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

第1节 硅 无机非金属材料

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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。 高温

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)

高温高温

CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑(工业制玻璃)

单质硅与半导体材料

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。 高温(4)制备：用焦炭还原SiO2的化学方程式为2C＋SiO2===== Si＋2CO↑。 (5)用途

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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。

高温

(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( ) 高温(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 C．石墨

B．晶体硅 D．铁丝

解析：选B 金刚石属于绝缘体，石墨和铁丝属于导体。

二氧化硅与光导纤维

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)

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[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)1 mol SiO2中含有6.02×10 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===SiO3＋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。

硅酸盐与无机非金属材料

1．硅酸盐

－

2－

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3

(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：

原料 设备 玻璃 纯碱、石灰石、石英 玻璃熔炉 高温CaCO3＋SiO2===== CaSiO3高温＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2===== Na2SiO3＋CO2↑ 主要成分 主要性质 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 高温结构陶瓷 生物陶瓷 压电陶瓷 实例 氮化硅(Si3N4)陶瓷、碳化硅(SiC)陶瓷等 氧化铝(Al2O3)陶瓷、氧化锆(ZrO2)陶瓷等 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。

Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 没有固定熔点 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙 具有水硬性 水泥 黏土、石灰石 水泥回转窑 化学方 程式 复杂的物理、化学变化 4

(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，工业上可用高温以下方法制取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 C．SiC

B．SiO2 D．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 C．烧碱

B．氢氟酸 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→H2CO3 C．SiO2→H2SiO3

B．SiO2→Na2SiO3 D．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

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上的瓷盘都是硅酸盐制品

A．①②③ C．③④⑤

B．②④⑤ D．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 (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( )

试剂 操作

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 C．盐酸

B．Na2SiO3溶液 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

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上的瓷盘都是硅酸盐制品

A．①②③ C．③④⑤

B．②④⑤ D．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 (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( )

试剂 操作

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 C．盐酸

B．Na2SiO3溶液 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

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