鲁科版必修1 第4章第1节硅无机非金属材料 学案.doc

第1节硅无机非金属材料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。半导体材料是信息材料之一，能高速处理信息。最早使用的半导体材料是锗，但因其含量低，提炼工艺复杂，价格昂贵，而不适合广泛使用。目前广泛使用的半导体材料是硅元素，在地壳中含量居第二位，该元素全部以化合态存在于自然界中，储量丰富。【例1】 下列物质中导电性介于导体和绝缘体之间的是()晶体硅金属铝石墨晶体锗金刚石a只有b只有c和 d和解析：铝、石墨是良好的导体，金刚石不导电。答案：d2单质硅(1)硅的存在在地壳中，硅的含量在所有元素中居第二位，仅次于氧。在自然界中没有游离态的硅，硅元素全部以化合态存在，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，它们广泛存在于地壳的各种矿物和岩石里，所以硅是组成矿物、岩石的主要元素。(2)硅的物理性质单质硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，它的晶体结构类似于金刚石，熔点、沸点都很高，硬度较大，是良好的半导体材料。(3)硅的化学性质在常温下，硅的化学性质不活泼，不与o2、cl2、h2so4、hno3等发生反应，但能与氟气、氢氟酸和强碱反应。例如：与氟气反应： si2f2=sif4与氢氟酸反应：si4hf=sif4 2h2与强碱(如氢氧化钠)溶液反应：si2naohh2o=na2sio3 2h2在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。如研细的硅能在氧气中燃烧：sio2sio2。 在以上反应中，硅主要体现还原性。硅之所以能应用于计算机领域，一方面是由于它是良好的半导体材料，另一方面就是它化学性质稳定。(4)硅的制备由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料高纯硅。制粗硅：sio22csi(粗)2co 制高纯硅： si(粗)2cl2sicl4sicl42h2si(纯)4hcl(5)硅的用途硅的用途广泛，作为良好的半导体材料，可用来制造晶体管、集成电路、太阳能电池、硅整流器等。硅的合金用途也很广，如含硅4%的钢可用来制造变压器铁芯；含硅15%左右的钢可用来制造耐酸设备等；人工合成的硅橡胶既耐高温又耐低温。【例2】 下列有关硅的叙述中，正确的是()a硅只有在高温下才能跟氢气起化合反应b硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位c硅的化学性质不活泼，在常温下不与任何物质反应d硅在电子工业中，是最重要的半导体材料解析：a因为硅的化学性质稳定，常温下除了少数物质外，它不易与其他物质如氢气、氧气、氯气等反应b氧元素在地壳中的含量居第一位c硅的化学性质不活泼，常温下不与o2、cl2、h2so4、hno3等发生反应，但能与氟气、氢氟酸和强碱反应d硅是常温下化学性质稳定的半导体材料，广泛应用于计算机技术领域答案：ad3二氧化硅与光导纤维(1)存在：二氧化硅广泛存在于自然界中，水晶、沙子、石英等物质的主要成分均为二氧化硅。(2)结构：二氧化硅晶体中不存在单个的sio2分子，而是si原子和o原子按12的比例构成的立体网状结构。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,4个o原子分别位于正四面体的4个顶点上。(3)二氧化硅的物理性质纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。(4)二氧化硅的化学性质二氧化硅和二氧化碳一样是一种酸性氧化物，因而具有酸性氧化物的通性。a常温时可以与碱溶液缓慢反应生成盐和水：sio2 2naoh=na2sio3h2o析规律 naoh溶液的存放：盛装naoh溶液不能用带玻璃塞的试剂瓶，应用带橡胶塞的试剂瓶。