鲁科版高中化学必修一4.1硅无机非金属材料.docx

高中化学学习材料 （灿若寒星**整理制作）

第1节 硅 无机非金属材料 (1)碳的同素异形体有金刚石、石墨和C60，它们都与O2充分反应生成CO2。 (2)CO2是酸性氧化物，少量或足量CO2分别通入NaOH溶液中反应的离子方程式为：CO2＋2OH－===CO2－3＋H2O、CO2＋OH－===HCO－3。 (3)由反应CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑可知酸性强弱顺序是HCl＞H2CO3。

(4)地壳中含量最多的元素是氧、第二位是硅，硅原子结构示意图是○＋142 8 4 。

一、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。硅单质存在同素异形体是晶体硅和无定形硅。 3．单质硅 (1)物理性质： 颜色 光泽 熔点 质地 导电性 灰黑色 有金属光泽 很高 硬而脆 半导体

(2)化学性质： 常温下，硅的化学性质不活泼，但在加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)反应。Si＋O2=====△SiO2。

(3)工业制取 ①原料：二氧化硅和焦炭②原理：SiO2＋2C高温Si＋2CO↑ (4)用途： 用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等，其合金用于制造变压器铁芯和耐酸设备等。 二、二氧化硅和光导纤维 1．二氧化硅 (1)存在：二氧化硅广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的二氧化硅又称水晶。 (2)物理性质： 状态 颜色 熔点 硬度 水溶性 晶体 无色 高 大 不溶

(3)化学性质： ①具有酸性氧化物的通性： a．常温下SiO2与 NaOH溶液反应生成盐和水： SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。 b．高温下SiO2与碱性氧化物(如 CaO)反应生成盐： SiO2 ＋CaO高温,CaSiO3。 ②特性： 与氢氟酸(HF)反应： SiO2 ＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 ③弱氧化性： 高温下与C反应： SiO2 ＋2C△,Si＋2CO↑。 2．光导纤维 (1)主要成分：SiO2。 (2)用途：用于通迅、能量传输、信息处理等，光纤的使用节约了大量的人力、物力、财力，且提高了信号传输效率。 三、硅酸盐和无机非金属材料 1．硅酸盐 (1)硅酸钠：其水溶液俗称水玻璃，有黏性。 (2)硅酸盐： ①性质：硅酸盐性质稳定，熔点较高，大都难溶于水。 ②表示方法： 硅酸盐的组成比较复杂，常用氧化物的形式表示。例如：硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，钠长石(NaAlSi3O8)可表示为Na2O·Al2O3·6SiO2。 2．无机非金属材料 (1)传统的无机非金属材料——硅酸盐产品。 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(Al2O3·2SiO2·2H2O)

生产 原料(粉碎)→生料(煅烧)→熟料(加入石膏粉并磨细)→成品 原料(粉碎)→按比例混合(加强热)→熔化(加添加剂)→成品 SiO2＋Na2CO3=====高温 Na2SiO3＋CO2↑ SiO2＋CaCO3=====高温

CaSiO3＋CO2↑

混合→成型→干燥→烧结→冷却

主要成分及种类 硅酸三钙 (3CaO·SiO2)、 硅酸二钙 (2CaO·SiO2)、 铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 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

(2)新型无机非金属材料：

材料类别 主要特性 示例 用 途 高温结构陶瓷 能承受高温，强度高 氮化硅陶瓷 汽轮机叶片、轴承、永久性模具等 半导体陶瓷 具有电学特性 氧化锡陶瓷 集成电路中的半导体

