第四章 學案18 無機非金屬材料的主角——硅

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1、第四章　常見的非金屬及其化合物 學案18　無機非金屬材料的主角——硅 [考綱要求]　1.了解C、Si元素單質及其重要化合物的主要性質及應用。2.了解C、Si元素單質及其重要化合物對環(huán)境質量的影響。3.以新材料、新技術為背景考查C、Si元素及其重要化合物的性質及應用。 知識點一　碳、硅 1．C、Si單質的存在形態(tài)、物理性質及用途 (1)碳在自然界既有________態(tài)又有________態(tài)。碳的同素異形體有__________、________、無定形碳、______等。 (2)硅在地殼中的含量占第____位，僅次于____，全部以________態(tài)存在，是一種親

2、____元素，單質硅有________和________形兩種。晶體硅是良好的________材料，在計算機等電子工業(yè)，可用作__________、大規(guī)模________等。硅是人類將________能轉化為____能的常用材料，所以硅還用于制造________。 2．C、Si的化學性質 (1)碳單質的化學性質 常溫下____(填“不”或“很”)活潑，在高溫條件下有強________性。 ①可燃性：2C＋O22CO、C＋O2CO2。 ②還原性 a．與CO2反應的化學方程式：C＋CO22CO； b．與水蒸氣反應的化學方程式： ___________________________

3、_____________________________________________； c．與濃H2SO4反應的化學方程式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)硅單質的化學性質 常溫下化學性質不活潑，但能與________、________、________反應。 ①與燒堿反應的離子方程式： __________

4、______________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②加熱時與O2 、Cl2等非金屬單質反應，其化學方程式為 ________________________________________________________________________。 問題思考 1．哪些反應體現了單質硅具有一定的金屬性？ 　

5、 　 知識點二　碳、硅的氧化物 1．碳的氧化物比較 2.二氧化硅與二氧化碳的性質比較 二氧化碳和二氧化硅都是酸性氧化物，其結構和主要性質可比較如下： 問題思考 2．為什么不能用帶玻璃塞的試劑瓶盛放堿液？ 　

6、 3．SiO2既能和NaOH溶液反應又能和HF溶液反應，一定是兩性氧化物嗎？ 　 　 知識點三　硅酸、硅酸鹽 1．硅酸 硅酸____溶

7、于水，其酸性比碳酸____，硅酸________(填“能”或“不能”)使紫色石蕊試液變紅色。 (1)硅酸不穩(wěn)定，受熱易分解：_______________________________________________。 (2)硅酸能與堿溶液反應，如與NaOH溶液反應的化學方程式為： ________________________________________________________________________。 (3)硅酸在水中易聚合形成膠體。硅膠吸附水份能力強，常用作________。 2．硅酸鈉 (1)物理性質 白色、可溶于水的粉末狀固體，其水溶液俗稱___

8、_____，有黏性。 (2)化學性質 ①水解顯____性。 ②與酸性較硅酸強的酸反應，化學方程式分別為： 與鹽酸反應：____________________________________________________________。 與CO2水溶液反應：______________________________________________________。 (3)用途：黏合劑(礦物膠)，耐火阻燃材料。 問題思考 4．反應①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，說明H2CO3的酸性強于H2SiO3。反應②Na2CO3＋SiO2Na2SiO

9、3＋CO2↑，能否說明H2SiO3的酸性強于H2CO3？ 　 　 3．硅酸鹽 (1)概念：__________________________的總稱，是構成地殼巖石的主要成分。 (2)表示方法：硅酸鹽礦物的成分復雜，多用氧化物的形式表示它們的組成，如硅酸鈉(Na2S

10、iO3)寫成________，鉀云母(KH2Al3Si3O12)寫成_______________________________。 問題思考 5．硅酸鹽是否以氧化物的形式存在？ 　 　 4．傳統(tǒng)無機非金屬材料 (1)普通玻璃 ①主要原料：__

11、__________________________________________________________。 ②生產中主要化學方程式：________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③主要成分：________、________、________。 (2)普通硅酸鹽水泥 ①主要原料：________、________。 ②主要成分(寫出名稱和化學式)：_____________

12、_____________________________ ________________________________________________________________________。 一、碳、硅及其化合物的特性 物質 一般規(guī)律 硅及其化合物特性 Si 硅還原性大于碳 非金屬單質與強堿溶液一般不產生H2 非金屬一般不與非氧化性酸反應 一般非金屬單質為絕緣體 SiO2 酸性氧化物一般與水反應生成相應酸 酸性氧化物一般不與酸發(fā)生復分解反應 “較強酸制較弱酸”是復分解反應的一個規(guī)律，H2CO3酸性大于H2SiO

