第4章--第1节--硅--无机非金属材料

1、同步教育佶息【同步教育信息】本周教学内容：无机非金属材料第4章第1节硅二. 教学目的1、掌握硅及二氧化硅的重要性质，了解其应用。2、体会物质的性质与材料性能的密切关系。3、认识新材料的开发对人类生产、生活的重要影响。三. 教学重点、难点硅及二氧化硅的性质 四知识分析一导体材料与单质硅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。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。 常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。2、单质硅1物理性质：单质

2、硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬 而脆，熔点很高1410C，是良好的半导体材料。2化学性质：常温下不活泼，只与F2及HF和强碱反响。在加热时纯硅与某些非金 属单质发生反响。Si + 2F2 = SiF4Si + 4HF = SiF4 f + 2H2 fSi+ 2NaOH + H 2O = Na2SiO3 +2 H2 fSi+ O2 SiO2 Si + 2CI2SiCI43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，用碳在高温下复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的高纯硅。高温制粗

3、硅： SiO2 + 2CSi + 2CO f制高纯硅：Si + 2CI2SiCI4SiCI4 + 2H2Si + 4HCI4丨硅的用途：硅可用来制造集成电路，太阳能电池，硅整流器等。硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。思考：判断以下说法是否正确： 非金属单质不能与碱液反响放出氢气 非氧化性酸不能与非金属单质反响 自然界中含大量的硅单质，其含量仅次于氧解答：X：X：X二二氧化硅与光导纤维1、二氧化硅的存在二氧化硅广泛存在与自然界中，常见的有沙子石英和水晶，另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。2、二氧化硅的物理性质3、二氧化硅的化学性质二氧化硅化学性质不活泼。是一种酸性氧化物。常温下与氢氟酸反

4、响，与碱溶液缓慢反响，高温下与碱性氧化物反响。Si O2+ 4HF = SiF4 f + 2出0SiO2+ 2NaOH = Na2SiO3 + H2 O高温Si O2 + CaOCaSiO3注意： 氢氟酸不能保存在玻璃瓶中，应保存在塑料瓶中。 NaOH溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，应保存在橡胶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水晶常用来制造电子部件、光学仪器和工艺品等。4SiO2被用于制造高性能的现代通讯材料一一光导纤维，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

5、。光导纤维作为通讯材料的优点是克服了声音信号和图像信号在铜丝和铝丝这两种传统 媒介中传播损耗大的缺点，并节约了大量的金属资源。三硅酸盐与无机非金属材料1、硅酸硅酸为白色粉末状固体，不溶于水，其酸性比碳酸还弱也可由硅的非金属性比碳弱推 出，其化学式为 H2SQ3。SiO2是硅酸的酸酐，但 SiO2不溶于水，所以不能用SiO2与水直接反响得到 H2SQ3而只能用可溶性硅酸盐与酸反响制得。女口： Na2SiO3 + CO 2 + H 2O = Na2CO3 + H2SQ3JH2SQ3在加热条件下失水变为SiO2 :H2SQ3SiO2 + H2O2、硅酸盐1硅酸盐在自然界中的存在硅酸盐是构成地壳中岩石

6、的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿石，约占地壳的5%,粘土的主要成分也是硅酸盐。粘土的种类很多，常见的有高岭土和一般粘土，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。 化学式法：一般用于组成较简单的硅酸盐。如：硅酸钠 Na2SiO3； 硅酸钙Ca2SiO3 氧化物法：常用的表示方法。女口：镁橄榄石Mg2SiO42MgO SiO2高岭石Al2(Si2O5)(OH)4Al 2O3 2SiO2 2H2O正长石(2KAlSi 3O8 )K2O Al 2O3 6SiO2说明：用氧化物的形式表示硅酸盐

7、的组成时，各氧化物的排列顺序为：较活泼金属氧化物f较不活泼金属氧化物f二氧化硅f 水3硅酸钠硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。3、无机非金属材料1传统无机非金属材料玻璃原料：生产普通玻璃的主要原料是纯碱Na2CO3，石灰石CaCO3和石英SiO2。主要设备：玻璃熔炉反响原理：将粉碎混匀的原料加强热使之熔化，发生复杂的物理化学变化，冷却即成玻璃。其中主要化学反响是：CaC03 + SiO2CaSiO3 + CO2 f高温Na2CO3 + SiO2Na2SiO3 + CO2 f主要成分：制造玻璃的原料中，石英是过量的，所以，普通玻璃是CaSiO3, Na2SiO3和SiO2熔化

