高中化學(xué) 第四章 元素與材料世界 第1節(jié) 硅無機(jī)非金屬材料學(xué)案（1）魯科版必修1.doc

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第1節(jié) 硅無機(jī)非金屬材料 互動(dòng)課堂 疏導(dǎo)引導(dǎo)　 一、半導(dǎo)體材料與單質(zhì)硅 1.半導(dǎo)體材料 指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料。 （1）最早使用的半導(dǎo)體材料是鍺。 （2）硅是目前廣泛使用的半導(dǎo)體材料，在地殼中的含量?jī)H次于氧。 2.硅的性質(zhì) （1）硅的物理性質(zhì) 單質(zhì)硅有晶體硅和無定形硅（非晶硅）兩種。晶體硅是灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體。單質(zhì)硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 記憶要訣　硅的主要物理性質(zhì) 金屬光澤灰黑硅， 半導(dǎo)材料硬而脆。 （2）硅的化學(xué)性質(zhì) ①常溫下，能夠與氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿溶液反應(yīng) Si+2F2====SiF4↑ Si+4HF====SiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑ ②加熱時(shí)能夠與某些非金屬單質(zhì)反應(yīng) Si+O2====SiO2，Si+2Cl2====SiCl4，Si+C====SiC ③硅的制取 SiO2+2C====Si+2CO↑；Si+2Cl2====SiCl4 SiCl4+2H2====Si+4HCl （3）硅的用途 硅不但用于制造晶體管、集成電路，還用于制造硅整流器和太陽(yáng)能電池等，此外，硅合金的用途也很廣。 要點(diǎn)剖析　硅的化學(xué)性質(zhì) （1）常溫下，Si跟強(qiáng)酸不反應(yīng)。 （2）常溫下，SiF4是氣體，SiCl4是液體，SiO2是固體。非金屬單質(zhì)一般不與弱氧化性酸反應(yīng)，而硅不但能與氫氟酸反應(yīng)，且有H2生成。 （3）關(guān)鍵掌握硅與非金屬單質(zhì)的反應(yīng)中Si的化合價(jià)為+4。 疑難突破　與其他非金屬相比，硅的性質(zhì)出現(xiàn)了哪些反常？ (1)硅的還原性比碳弱，而碳在高溫下卻能從SiO2中還原出硅；(2)非金屬單質(zhì)一般不與弱氧化性酸反應(yīng)，而硅不但能與氫氟酸反應(yīng)，且有H2生成；(3)非金屬單質(zhì)與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)一般不生成H2，而硅卻不然。 案例1下列關(guān)于硅的說法不正確的是（　?。┆? A.硅是非金屬元素，但它的單質(zhì)是灰黑色、有金屬光澤的固體 B.硅的導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料 C.硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)起反應(yīng) D.當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，硅能與氧氣、氯氣等非金屬反應(yīng) 【剖析】 本題考查硅的性質(zhì)。硅是灰黑色有金屬光澤的固體，但它屬于非金屬，是半導(dǎo)體。在常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，但可與F2、HF和強(qiáng)堿反應(yīng)，在加熱的條件下，硅可與氧氣、氯氣等非金屬反應(yīng)。 【答案】 C 【借題發(fā)揮】 掌握硅的性質(zhì)應(yīng)注意把握硅的特性。①硅具有金屬光澤，是半導(dǎo)體，是非金屬單質(zhì)。②硅的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，但可在常溫與F2、HF和強(qiáng)堿反應(yīng)。③非金屬單質(zhì)一般跟堿液反應(yīng)無H2生成，而硅卻可以放出H2。④非金屬單質(zhì)一般不跟非氧化性酸反應(yīng)，但硅卻能與HF反應(yīng)。 