13、3 H2SiO3 無機酸一般易溶于水 硅酸鹽 大多數硅酸鹽難溶于水 　　　　　　　　　　　　　　　　　 典例導悟1　下列敘述正確的是(　　) A．因為Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強 B．碳和硅都是ⅣA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性質相似 C．二氧化硅既溶于氫氧化鈉溶液又溶于氫氟酸，所以二氧化硅是兩性氧化物 D．二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反應生成硅酸 聽課記錄：　 　 二、無機非金屬材料的使用 無機非金屬材料在日常生活中有廣泛的用途，這些知識大多數屬于識記知識。除了解前面所

14、講的傳統(tǒng)無機非金屬材料外，還應了解新型無機非金屬材料的種類和用途。 材料類別 主要特性 示例 用途 高溫結 構陶瓷 能承受高溫，強度高 氮化硅陶瓷 汽輪機葉片、軸承、永久性模具等 半導體 陶瓷 具有電學 特性 氧化錫陶瓷 集成電路中的半導體 光學材料 具有光學 特性 光導纖維 光纜通訊、醫(yī)療、照明等 生物陶瓷 具有生物 功能 氧化鋁陶瓷 人造骨骼、人造關節(jié)、接骨螺釘 典例導悟2　下列關于無機非金屬材料的說法中不正確的是(　　) A．傳統(tǒng)無機非金屬材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料 B．新型無機非金屬材料雖然克服了傳統(tǒng)無機非金屬材料的

15、缺點，但強度比較差 C．高溫結構材料具有耐高溫、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損、密度小等優(yōu)點 D．傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分不同 聽課記錄：　 題組一　碳及其化合物 1．(2010·全國理綜Ⅱ，29)請設計CO2在高溫下與木炭反應生成CO的實驗。 (1)在下面方框中，A表示由長頸漏斗和錐形瓶組成的氣體發(fā)生器，請在A后完成該反應的實驗裝置示意圖(夾持裝置，連接膠管及尾氣處理部分不必畫出，需要加熱的儀器下方用△標出)，按氣流方向在每件儀器下方標出字母B、C……；其他可選用的儀器(數量不限)簡易表示如下： 導管： 試管： 反應管： 膠塞：(插入導

16、管表示已開孔) (2)根據方框中的裝置圖，填寫下表 儀器標號 儀器中所加物質 作用 A 石灰石、稀鹽酸 石灰石與鹽酸作用 產生CO2 (3)有人對氣體發(fā)生器作如下改進：在錐形瓶中放入一小試管，將長頸漏斗下端插入小試管中。改進后的優(yōu)點是________________________________________________________ ________________________________________________________________________； (4)驗證CO的方法是____________________

17、_________________________________。 題組二　硅及其化合物 2．判斷下列說法是否正確： (1)SiO2是酸性氧化物，能與NaOH溶液反應(　　) (2010·山東理綜－13A) (2)A.二氧化硅是生產光纖制品的基本原料(　　) B．水玻璃可用于生產黏合劑和防火劑(　　) (2010·江蘇－4A、B) (3)可以用Si3N4、Al2O3制作高溫結構陶瓷制品(　　) (2010·天津理綜－2B) (4)二氧化硅的分子式是SiO2(　　) (2010·上海－2B) 3．(2009·廣東理基，22)下列關于硅單質及其化合物的說法正確的是(　　)

18、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ①硅是構成一些巖石和礦物的基本元素　②水泥、玻璃、水晶飾物都是硅酸鹽制品　 ③高純度的硅單質廣泛用于制作光導纖維?、芴沾墒侨祟悜煤茉绲墓杷猁}材料 A．①② B．②③ C．①④ D．③④ 4．(2010·上海，23改編)胃舒平主要成分是氫氧化鋁，同時含有三硅酸鎂(Mg2Si3O8·nH2O)等化合物。 (1)三硅酸鎂的氧化物形式為____________。 (2)某元素與鋁元素同周期且原子半徑比鎂原子半徑大，該元素離子半徑比鋁離子半徑________(填“大”或“小”

19、)，該元素和鋁元素的最高價氧化物的水化物之間發(fā)生反應的離子方程式為______________________________________________________________。 (3)Al2O3、MgO和SiO2都可以制耐火材料，其原因是 ________________________________________________________________________。 a．Al2O3、MgO和SiO2都不溶于水 b．Al2O3、MgO和SiO2都是白色固體 c．Al2O3、MgO和SiO2都是氧化物 d．Al2O3、MgO和SiO2都有很高的熔點