因为玻璃的主要成分之一是sio2，玻璃塞磨口处的sio2会与naoh溶液反应生成na2sio3，na2sio3是一种无机矿物胶，会将试剂瓶口和瓶塞黏结在一起，使试剂瓶无法打开，所以盛装naoh溶液的试剂瓶必须用橡胶塞，而不能用玻璃塞。b在高温下可与碱性氧化物反应生成盐：sio2caocasio3 二氧化硅中的硅为4价，具有弱的氧化性，如在高温时，二氧化硅中的硅可以被碳置换出来：sio22csi2co。特性a二氧化硅在常温下能与氢氟酸反应：sio24hf=sif42h2o 释疑点 玻璃雕刻：玻璃的成分中含有sio2，所以sio2与氢氟酸反应常被用来刻蚀玻璃，因而氢氟酸不能用玻璃瓶盛放，可以放在塑料瓶或铅制器皿中。b在高温条件下，sio2能与某些盐反应：如sio2 na2co3na2sio3co2 sio2 caco3casio3co2(5)二氧化硅的用途二氧化硅可用于制作石英表的压电材料和制造石英玻璃。水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等。二氧化硅用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维，简称“光纤”。光导纤维是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的细丝。作为通讯材料，光纤光缆与普通电缆相比具有如下优点：a信息容量大，一条光缆通路可同时容纳10亿人通话，也可同时传送多套电视节目。b光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听。c光缆质量小而且细，不怕腐蚀，铺设方便。d光纤通信损耗低，适合远距离信息传输。光导纤维除用于通讯外，还可用于能量传输、信息处理、遥测遥控和医疗器械(如光导纤维内窥镜)制造等方面。【例3】 指出下列反应中二氧化硅所表现的化学性质或作用，在ae选项中选择正确答案填入括号内。2naohsio2=na2sio3h2o()sio22csi2co()sio23csic2co()sio24hf=sif42h2o()sio2na2co3na2sio3co2()a作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被刻蚀b氧化性c酸性氧化物的通性d将挥发性酸酐从其盐中置换出来e未参加氧化还原反应解析：本题较全面地考查sio2的性质。naoh与sio2反应生成na2sio3和h2o体现的是sio2作为酸性氧化物的性质；在本反应中，c做还原剂，sio2做氧化剂，表现出弱氧化性；本反应是氧化还原反应，通过各元素化合价在反应前后的变化情况可确定，c既是氧化剂，又是还原剂；在常温下，sio2可以和氢氟酸反应生成挥发性的sif4，可利用此反应雕刻玻璃；是sio2特殊性质的一个表现，在高温下可以和某些盐反应。答案：cbead4.硅酸盐(1)硅酸盐在自然界的存在硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，黏土的主要成分也是硅酸盐。常见的黏土有高岭土和一般黏土，前者含杂质较少，后者含杂质较多。(2)硅酸盐组成的表示方法硅酸盐的种类很多，结构复杂，无论是天然的还是人工制成的硅酸盐，其组成的表示方法有两种。盐表示法：一般用于组成较简单的硅酸盐。如：硅酸钠 na2sio3；硅酸钙casio3。氧化物法：常用的表示方法。 如：镁橄榄石(mg2sio4)2mgosio2高岭石al2(si2o5)(oh)4al2o32sio22h2o正长石(2kalsi3o8 )k2oal2o36sio2说明：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为：较活泼金属氧化物 较不活泼金属氧化物二氧化硅水(没有水就不写)；氧化物之间以“”隔开。辨误区 剖析硅酸盐的组成：由于大多数硅酸盐的组成结构比较复杂，为了简化对硅酸盐组成的表示方法，采用了氧化物法。实际上硅酸盐不是以简单氧化物的形式存在的，而是以各种复杂的盐的形式存在的。(3)硅酸盐的主要性质及其用途多数硅酸盐是难溶于水的，常见易溶于水的硅酸盐有na2sio3 、k2sio3、(nh4)2sio3。一般硅酸盐的熔点高，化学性质稳定，耐高温，难分解。