二、二氧化硅與光導(dǎo)纖維 1.二氧化硅的存在和物理性質(zhì) 二氧化硅廣泛存在于自然界中，沙子、石英的主要成分就是二氧化硅。二氧化硅的熔點(diǎn)高、硬度大。 2.二氧化硅的化學(xué)性質(zhì) 二氧化硅是酸性氧化物。 SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O SiO2+CaO====CaSiO3 SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O（此反應(yīng)常用于雕刻玻璃） 誤區(qū)警示　堿性溶液的保存不能用磨口玻璃塞，可用玻璃瓶盛裝堿性液體，但不能蓋磨砂玻璃塞，以防SiO2與NaOH(aq)等反應(yīng)，生成的一種黏合劑Na2SiO3使瓶塞和瓶口黏合在一起。 3.二氧化硅的用途 二氧化硅的用途廣泛，常用于制造石英表中的壓電材料和高性能的現(xiàn)代通訊材料——光導(dǎo)纖維。 案例2無論是傳統(tǒng)的或是新型的無機(jī)非金屬材料，硅元素都占有非常重要的地位。由于硅在太陽(yáng)能發(fā)電中的重要作用，有些科學(xué)家稱硅是“二十一世紀(jì)的能源”，下列關(guān)于硅的說法不正確的是（　?。┆? A.自然界中硅單質(zhì)的含量居各元素的第二位 B.高純度的硅是制半導(dǎo)體的重要材料 C.水泥、玻璃和陶瓷都是傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)產(chǎn)品 D.二氧化硅可用于制光導(dǎo)纖維 【剖析】 由于自然界中硅元素主要以化合態(tài)的形式存在，所以硅元素的含量在自然界中占第二位，而不是硅單質(zhì)的含量。 【答案】 A 【借題發(fā)揮】 關(guān)于二氧化硅的考查還可以考查二氧化硅與堿溶液的反應(yīng)、與堿性氧化物的反應(yīng)以及二氧化硅的用途等等。 三、硅酸鹽與無機(jī)非金屬材料 1.傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料 （1）硅酸鹽材料是傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料，其制品性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，大多數(shù)難溶于水。（2）玻璃：制造普通玻璃的原料是純堿、石灰石和石英。 SiO2+Na2CO3====Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3====CaSiO3+CO2↑ 玻璃沒有固定的熔沸點(diǎn)。 （3）水泥：制造水泥的主要原料有石灰石和黏土。普通水泥的主要成分是硅酸三鈣、硅酸二鈣和鋁酸三鈣等。水泥具有水硬性，與水摻和攪拌靜置，很容易凝固變硬。 疑難突破　Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3同Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑矛盾嗎？ 許多同學(xué)會(huì)認(rèn)為Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3同Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑發(fā)生矛盾，其實(shí)并不矛盾。前者是在水溶液中進(jìn)行的，由于H2CO3酸性比H2SiO3強(qiáng)，所以H2CO3跟硅酸鹽反應(yīng)生成H2SiO3。后者是在高溫下進(jìn)行的，由于CO2為氣體，生成后立即離開反應(yīng)體系，使反應(yīng)向右進(jìn)行到底。 2.陶瓷材料 （1）高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：主要包括氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。氮化硅具有較高的硬度和耐磨性、較強(qiáng)的抗化學(xué)侵蝕性和電絕緣性等。 （2）生物陶瓷 （3）壓電陶瓷：具有壓電效應(yīng)的陶瓷。目前應(yīng)用比較廣泛的壓電陶瓷以鈦酸鋇（BaTiO3）和鈦酸鉛（PbTiO3）為主要成分。 案例3想一想，下列選項(xiàng)中哪一種物質(zhì)可與陶瓷、鋼化玻璃、高強(qiáng)度水泥歸為一類（　　） A.