20、 題組一　碳族元素性質的相似性和遞變性 1．根據碳族元素的相似性與遞變性、一般性與特殊性的知識，判斷下列說法正確的是(　　) A．CO2、PbO2都是強氧化劑 B．CO2和PbO2都是弱氧化劑，CO和PbO都是還原劑 C．Sn(OH)4可與NaOH反應，但不與鹽酸反應 D．Ge單質的熔點介于Si、Pb之間，是半導體材料 2．根據錫、鉛的主要化合價及其穩(wěn)定性，完成下列填空： (1)錫的＋2價化合物應具有較強的________性，鉛的＋4價化合物應具有較強的________性。 (2)已知Sn2＋的還原性比Fe2＋的還原性強，PbO2的氧化性比Cl2的氧化性強。試寫出下列反應

21、的化學方程式： ①氯氣與錫共熱：_________________________________________________________； ②氯氣與鉛共熱：_________________________________________________________； ③PbO2與濃鹽酸共熱：_____________________________________________________。 題組二　無機非金屬材料 3．(2009·重慶理綜，6)材料與化學密切相關，表中對應關系錯誤的是(　　) 材料 主要化學成分 A 剛玉、金剛石 三氧化二鋁

22、 B 大理石、石灰石 碳酸鈣 C 普通水泥、普通玻璃 硅酸鹽 D 沙子、石英 二氧化硅 4.(2011·湖北宜昌模擬)信息、材料、能源被稱為新科技革命的“三大支柱”。下列有關資訊錯誤的是(　　) A．在即將到來的新能源時代，核能、太陽能、氫能將成為主要能源 B．中、美、日等國已掌握的陶瓷發(fā)動機技術，能較大程度地降低能耗，節(jié)約能源 C．光導纖維在信息產業(yè)中應用廣泛，制造光導纖維的主要材料是單質硅 D．結構陶瓷碳化硼(B4C3)常用于制造切削工具，它是一種新型無機非金屬材料 題組三　硅及其化合物的性質 5．下列關于硅的說法中，不正確的是(　　) A．硅是非金屬元素，

23、晶體硅是灰黑色有金屬光澤的固體 B．硅的導電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導體材料 C．硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質起反應 D．加熱到一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬反應 6.如圖所示物質的轉化關系中，A是一種固體單質，E是一種白色沉淀。 請回答下列問題： (1)B的化學式是__________，目前B已被用作________的主要原料。 (2)B和a溶液反應的離子方程式是__________________________________________。 (3)A和a溶液反應的離子方程式是_______________________________

24、__________。 (4)C和過量的鹽酸反應的離子方程式是______________________________________。 題組四　實驗探究 7．(2009·浙江理綜，28)單晶硅是信息產業(yè)中重要的基礎材料。通常用碳在高溫下還原二氧化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硼、磷等雜質)，粗硅與氯氣反應生成四氯化硅(反應溫度450～500℃)，四氯化硅經提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實驗室制備四氯化硅的裝置示意圖。 相關信息如下： a．四氯化硅遇水極易水解； b．硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接反應生成相應的氯化物； c．有關物質的物理常數見下表： 物質 SiCl

25、4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5 沸點/℃ 57.7 12.8 － 315 － 熔點/℃ －70.0 －107.2 － － － 升華溫度/℃ － － 180 300 162 請回答下列問題： (1)寫出裝置A中發(fā)生反應的離子方程式：___________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)裝置A中g管的作用是____________；裝置C中的試劑是_______

26、___；裝置E中的h瓶需要冷卻的理由是_________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)裝置E中h瓶收集到的粗產物可通過精餾(類似多次蒸餾)得到高純度四氯化硅，精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質元素是________(填寫元素符號)。 (4)為了分析殘留物中鐵元素的含量，先將殘留物預處理，使鐵元素還原成Fe2＋ ，再用KMnO4標準溶液在酸性條件下進行氧化還原滴

27、定，反應的離子方程式為5Fe2＋＋MnO＋8H＋===5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O。 ①滴定前是否要滴加指示劑？________(填“是”或“否”)，請說明理由： ________________________________________________________________________。 ②某同學稱取5.000 g殘留物，經預處理后在容量瓶中配制成100 mL溶液，移取25.00 mL試樣溶液，用1.000×10－2 mol· L－1 KMnO4標準溶液滴定。達到滴定終點時，消耗標準溶液20.00 mL，則殘留物中鐵元素的質量分數是________。 學案1