8、在一起得到的物质，其物质的量之比为1 : 1: 4，因此玻璃可表示为：Na2O CaO 6SQ2。主要性质：硬而脆，受热时在一定温度范围内逐渐软化，没有一定的熔点，故作玻璃态物质，耐酸腐蚀HF除外。水泥a. 普通水泥的主要成分为硅酸三钙 3CaO SQ2,硅酸二钙2CaO SQ2和铝酸 三钙3CaO Al 2O3等。b. 水泥的特点是水泥具有水硬性，与水搀和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。c. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用钢筋作结构，这就是通常所说 的钢筋混凝土。2新型无机非金属材料类别例如特性用途高温结构陶瓷氮化硅陶瓷硬度极高，耐磨损，耐高温， 抗腐蚀，抗氧化能力强，电绝 缘

9、性好汽轮机叶片、轴承、发动机部件、永久性模具碳化硅陶瓷硬度仅次于金刚石，耐高温， 且在室温下能导电电热元件生物 陶瓷氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷强度高，耐磨，无毒，不溶于 水，对人体组织有较好的适应 性，可直接植于人体人造牙齿、人造骨骼压电 陶瓷钛酸钡陶瓷钛酸铅陶瓷可将极其微弱的机械振动转 换成信号声呐系统、气象检测、遥控 环境保护、家用电器、压电 地震仪【典型例题】例1.有一粗硅，含铁和硅两种杂质，取等质量的样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀 氢氧化钠溶液中，放出等量的氢气，那么该粗硅中铁和硅的关系正确的选项是A.物质的量之比为1: 1B.物质的量比为 2： 1C.质量比为4： 1D.质量比为 2：

10、 1答案：B C解析：粗硅与盐酸反响是铁与盐酸反响 Fe +2HCI = = = FeCI2 + H2 f ；粗硅与碱反响是硅与碱反响 Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 f因放出等量氢气，那么铁与硅的物质的量之比为2： 1,质量比为4： 1。点评：此题综合考查了铁、硅的性质，是定性分析与简单定量计算相结合的，解题要注意书写化学方程式的准确性。例2.以下说法不正确的选项是A. 因为SiO2不溶于水，故 H2SQ3不是SiO2对应的酸或者说 SiO2不是H2SiO3对应的酸酐B. CO2通入水玻璃可以得到硅酸沉淀C. SiO2是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬

11、度大D. 氢氟酸能够雕刻玻璃，故不能用玻璃瓶来盛氢氟酸答案：A解析：SiO2中 Si呈+ 4价， H2SiO3中Si为+ 4价，且 H2SiO3加热= SiO2 + H2O ,故A项错误，B项发生的反响： Na2SiO3 + CO2 少量+ H2O = H2SiO3 J + Na2CO3D项发生的反响为：4HF+ SiO2 = SiF4 f + 2H2OA. Na2SiO3答案：A CB. Na2CO3C. Na2SO3D. Na3PO4解析：BaCO3和 Ba3(PO4 )2均为白色沉淀，二者均溶于 HNO3 ,BaSiO3 溶于HNO3 后又生成H2SiO3，BaSO3溶于硝酸后生成 Ba

12、SO4。点评：此题外表上是考查复分解反响，实际却包含了氧化复原反响的知识，解题要注意思维的全面性和灵活性。例4.三硅酸镁晶体被用来治疗胃溃疡病患者的胃酸过多症，是因为该物质不溶于水， 服用后能中和胃酸，作用持久。三硅酸镁晶体化学式为 ：Mg2Si3O8，nH2O。1用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式。2丨写出该药物中和胃酸的化学方程式。答案：12MgO 3SiO2 nH2O22MgO 3SiO2 nH2O + 4HCl = 2MgCl2 + (n+2) H2O + 3SiO2解析：用氧化物的形式表示硅酸盐的时候，应注意书写原那么：活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水第二问假设直接写三

13、硅酸镁与盐酸反响，许多同学会感到无从下手。 应从氧化物形式书写。 碱性氧化物MgO丨能与盐酸反响，而SiO2不能与盐酸反响可当成杂质，最后写出正确的方程式。评注：此题考查了将复杂的硅酸盐用氧化物的形式表示这个知识点，同时此题也涉及硅酸盐在生活中的应用。解题时应注意只有碱性氧化物才能与酸反响生成盐和水。【模拟试题】一、选择题每题有 1或2个正确答案1. 以下表达正确的选项是A. 自然界中存在大量单质硅B. 石英、水晶、 硅石的主要成分是二氧化硅C. 二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸碱发生化学反响D. 自然界中二氧化硅都存在于石英矿中2. 可制造熔化烧碱的坩锅材料是A. 铁B.陶瓷C.氧化铝D.石英