光導(dǎo)纖維 B.有機(jī)玻璃 C.磚瓦 D.人造纖維 【剖析】 從題目中給定的幾種物質(zhì)分析可知，這些物質(zhì)均屬于硅酸鹽產(chǎn)品，結(jié)合各選項(xiàng)中物質(zhì)的主要成分可知A項(xiàng)可以和它們歸為一類。 【答案】 A 【借題發(fā)揮】 有關(guān)硅酸鹽與無機(jī)非金屬材料的考查還可以考查硅酸鹽的改寫、硅酸鹽材料在日常生活中和高新科技領(lǐng)域的應(yīng)用等等。 活學(xué)巧用 1.下列有關(guān)說法中正確的是（　?。┆? A.硅單質(zhì)既不能與酸反應(yīng)又不能與堿反應(yīng) B.晶體硅中每個(gè)硅原子與另外四個(gè)硅原子形成4個(gè)共價(jià)鍵 C.硅與NaOH溶液的反應(yīng)中NaOH作氧化劑 D.硅元素在地殼中的含量居第一位 【思路解析】 單質(zhì)硅可以與氫氟酸和強(qiáng)堿溶液反應(yīng)，所以A項(xiàng)錯(cuò)誤；硅與NaOH溶液反應(yīng)時(shí)的氧化劑為水；硅在地殼中的含量?jī)H次于氧，位于第二位。 【答案】 B 2.我國(guó)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電腦芯片“龍芯一號(hào)”的問世，填補(bǔ)了我國(guó)計(jì)算機(jī)制造史上的一項(xiàng)空白。下列對(duì)晶體硅的有關(guān)敘述正確的是（　　） A.晶體硅和金剛石的物理性質(zhì)相似 B.硅在地殼中含量居第二位，可以以游離態(tài)存在于自然界中 C.晶體硅是一種良好的半導(dǎo)體材料，但是它提煉工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴 D.晶體硅具有金屬光澤，故它屬于金屬材料，可以導(dǎo)電 【思路解析】 本題考查硅的性質(zhì)。晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石相似，是具有空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的原子晶體，所以物理性質(zhì)與金剛石相似，熔沸點(diǎn)高，硬度大；硅在地殼中含量居第二位，但在自然界中沒有游離態(tài)的存在，主要以硅酸鹽和二氧化硅的形式存在于自然界中；晶體硅是一種良好的半導(dǎo)體材料，被廣泛使用；晶體硅是一種非金屬單質(zhì)，雖然它具有金屬光澤。 【答案】 A 3.已知Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑，2Al+2NaOH+2H2O====2NaAlO2+3H2↑，硅不與鹽酸反應(yīng)。將含鐵、鋁、硅的合金樣品分為等質(zhì)量的兩份，分別與足量的稀鹽酸和燒堿溶液充分反應(yīng)，測(cè)得放出氫氣的質(zhì)量相同。則該合金樣品中鐵、鋁、硅的質(zhì)量比不可能是（　?。? A.112∶81∶28　　　　　　 B.336∶27∶84 C.324∶135∶36 D.56∶81∶56 【思路解析】 由于Fe+2HCl====FeCl2+H2↑，Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑，所以欲使上述兩種情況下產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量相同，則必有鐵和硅的質(zhì)量比滿足4∶1。 【答案】 CD 4.光纖通訊是一種現(xiàn)代化的通訊手段，制造光導(dǎo)纖維的主要原料是（　?。┆? A.CaCO3　　 B.SiO2 C. CaO　　 D.Na2SiO3 【思路解析】 制造光導(dǎo)纖維的主要原料是二氧化硅。 【答案】 B 5.二氧化硅是酸酐的原因是（　?。┆? A.它溶于水得相應(yīng)的酸 B.它對(duì)應(yīng)的水化物是可溶性強(qiáng)酸 C.它與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)只生成鹽和水 D.它是非金屬氧化物 【思路解析】 二氧化硅能夠與堿溶液反應(yīng)只產(chǎn)生鹽和水，所以二氧化硅是酸性氧化物。 【答案】 C 6.下列有關(guān)實(shí)驗(yàn)室保存一些藥品的說法，正確的是（　　） A.氫氟酸不能貯存于玻璃瓶中 B.