28、8　無機非金屬材料的主角——硅 【課前準備區(qū)】 知識點一 1．(1)游離　化合　金剛石　石墨　C60 (2)二　氧　化合　氧　晶體　無定　半導體　半導體芯片　集成電路　太陽　電　光電池 2．(1)不　還原 ②b.C＋H2O(g)CO＋H2 c．C＋2H2SO4(濃)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O (2)F2　HF　強堿 ①Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑ ②Si＋O2SiO2；Si＋2Cl2SiCl4 知識點二 1. 分子式 CO CO2 工業(yè)制法 (原理) 水煤氣：C＋H2O(g)CO＋H2 CaCO3CaO＋CO2↑ 化學性質

29、①可燃性：2CO＋O22CO2 ②還原性(如還原Fe2O3)：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2 ①具備酸性氧化物的通性 ②與Na2O2反應：2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2 毒性 劇毒，能與人體內血紅蛋白結合，使人體因缺氧而中毒 無毒，是造成溫室效應的主要氣體 2. 物質 二氧化硅 二氧化碳 化學式 SiO2 CO2 主要物理 性質 硬度大，熔、沸點高，常溫下為固體，不溶于水 熔、沸點低，常溫下為氣體，微溶于水 化學性質 ①與水反應 不反應 CO2＋H2OH2CO3 ②與酸反應 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 不

30、反應 ③與堿反應 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；盛堿液的試劑瓶用橡膠塞 CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O或CO2＋NaOH===NaHCO3 ④與鹽反應 SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2的難揮發(fā)性 Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO；CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3 ⑤與堿性氧化物反應 SiO2＋CaOCaSiO3 CO2＋CaOCaCO3 知識點三 1．不　弱　不能 (1)H2SiO3SiO2＋H2O (2)H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O (

31、3)干燥劑 2．(1)水玻璃 (2)①堿?、贜a2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓ Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3 3．(1)由硅、氧和金屬元素組成的化合物 (2)Na2O·SiO2　K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O 4．(1)①純堿、石灰石、石英　②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ ③Na2SiO3　CaSiO3　SiO2 (2)①石灰石　黏土 ②硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3) 問題思考

32、 1．①Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ ②Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ 2．由于玻璃中含有SiO2，能與堿反應生成具有粘性的物質，將瓶塞和瓶子粘在一起打不開。 3．不是，因為SiO2與HF反應生成的不是鹽和水。 4．反應①是離子反應，實質是H2CO3電離出的H＋被SiO2－3結合生成H2SiO3，說明H2CO3的電離性強于H2SiO3，即酸性H2CO3>H2SiO3；而反應②是高溫下的非離子反應，它之所以能發(fā)生是因為CO2氣體離開了反應體系，其中并無 H2CO3和H2SiO3兩種物質，更談不上二者酸性的比較。 5．由于硅酸鹽的組成與結構很復雜，為了簡

33、化對硅酸鹽組成的表示方法，采用了氧化物法。實際上硅酸鹽不是以簡單氧化物形式存在的，而是以結構復雜的鹽的形式存在的。 【課堂活動區(qū)】 一、2C＋SiO2Si＋2CO↑ 硅可與強堿溶液反應產生H2 Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ 硅為半導體，常用于電子部件 SiO2不溶于水，不與水反應 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 但以下反應不符合此規(guī)律Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ 硅酸和原硅酸均難溶于水 常見的可溶性硅酸鹽為Na2SiO3，水溶液稱水玻璃、泡花堿 　　　　　　　　　　　　　　　　　

34、典例導悟 1　D　[根據酸鹽之間復分解反應進行的方向判斷酸性強弱一般是在常溫濕態(tài)下適用，在高溫干態(tài)下不適用，事實是碳酸酸性比硅酸強，故A項錯誤；CO2和SiO2的結構不同，在物理性質方面有很大的差異，故B項錯誤；SiO2與氫氟酸反應，不屬于酸性氧化物與酸的一般反應，在此反應中SiO2沒有表現堿性，故C項錯誤；SiO2雖屬于酸性氧化物，但不能直接與H2O反應生成H2SiO3，D項正確。] 2　B　[無機非金屬材料分為傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)無機非金屬材料是指我們常說的硅酸鹽材料，包括玻璃、水泥、磚瓦、陶瓷等；新型無機非金屬材料是指一些新型的具有特殊結構和特殊功能的非

