系图可推知A为Si，E是SiO2，D是H2SiO3，B是Na2SiO3，C是Na2CO3。

答案：

（1）硅　纯碱

（2）Si＋2OH－＋H2O===SiO

＋2H2↑

H2SiO3

SiO2＋H2O

（3）78g·mol－1　二氧化硅

（4）不矛盾　前者是在溶液中的反应，遵循“强酸制弱酸”的原理，而后者不是在溶液中的反应

1．能说明SiO2为酸性氧化物的事实为（　　）

A．SiO2与H2SO4、HNO3不反应

B．SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

C．SiO2＋2KOH===K2SiO3＋H2O

D．SiO2＋2C

Si＋2CO↑

解析：

选C　根据酸性氧化物是指与碱反应生成盐和水的氧化物，可知C项正确。

2．在一定条件下，下列物质与硅、二氧化硅均不反应的是（　　）

A．氢氟酸B．浓硫酸

C．烧碱D．氟气

解析：

选B　A项，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；C项，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；D项，Si＋2F2===SiF4。

3．一定条件下，下列物质与二氧化碳、二氧化硅均不反应的是（　　）

A．氧气B．氢氟酸

C．澄清石灰水D．碳

解析：

选A　B项，SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；C项，CO2＋Ca（OH）2===CaCO3↓＋H2O或2CO2＋Ca（OH）2===Ca（HCO3）2,Ca（OH）2＋SiO2===CaSiO3↓＋H2O；D项，CO2＋C

2CO，SiO2＋2C

Si＋2CO↑。

4．下列变化需加入氧化剂才能实现的是（　　）

A．SiO2→Na2SiO3B．SiO2→Si

C．Na2SiO3→H2SiO3D．Si→SiF4

解析：

选D　加入氧化剂实现的变化为氧化反应，即元素化合价升高的反应。

5．下表各组物质中，满足图中物质一步转化关系的选项是（　　）

选项

X

Y

Z

A

C

CO

CO2

B

Si

SiO2

H2SiO3

C

Na

NaOH

Na2CO3

D

Mg

MgSO4

Mg（OH）2

解析：

选A　C不完全燃烧得到CO，CO继续燃烧生成CO2，Mg在CO2中燃烧可得到C，A正确；B项，SiO2不能一步转化为H2SiO3，H2SiO3也不能一步转化为Si；C项，Na2CO3不能一步转化为Na；D项，Mg（OH）2不能一步转化为Mg。

6．下列离子方程式书写不正确的是（　　）

A．石英与烧碱溶液反应：

SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O

B．少量二氧化碳通入水玻璃中：

CO2＋SiO

＋H2O===CO

＋H2SiO3↓

C．二氧化硅和氢氟酸反应：

SiO2＋4H＋===Si4＋＋2H2O

D．向水玻璃中加入过量盐酸：

2H＋＋SiO

===H2SiO3↓

解析：

选C　由于SiF4为气体，氢氟酸为弱酸，在离子方程式中不能拆分，故二氧化硅和氢氟酸反应没有相应的离子方程式。

7．对于反应：

3C＋SiO2

SiC＋2CO↑，下列说法正确的是（　　）

A．C作还原剂，SiO2作氧化剂

B．每消耗3.6gC，可得到4.48LCO

C．氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2

D．每生成1molCO，转移的电子数为4NA

解析：

选C　该反应是一个氧化还原反应，其中C既作氧化剂也作还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2，A错误、C正确；由于没有指明气体所处的状态，B错误；该反应中每生成1molCO，转移的电子数为2NA，D错误。

8．现有一种粗硅，含有杂质铁，取等质量的粗硅样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等物质的量的H2，则下列表示该粗硅中铁和硅的量的关系正确的是（　　）

A．物质的量之比为1∶1B．物质的量之比为1∶2

C．质量之比为4∶1D．质量之比为2∶1

解析：

选C　粗硅与盐酸的反应是所含的Fe与盐酸的反应：

Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑，粗硅与碱液的反应是所含的硅与碱液的反应：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；因反应放出的H2的物质的量相等，故样品中Fe与Si的物质的量之比为2∶1，质量之比为4∶1。

9．晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：

①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅。

②粗硅与干燥的Cl2反应制得SiCl4：

Si＋2Cl2

SiCl4。

③SiCl4被过量的H2在1000℃～1100℃时还原制得纯硅。

某同学从资料中查知：

SiCl4的熔点为－70℃，沸点为57.6℃，其在潮湿的空气中能与水发生反应而变质。

该同学设计了以下制取纯硅的实验装置（热源及夹持装置略去）。

请回答下列问题：

（1）为使SiCl4从装置B中逸出与氢气混合，应采取的措施是________________________________________________________________________。

（2）盛放稀硫酸的仪器名称为________，装置A中发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________。

（3）装置C能否采用普通玻璃管？

________（选填“能”或“不能”），原因是________________________________________________________________________。

（4）已知SiCl4在潮湿的空气中能与水发生反应生成氯化氢，为防止空气污染，含有SiCl4的尾气要通入盛有____________溶液的烧杯中。

（5）为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度，还应对该装置进行的改进是________________________________________________。

解析：

解题过程中要充分利用题干所给信息，考虑装置的设计、优化应采取的措施。

（1）SiCl4的沸点较低（57.6℃），欲使其逸出烧瓶与装置C中的H2反应，需对装置B进行水浴加热。

（3）由于H2与SiCl4在1000℃～1100℃时反应制得纯硅，反应温度高，普通玻璃管在此温度下会软化，因此需要用石英管。

（5）为了防止装置A中的水蒸气进入装置B中，应在装置A、B之间加一干燥装置。

答案：

（1）对装置B进行水浴加热

（2）分液漏斗　Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

（3）不能　在1000℃～1100℃时普通玻璃管会软化

（4）NaOH

（5）在装置A与装置B之间连接一盛有浓硫酸的洗气瓶（或盛有碱石灰的干燥管）

10．将10.6g硅和过氧化钠固体的混合物加入水中，可发现剧烈反应且有气体产生，最终得到100mL只含一种溶质的澄清溶液。

问：

（1）混合物中m（Si）＝______g，n（Na2O2）＝______mol。

（2）固体混合物加入水中，所得气体在标准状况下的体积为________L。

（3）澄清溶液中溶质的物质的量浓度＝________mol·L－1　。

解析：

2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

根据题意，最终得到100mL只含一种溶质（Na2SiO3）的澄清溶液，故：

2Si～2Na2O2～

2Na2SiO3～4H2～O2，即硅和过氧化钠的物质的量相等，设均为xmol，则有28x＋78x＝10.6，解得x＝0.1；则n（Si）＝n（Na2O2）＝n（Na2SiO3）＝0.1mol，n（H2）＝0.2mol，n（O2）