鲁科版高中化学必修一学案：第四章元素与材料世界第1节硅无机非金属材料

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1、第 4 章第 1 节硅无机非金属材料【本讲教育信息】一 .教学内容：第 4 章第 1 节硅无机非金属材料二 . 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

2、硅等形式存在。2、单质硅（ 1）物理性质：单质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（ 1410），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 和强碱反应。在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。Si + 2F2 SiF 4Si + 4HF SiF 4 + 2H 2Si+ 2NaOH + H2O NaSiO +2 H223Si+ O2SiO2Si + 2Cl2SiCl 4（ 3）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，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅

3、提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。制粗硅： SiO 2 + 2C高温Si + 2CO制高纯硅： Si + 2Cl 2SiCl 4 SiCl4 + 2H 2Si + 4HCl第 1页（ 4）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：判断下列说法是否正确： 非金属单质不能与碱液反应放出氢气 非氧化性酸不能与非金属单质反应 自然界中含大量的硅单质，其含量仅次于氧（解答： ）（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纯净的二氧化

4、硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。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。常温下与氢氟酸反应，与碱溶液缓慢反应，高温下与碱性氧化物反应。Si O 2+ 4HF SiF 4 + 2H 2OSiO+ 2NaOH Na SiO + H2O223Si O高温CaSiO 32 + CaO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

5、和工艺品等。（ 4） SiO2 被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维，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。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 、硅酸第 2页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 H2SiO3。SiO2 是硅酸的酸酐， 但 SiO 2 不溶于水，所以不能用 SiO 2 与水直接反应得到 H 2SiO3 而只能用可溶性硅酸盐与酸反应制得。如： Na

6、2 SiO3 + CO 2 + H 2 O Na 2CO3 + H 2SiO3H2SiO3 在加热条件下失水变为SiO2 ： H 2SiO3SiO2 + H 2O2、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 Na 2SiO3；硅酸钙 Ca2SiO3 氧化物

7、法：常用的表示方法。如：镁橄榄石（ Mg2SiO4）2MgO SiO2高岭石 Al 2(Si 2O5)(OH) 4 Al2O3 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的组成时，各氧化物的排列顺序为：较活泼金属氧化物较不活泼金属氧化物二氧化硅水（ 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：玻璃熔炉反应原理：将粉碎混匀的原料加强热使之熔化，发生

8、复杂的物理化学变化，冷却即成玻璃。其中主要化学反应是：CaCO3 + SiO 2高温CaSiO3 + CO 2 Na2CO3 + SiO 2高温Na2SiO3 + CO 2 第 3页主要成分：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 6SiO2。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（ 3CaOSiO2），硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（ 3C

9、aOAl 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示例特性用途高温结氮化硅陶瓷硬度极高，耐磨损，耐高温，汽轮机叶片、轴承、发动构陶瓷抗腐蚀，抗氧化能力强，电机部件、永久性模具绝缘性好碳化硅陶瓷硬度仅次于金刚石， 耐高温，电热元件且在室温下能导电生物氧化铝陶瓷强度高，耐磨，无毒，不溶人造牙齿、人造骨骼陶瓷氧化锆陶瓷于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植于人体压电钛酸钡陶瓷可将极其微弱的机械振动转声呐系统、气象检测、遥陶瓷钛酸铅陶瓷

10、换成信号控环境保护、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，则该粗硅中铁和硅的关系正确的是（）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： 1答案： B C解析： 粗硅与盐酸反应是铁与盐酸反应Fe +2HCl FeCl 2 + H 2 ；粗硅与碱反应是硅与碱反应 Si+ 2NaOH+ H O NaSiO + 2H 因放出等量氢气，则铁与硅的物质的量之比为2： 1，223质量比为4：1。点评：本题综合考查了铁、硅的性质，是定性分析与简

11、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。第 4页例 2.下列说法不正确的是（）A.因为 SiO2不溶于水，故HSiO 不是 SiO2对应的酸或者说SiO不是 H SiO 对应的酸酐23223B. 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， H SiO中 Si 为 4 价，且 H SiO （加热）SiO2 H O , 故 A23232项错误， B 项发生的反应： Na2SiO3 + CO 2 (少量 ) H 2O H2SiO3 + Na

12、 2CO3D 项发生的反应为：4HF+ SiO2 SiF 4 + 2H 2O点评：学习物质的性质既要注意共性，还要注意特性；既要知道一般规律，还要知道特殊规律。例 3.下列溶液中加入氯化钡溶液生成白色沉淀，在加入稀硝酸震荡， 白色沉淀不消失的是 （）A. Na2SiOB. Na COC. Na SOD. Na PO3232334答案： A C解析： BaCO 和 Ba 3(PO4 ) 2均为白色沉淀， 二者均溶于 HNO,BaSiO3溶于 HNO 后又生成 H2SiO3，333BaSO溶于硝酸后生成BaSO。34点评：本题表面上是考查复分解反应，实际却包含了氧化还原反应的知识，解题要注意思维的

13、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： Mg Si O nH O。2382（ 1）用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式。（ 2）写出该药物中和胃酸的化学方程式。答案：（1） 2MgO 3SiO 2 nH2O（ 2） 2MgO 3SiO 2 nH2O + 4HCl 2MgCl 2 + (n+2) H 2O + 3SiO 2 解析： 用氧化物的形式表示硅酸盐的时候，应注意书写原则：活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水第二问若直接写三硅酸镁与盐酸反应，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）能与盐酸反应，而 SiO2 不能与盐酸反应可当成杂质，最后写出正确的方程式。评注：本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，同时本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应生成盐和水。第 5页