35、硅酸鹽型材料。新型無機非金屬材料與傳統(tǒng)無機非金屬材料相比，具有許多優(yōu)良性能，如耐高溫、耐磨損、耐酸堿腐蝕、具有壓電效應、具有生物功能等。] 【課后練習區(qū)】 高考集訓 1．(1)如下圖所示 (2) 儀器標號 儀器中所加物質 作用 B 飽和碳酸氫鈉溶液 除去CO2中的HCl氣體 C 濃硫酸 除去CO2中的水蒸氣 D 干燥木炭粉 與CO2反應產生CO E 氫氧化鈉溶液 吸收未反應的CO2 (3)可以通過控制加酸的量，來控制氣體產生的快慢；同時小試管中充滿鹽酸，可以起到液封作用，防止反應激烈時氣體經漏斗沖出 (4)點燃氣體，火焰呈藍色，再用一個內壁附著有澄

36、清石灰水的燒杯罩在火焰上，燒杯內壁的石灰水變渾濁 解析　(1)根據題意，要證明二氧化碳與木炭反應生成一氧化碳，需要以下操作：先將得到的二氧化碳經過盛有飽和碳酸氫鈉溶液的試管，除去氣體中混有的氯化氫氣體，然后通過濃硫酸除去二氧化碳中的水蒸氣，以免水與木炭反應會干擾到CO的檢驗，將經過凈化的二氧化碳通過加熱的木炭粉后用氫氧化鈉溶液除去未反應的二氧化碳，以免干擾CO的檢驗。(2)各個儀器裝置中所盛試劑及其作用：B中：飽和的碳酸氫鈉溶液，除去CO2氣體中的氯化氫氣體；C中：濃硫酸，除去二氧化碳中的水蒸氣；D中：干燥的木炭粉，目的是與二氧化碳反應產生CO；E中為氫氧化鈉溶液，除去未反應的二氧化碳。

37、(3)將長頸漏斗下端插入一小試管中的優(yōu)點：一是可以控制反應的快慢，通過控制加入的酸的用量來控制反應產生的氣體的快慢；二是防止容器內因壓力過大造成氣體從長頸漏斗中逸出。 (4)驗證一氧化碳的方法可以利用一氧化碳的可燃性進行，將氣體點燃，然后在火焰上方罩一內壁涂有澄清石灰水的燒杯，若火焰呈藍色且澄清石灰水變渾濁，證明產生了一氧化碳。 2．(1)√　(2)√　√ (3)√　(4)× 3．C　 4．(1)2MgO·3SiO2·nH2O (2)大　Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O (3)ad 解析　(1)硅酸鹽用氧化物的形式來表示組成的書寫順序是：活潑金屬氧化物→較活潑金屬

38、氧化物→非金屬氧化物→二氧化硅→水，并將氧化物的數目用阿拉伯數字在其前面表示。比如斜長石KAlSi3O8: K2O·Al2O3·6SiO2。 (2)與鋁元素同周期且原子半徑大于鎂的元素是鈉，其離子半徑大于鋁的離子半徑；兩者氫氧化物反應的離子方程式為：Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O；(3)分析三種氧化物，可知三者都不溶于水且都具有很高的熔點。 考點集訓 1．D　 2．(1)還原　氧化 (2)①Sn＋2Cl2SnCl4 ②Pb＋Cl2PbCl2 ③PbO2＋4HCl(濃)PbCl2＋Cl2↑＋2H2O 解析　穩(wěn)定性：<，>；氧化性：>，>， (PbO2)>Cl2；還原

39、性： Fe2＋

40、不需其他指示劑?、?.48% 解析　依題中信息可知A為Cl2的發(fā)生裝置，B、C為Cl2凈化裝置，D中發(fā)生2Cl2＋SiSiCl4，生成SiCl4用E收集，B中為飽和食鹽水將氯化氫氣體除去，C中應為濃H2SO4除水，由E中可知SiCl4沸點較低，用冷卻液可得到液態(tài)SiCl4；由題中信息粗硅(含鐵、鋁、硼、磷等雜質)，即可輕松完成(3)問。 (4)①因MnO本來有顏色，故不再需其他指示劑。 ②由關系式 5Fe2＋　～　MnO 5 1 n(Fe2＋) 20.00×10－3 L×10－2 mol·L－1 可求出25.00 mol試樣溶液中n(Fe2＋)＝0.001 mol，所以殘留物中鐵元素的質量分數 w(Fe)＝＝4.48%。