硅酸：硅酸酸性很弱，而且不溶于水，由硅酸盐跟较强酸反应得到硅酸。如：na2sio32hcl=h2sio32naclna2sio3h2oco2=h2sio3na2co3 释疑点 硅酸的制备：由于二氧化硅既不溶于水也不与水反应，所以不能用sio2和水直接反应来制取硅酸，而是利用na2sio3与酸反应来制取硅酸。硅酸钠硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，是最常见的可溶性硅酸盐，它是一种矿物胶，具有黏合性。硅酸钠的用途广泛。水玻璃可用作建筑、纸张的黏合剂，木材、织物的防腐剂、防火剂等。【例4】 硅酸钠的水溶液俗称水玻璃。下列关于水玻璃的说法正确的是() a水玻璃是一种纯净物 b滴有酚酞试液的水玻璃呈红色，说明水玻璃与食盐水一样呈中性c水玻璃可作木材防火剂d水玻璃跟盐酸反应所得的白色胶状沉淀是二氧化硅解析：水玻璃是硅酸钠的水溶液，是混合物。答案：c5无机非金属材料无机非金属材料是相对于由有机物组成的材料而言的，由硅酸盐组成的材料属于典型的无机非金属材料。以含硅物质为原料经过加热制成的产品，称为硅酸盐材料，我们生活中经常接触的玻璃、水泥、陶瓷是常见的硅酸盐材料。水泥、玻璃、陶瓷生产情况的比较水泥玻璃陶瓷主要原料石灰石、黏土、石膏纯碱、石灰石、石英黏土生产原料(磨细)生料(煅烧)熟料(加入石膏粉)成品原料(粉碎)按比例混合(加强热)熔化(加添加剂)成品sio2na2co3na2sio3co2sio2caco3casio3co2混合成型干燥烧结冷却主要成分及种类硅酸三钙(3caosio2)、硅酸二钙(2caosio2)、铝酸三钙(3caoal2o3)普通玻璃(na2sio3、casio3、sio2)石英玻璃、光学玻璃、钢化玻璃、有色玻璃、玻璃纤维土器、陶器、瓷器主要性能水硬性(与水掺和搅拌后凝固变硬)，不可逆过程玻璃态物质，无固定的熔沸点，在一定温度范围内熔化耐氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘典型设备回转窑玻璃窑陶瓷窑共同特点高温条件下发生复杂的物理化学变化，冷却后成为成分复杂的硅酸盐(1)水泥中加石膏的目的是调节水泥硬化速率，调节则有加快、减慢的意思。(2)玻璃不是晶体，是一种玻璃态物质。(3)玻璃、水泥、陶瓷都是混合物，没有固定的熔、沸点。【例5】 下列说法中，正确的是()a制取水泥和玻璃的原料中都含有石灰石b普通玻璃是电的绝缘体，这种透明的固体物质属于晶体c石英玻璃能经受温度剧变且抵抗酸碱的腐蚀d硅酸盐可用氧化物表示其组成，这表明硅酸盐是由氧化物组成的解析：a制造水泥的主要原料是石灰石和黏土，制玻璃的主要原料是石灰石、纯碱和石英，二者都用到了石灰石b玻璃是混合物，不是晶体c石英玻璃的主要成分是二氧化硅，它能与氢氟酸和强碱反应d硅酸盐由于其成分复杂，多用氧化物的形式表示其组成，但应注意硅酸盐不是由氧化物组成的答案：a6硅及其化合物的特性(1)si在低温时还原性比c强，而c在高温下能从sio2中还原出si：sio22csi2co(2)非金属单质与强碱溶液反应一般不生成h2，而si与naoh等强碱溶液反应产生h2：si2naohh2o=na2sio32h2(3)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而si能与氢氟酸反应：si4hf=sif42h2(4)非金属单质一般不导电，但si为半导体，石墨为导体。(5)sio2是酸酐，但它不能溶于水，不能直接与水反应制备h2sio3。(6)非金属氧化物的熔点一般较低，但sio2的熔点很高。(7)酸性氧化物一般不与酸发生反应，而sio2却能与氢氟酸反应：sio24hf=sif42h2o(8)无机酸一般易溶于水，而h2sio3却难溶于水。【例61】 下列关于硅的说法不正确的是()a在常温下，硅不与任何酸反应b硅可与氧气发生反应，单质硅不能在空气中稳定存在c常温下，硅可与强碱溶液反应d在sio22csi2co的反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比12解析：在常温下，硅的化学性质不活泼，除了能跟氟气、氢氟酸、强碱反应外，硅不易跟其他物质反应，但在加热条件下，硅能与一些非金属如氧气、氯气等反应。