14、3. 磷酸钙陶瓷也是一种新型无机材料，它可用于制造人造骨骼，这是利用了这种材料的 A. 耐高温特性B.电学特性C.光学特性D.生物功能4. 硅酸铜钡是当今最新科学技术合成的一种物质，然而科学家却惊奇的发现，我国秦朝 兵马俑的一种颜料竟是硅酸铜钡。由以上事实推测关于硅酸铜钡的说法错误的选项是 A.易溶于水B.难溶于水5. 以下离子方程式不正确的选项是A. 向烧碱溶液中通入过量的二氧化碳B. 向纯碱溶液中通入足量的二氧化碳C. 向水玻璃中通入少量二氧化碳D. 向次氯酸钠溶液中通入少量的二氧化碳C.属于硅酸盐 D.属于混合物2OH- +CO2 = CO32- +H2OCO32- + CO2 + H2

15、O = 2HCO3-SiO32- + CO2 + H2O = H2SiO3 J + CO32-2CIO- + CO2 + H2O = 2HCIO + CO 32-6. 将过量的二氧化碳分别通入CaCl2溶液； Na2SiO3溶液；Ca(CIO)2溶液; 饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是A.B.C.D.7. 在反响SiO2 + 3CSiC + 2 CO f中，氧化剂与复原剂的质量比是A. 36: 60B. 60:36C. 1:2D. 1:38. 以下物质放置在空气中不考虑水份蒸发和吸收空气中的水份变质，且能析出固体，参加盐酸时固体不溶解的是A.澄清石灰水B.水玻璃Na2SiO3

16、C.过氧化氢D.氧化钙9. 以下物品或设备：水泥路桥： 门窗玻璃； 水晶镜片；石英钟表；玛瑙手镯； 硅太阳能电池；光导纤维： 电脑芯片。其中所用材料为SiO2或用到SiO2的是D.A.B.全部C.常温时硅可和强碱溶液反响 硅与任何酸都不反响 硅是构成矿物岩石的主要原料，其化合态硅几乎全部是硅石和硅酸盐 硅的性质很稳定，能以游离态存在于自然界10. 有关硅元素的以下表达中正确的选项是A.B.C.D.二、填空题11. 物质的组成可用不同形式表示：1将以下硅酸盐改写成氧化物的形式改写时注意金属氧化物在前，非金属氧化物 在后，低价在前，高价在后 镁橄榄石Mg2SiO4 高岭石 Al 2(Si2O5)(

17、OH) 42许多含氧酸及其盐类均可以类似硅酸盐的改写为氧化物形式，请继续改写以下物 质：2HNO3,HCOOH,2KAl(SO 4)2 12H2O,HCOOH与浓H2SO4反响可通过以上改写可知，HNO3的酸酐为制成气体。12. 氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定。工业上曾普遍采 用高纯硅与纯氮在 1300 C反响获得。,根据元素周期律知识，请写出氮化硅1写出氮原子的结构示意图： 的化学式;2氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反响。试推测该陶瓷 被氢氟酸腐蚀的化学式为 ;3现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反响，可得较高纯度的氮化 硅。反响

18、的化学方程式为： 。13. 常用的枯燥剂硅胶，是网状多孔物质，主要成分为SiO2，其中含水约为4%，制法是将硅酸减压条件下加热到300 C，使之分解。现以石英、纯碱、盐酸为原料，生产硅胶，试按生产顺序写出各步反响的化学方程式。二、计算题14. 硅和铝都能与碱溶液反响，反响的离子方程式分别为：Si+ 2OH- +H2O = SiO32- +2H2 T2Al + 2OH - + 6H2O = 2 AI(OH) 4- + 3H2?现有铁、硅、铝的混合物 13g,当与足量的盐酸反响时，生成标准状况下的氢气的体积 为；假设将等质量的混合物与足量的氢氧化钠溶液反响时生成的氢气在标准状况下也是。求C帘天所亦L爭勿僂明天，目己所曲之爭易祛丘入语原混合物中各成分的质量。【试题答案】一、选择题每题有 1