光学材料 具有光学特性 光导纤维 光缆通讯、医疗、照明等 生物陶瓷 具有生物功能 氧化铝陶瓷 人造骨、人造关节、接骨螺钉

1．判断正误。 (1)自然界存在硅单质的同素异形体，性质较稳定。( ) (2)单质硅的导电性介于导体和绝缘体之间。( ) (3)晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，能导电。( ) (4)含硅的钢具有良好的导磁性和耐酸性。( ) (5)最早使用的半导体材料是硅。( ) 分析：硅单质存在同素异形体，但自然界中无单质硅。硅导电性介于导体和绝缘体之间，是重要的半导体材料，最早使用的半导体材料是锗。 答案：(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× 2．用短线连接。 答案：a—①⑥⑦ b—② c—①④ d—①③⑤⑥ 3．玻璃的主要成分之一是SiO2，下列物质贮存时应注意： ①NaOH溶液 ②浓HNO3 ③溴 ④Na2CO3溶液(碱性) ⑤氢氟酸 ⑥盐酸 ⑦水玻璃 (1)用玻璃瓶不能配玻璃塞的有________，可用玻璃塞的有________。 (2)用玻璃瓶不能配橡胶塞的有________。 (3)不能用玻璃瓶盛装的是________。 分析：SiO2是酸性氧化物，与碱反应生成硅酸盐粘住瓶塞不易打开，浓HNO3、溴具有强氧化性，能氧化橡胶。氢氟酸与SiO2反应，腐蚀玻璃，不能用玻璃瓶盛装。 答案：(1)①④⑦ ②③⑥ (2)②③ (3)⑤ 4．制取玻璃和水泥都用了共同的原料是________。 答案：石灰石 5．向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，现象是________________，反应方程式为：______________________________，说明酸性________________＞________________。 答案：生成白色沉淀 Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3 H2CO3 H2SiO3 6．下列哪些材料是新型无机非金属材料____________。 ①氧化铝陶瓷 ②氮化硅陶瓷 ③碳化硅陶瓷 ④氮化铝陶瓷 ⑤氮化钛陶瓷 ⑥硅化硼陶瓷 ⑦二硅化铜陶瓷 ⑧红色玻璃 ⑨钢化玻璃 ⑩光导纤维 分析：新型无机非金属材料是指具有特殊结构、功能的新材料。红色玻璃是在原料中加入Cu2O使玻璃呈红色，钢化玻璃是把普通玻璃放入电炉里加热，使它软化，然后急速冷却而制成的，都属于传统硅酸盐产品。 答案：①②③④⑤⑥⑦⑩ 硅及其化合物的特性 (1)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si却能与HF作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。 (2)非金属单质一般不导电，但Si为半导体，有一定的导电能力。 (3)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C=====高温 Si＋2CO↑。 (4)非金属单质跟碱液的作用一般无H2放出，但Si与碱液(如NaOH溶液)反应放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 (5)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水反应来制取H2SiO3。 (6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的却很高。 (7)酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 (8)无机酸一般易溶于水，但H2SiO3却难溶于水。 (9)高温下SiO2与Na2CO3能发生反应：Na2CO3＋SiO2=====高温 Na2SiO3＋CO2↑。 [特别提醒] (1)硅属于非金属元素，但也具有一定的金属性，如可导电、具有金属光泽等。 (2)导电性：硅＜石墨。 (3)酸性强弱：H2CO3＞H2SiO3。

[例1] 下列关于硅和二氧化硅说法不．正确的是( ) A．晶体硅呈灰黑色，是具有金属光泽、硬而脆的固体 B．硅的化学性质很稳定，但自然界里无游离态的硅存在，常温下可与其他物质发生反应 C．硅和二氧化硅都能与NaOH溶液反应 D．工业上用焦炭在高温条件下还原二氧化硅来制备硅说明通常情况下还原性C＞Si [解析] 自然界中硅只以化合态形式存在，硅可与HF、F2等反应。硅与NaOH溶液反应生成H2，SiO2是酸性氧化物与碱反应。反应SiO2＋C=====高温 Si＋2CO↑，在高温下进行只能说明在此条件下还原性C＞Si。 [答案] D (1)自然界中存在游离态的碳，却不存在游离态的硅。 (2)二氧化硅与焦炭在隔绝空气的条件下制取粗硅时，生成的是CO而不是CO2。

二氧化硅的性质

二氧化硅和二氧化碳性质的比较

名称 SiO2 CO2 物理性质

颜色 无色 无色 状态 固体 气体 熔沸点 很高 很低 硬度 大 小 溶解性 不溶于水 可溶于水

化学质性

类型 硅酸酸酐、酸性氧化物 碳酸酸酐、酸性氧化物 与碱(NaOH) SiO2＋2NaOH=== Na2SiO3＋H2O CO2＋2NaOH=== Na2CO3＋H2O CO2过量时生成NaHCO3

与碱性氧化物反应 SiO2＋CaO=====高温 CaSiO3 CO2＋CaO=== CaCO3

与某些盐反应 Na2CO3＋SiO2=====高温 Na2SiO3

＋CO2↑ CO2＋Na2CO3＋

H2O===2NaHCO3

与水反应 不反应 CO2＋H2OH2CO3 与氢氟酸反应 SiO2＋4HF=== SiF4↑＋2H2O 不反应

[特别提醒] (1)SiO2是一种类似于金刚石的立体网状结构的晶体，在晶体中，Si原子和O原子个数之比为1∶2，故不存在“SiO2”分子。而CO2气体(或固体、或液体中)存在独立的“CO2”分子。