在sio22csi2co的反应，氧化剂为sio2，还原剂为c，因而氧化剂与还原剂的物质的量之比12。答案：ab【例62】 下列叙述正确的是()a工业上用过量的焦炭还原二氧化硅而得到作为半导体材料的硅b晶体硅和石英中均有正四面体结构c水玻璃中加少量硝酸出现白色沉淀，硝酸过量时，沉淀溶解dsio2是h2sio3的酸酐，溶于水后即生成h2sio3解析：过量的焦炭参与反应，得到的粗硅中还含有sic，而作为半导体材料的硅必须是高纯度的硅，a项错误；na2sio32hno3=2nano3h2sio3，h2sio3既不溶于水，也不溶于硝酸，c项错误；sio2是h2sio3的酸酐，但sio2不能与水反应。答案：b7.sio2与co2性质比较【例71】 下列关于sio2和co2的说法中正确的是()a由于组成相似，所以sio2和co2的物理性质相似b都能与碱反应c一定条件下都能与碳发生反应d都是酸酐，都能与水发生反应生成相应的酸解析：sio2和co2在组成上相似，但结构不同，所以其物理性质并不相似，相差很大，sio2在常温常压下是固体，熔沸点高、硬度大，co2在常温常压下是气体，熔沸点低，故a错；二者都能与碱反应：2naohsio2=na2sio3h2o,2naohco2=na2co3h2o，b正确；在一定条件下，二者都能与碳反应：sio22csi2co，co2c2co，c正确；sio2是h2sio3的酸酐，co2是h2co3的酸酐，但sio2不溶于水也不能与水反应生成h2sio3，故d错误。答案：bc【例72】 将0.5 mol碳酸氢钙、1 mol碳酸氢钠、3 mol二氧化硅固体混合均匀，在高温下加热到质量不再改变为止。则得到标准状况下的二氧化碳气体的体积是_，残余固体的成分是_(填化学式)，总质量是_。解析：标准状况下的二氧化碳气体的体积，可以根据碳原子守恒求出，0.5 mol碳酸氢钙、1 mol碳酸氢钠中共含碳原子2 mol，因而v(co2)2 mol22.4 lmol144.8 l。残余固体的总质量可由总质量减去生成的水和二氧化碳气体的质量得到。答案：44.8 lna2sio3、casio3、sio2239 g8.碳酸和硅酸的比较【例8】 下列离子反应方程式书写正确的是()a二氧化硅与氢氟酸反应：sio24h=si42h2ob碳酸钡溶于稀硝酸：co2h=co2h2oc二氧化硅与氢氧化钠溶液反应：sio22oh=sioh2od把盐酸滴入硅酸钠溶液：sio2h=h2sio3解析：氢氟酸为弱酸，应写成hf，sif4是挥发性物质，也应写成化学式；baco3是难溶物应写成化学式。答案：cd9对na2co3与sio2及na2sio3与co2反应的理解对两个反应从不同角度来理解，把co2气体通入na2sio3溶液中，由于h2sio3的酸性比h2co3的酸性弱，且h2sio3的溶解度很小，因而促进反应的进行：na2sio3h2oco2=h2sio3na2co3，此反应是在溶液中进行的复分解反应，符合强酸制弱酸的规律。而反应sio2na2co3na2sio3co2是在高温条件下进行的，且高温下生成的co2气体挥发，促进了反应的进行，它符合在高温下有不挥发性酸酐制挥发性酸酐的反应规律。【例9】 下列说法正确的是()a二氧化硅溶于水显酸性b二氧化碳通入水玻璃中可以得到白色沉淀c由于高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸强d二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸解析：酸酐一般溶于水，二氧化硅是酸酐，但它不溶于水，也不与水反应；酸性氧化物一般不溶于酸，但二氧化硅能溶于氢氟酸；判断酸性强弱是在溶液中进行的，故c不能作为判断酸性强弱的条件。答案：b10.新型无机非金属材料的特性由于传统无机非金属材料的使用有一定的局限性(质脆、经不起热冲击等)，随着科学技术和生产技术的发展，一些具有特殊性能和用途的材料不断涌现，如光导纤维、超硬耐高温材料、发光材料等，我们称之为新