盛放濃硫酸應(yīng)當(dāng)用帶有磨口玻璃塞的廣口瓶 C.盛放硝酸銀應(yīng)當(dāng)使用棕色瓶 D.因?yàn)榘彼侨鯄A溶液，所以可以使用磨口玻璃塞 【思路解析】 由于HF能夠與玻璃的主要成分反應(yīng)，所以HF不能保存在玻璃瓶中；液體或溶液通常保存在細(xì)口瓶中，堿性溶液通常用橡膠塞保存。 【答案】 AC 7.在下列反應(yīng)里，氧化劑和還原劑物質(zhì)的量比與質(zhì)量比一致的是（　?。┆? A.Cl2+H2O====HClO+HCl B.H2S+SO2====S↓+H2O C.SiO2+CSiC+CO↑ D.Si+O2====SiO2 【思路解析】 當(dāng)氧化劑、還原劑是同一種物質(zhì)時(shí)，它們的物質(zhì)的量比一定等于質(zhì)量比。 【答案】 AC 8.可以用來制取半導(dǎo)體材料（如大規(guī)模集成電路）的是（　?。┆? A.二氧化硅　 B.粗硅　　 C.高純硅　 D.硅酸鹽 【思路解析】 制取半導(dǎo)體材料的主要是硅和鍺等元素的單質(zhì)。 【答案】 C 9.24 g石英和80 g石灰石在高溫下充分反應(yīng)，放出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積是（　?。〢.4.48 L　 　 B.8.96 L　 　 C.11.2 L　　 D.17.92 L 【思路解析】 由于在高溫下反應(yīng)，所以CaCO3將會(huì)完全分解，產(chǎn)生氣體的體積只與碳酸鈣的量有關(guān)。 【答案】 D 10.某呈堿性的溶液中加入BaCl2溶液，產(chǎn)生白色沉淀，再加入稀HNO3，沉淀不消失，則該溶液中存在的離子可能為（　?。┆? A. B. C. D.  【思路解析】 堿性溶液中，銀離子不能存在，加硝酸可將亞硫酸鋇氧化為硫酸鋇而不溶解，硅酸不溶于水，答案是B、D。 【答案】 BD 11.下列材料的特征及用途說法不正確的是（　?。┆? A.氧化鋁陶瓷具有兩性，可用來制造人造牙齒 B.氧化硅陶瓷耐高溫且不易傳熱，可用來制造柴油機(jī) C.光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的能力很強(qiáng)，是非常好的通訊材料 D.人造剛玉硬度高，可用來制造剛玉球磨機(jī) 【思路解析】 由于氧化鋁具有兩性，容易與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿反應(yīng)，所以不能用于制人造牙齒。 【答案】 A 12.Na2CO3+SiO2====Na2SiO3+CO2↑能說明硅酸酸性比碳酸強(qiáng)嗎？ 【思路解析】 上述反應(yīng)不是在溶液中進(jìn)行，而是在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)行的，SiO2的沸點(diǎn)很高，其化學(xué)反應(yīng)可以看作是分兩步進(jìn)行的：Na2CO3====Na2O+CO2↑，Na2O+SiO2====Na2SiO3，由于CO2的逃逸，使反應(yīng)順利進(jìn)行。故該反應(yīng)不能用于比較酸性強(qiáng)弱，但可以說明Na2SiO3的熱穩(wěn)定性比Na2CO3強(qiáng)。其反應(yīng)原理可理解為用難揮發(fā)的物質(zhì)制易揮發(fā)的物質(zhì)。 【答案】 略 13.高嶺土的組成可表示為Al2Si2Ox(OH)y，其中數(shù)值分別是（　?。┆? A.7、2 B.5、4 C.6、3 D.3、6 【思路解析】 根據(jù)正負(fù)化合價(jià)的代數(shù)和為0可得，故只有B項(xiàng)滿足。 【答案】 B 14.下列材料中含有硅元素的是（　　） ①水泥?、诓ＡА、厶沾伞、苡?jì)算機(jī)芯片　⑤壓電材料⑥光纜 A.①②③④⑤⑥ B.①③⑤ C.①②④ D.④⑤⑥ 【思路解析】 水泥是硅酸鹽材料，備選項(xiàng)中無①不可選，排除D。玻璃也是硅酸鹽材料，備選項(xiàng)中無②不可選，排除B。 【答案】 A 15.下列屬于新型無機(jī)非金屬材料的是（　?。┆? A.高強(qiáng)度水泥 B.鋼化玻璃 C.氧化鋁陶瓷 D.光導(dǎo)纖維 【思路解析】 水泥、玻璃屬于傳統(tǒng)硅酸鹽材料，也是傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料。 【答案】 CD