《金新學案》高三化學一輪 第7章 碳族元素 無機非金屬材料第二節(jié) 硅、二氧化硅 無機非金屬材料課件 大綱人教

第二節(jié)硅、二氧化硅無機非金屬材料1．掌握硅及其重要化合物的性質(zhì)和用途。2．初步了解硅、SiO2晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)關系。3．了解SiO2粉末對環(huán)境及人類健康的影響。4．了解硅酸鹽工業(yè)及新型無機非金屬材料的特征及應用。一、硅及其化合物1．硅硅全部以

形式存在于地殼中，是構(gòu)成

的主要元素。(1)硅晶體的結(jié)構(gòu)及主要物理性質(zhì)結(jié)構(gòu)：

原子晶體。主要物理性質(zhì)：

晶體，有金屬光澤、硬度

、熔、沸點

?；蠎B(tài)礦物和巖石正四面體型空間網(wǎng)狀灰黑色大高(2)主要化學性質(zhì)常溫下與F2、HF、強堿反應，加熱下與O2等反應，反應式分別為：

Si＋2F2===SiF4Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)高純硅的制取，反應式分別為：制粗硅：

提純(與Cl2反應)：

還原(用H2還原)：

2．二氧化硅(1)晶體結(jié)構(gòu)：空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的原子晶體，1個硅原子跟

個氧原子結(jié)合成

個共價鍵，每個氧原子跟

個硅原子相結(jié)合，晶體中硅、氧原子個數(shù)比為

，SiO2是化學式，并不是分子式，1molSiO2含有

molSi—O鍵。1∶24424(2)化學性質(zhì)SiO2是不溶于水的

氧化物?？膳cHF作用(氫氟酸雕刻玻璃)：

與NaOH作用(盛放堿性溶液的試劑瓶不能用磨砂玻璃塞)：

高溫下與Na2CO3、CaCO3反應：

酸性SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2OSiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O3．硅酸與硅酸鹽(1)硅酸：不溶于水，其酸性小于碳酸Na2SiO3＋CO2＋H2O===

，Na2SiO3＋2HCl===

。Na2CO3＋H2SiO3↓2NaCl＋H2SiO3↓(2)硅酸鹽①常用的硅酸鹽是Na2SiO3，俗稱“

”，易溶于水，其水溶液叫做水玻璃，是一種

膠，顯堿性，易吸收空氣中的CO2生成硅酸，因而需

保存。②硅酸鹽是構(gòu)成地殼巖石的主要成分，種類很多，結(jié)構(gòu)復雜，常用氧化物的形式來表示其組成。表示順序一般為活潑金屬氧化物、較活潑金屬氧化物、二氧化硅、水。例如：硅酸鈉Na2SiO3：Na2O·SiO2；鈣沸石CaAl2Si3O10·3H2O：

。泡花堿礦物密封CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O【自我檢測】A、B、C、D、E代表單質(zhì)或化合物，它們之間的相互轉(zhuǎn)換關系如下圖所示。A為地殼中含量僅次于氧的非金屬元素的單質(zhì)，其晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似。請?zhí)羁眨海?1)形成單質(zhì)質(zhì)A的原子的的結(jié)構(gòu)示示意圖為為__________，它的最高高化合價價為________。(2)B的化學學式(分子式式)為__________，B的晶體體類型型為________，B和碳反反應生生成A和E的化學學方程程式是是___。(3)C的化學學式(分子式式)為________，D的化學學式(分子式式)為________。答案：：(1)＋4價(2)SiO2原子晶晶體SiO2＋2CSi＋2CO↑(3)CaSiO3Na2SiO3二、無無機非非金屬屬材料料1．硅酸酸鹽工工業(yè)以含硅物質(zhì)為為原料料，制成硅硅酸鹽鹽產(chǎn)品品的工工業(yè)叫叫做硅硅酸鹽鹽工業(yè)業(yè)。它它包括括水泥泥、玻玻璃、、陶瓷瓷等常常見材材料。。(1)水泥：：普通通水泥泥生產(chǎn)產(chǎn)的主主要原原料：：。水泥泥的成成分是是：。水泥泥具有有性，石石膏作作用是是：。含硅石灰石石、黏黏土、、石膏膏3CaO·SiO2,2CaO·SiO2,3CaO·Al2O3調(diào)節(jié)水水泥的的硬化化速度度水硬(2)玻璃普通玻玻璃的的生產(chǎn)產(chǎn)原料料是：：。主要化化學反反應是是：普通玻玻璃的的成分分以氧氧化物物形式式表示示為Na2O·CaO·6SiO2。普通玻玻璃的的特點點是加加熱后后在一一定溫溫度范范圍內(nèi)內(nèi)，即無無熔、沸沸點。。特種玻玻璃：：鋼化化玻璃璃的成成分同同于。藍玻璃璃的成成分是是加入普普通玻玻璃。。紅玻璃璃的成成分是是加入普普通玻玻璃。。石英玻璃的的成分是，不同于普普通玻璃。。純堿、石灰灰石和石英英熔化固定普通玻璃Co2O3Cu2OSiO2(3)陶瓷陶瓷生產(chǎn)的的主要原料料是。我國的陶都都是，瓷都是。黏土宜興景德鎮(zhèn)2．新型無機機非金屬材材料(1)新型無機非非金屬材料料的特點及及用途特點用途耐

、強度．如氮化硅，制造氣輪機葉片、軸承、永久性模具等具有

特性作半導體、導體、超導體，用于集成電路的基板具有

特性能透過可見光，能使紅外線、雷達射線穿過具有

功能人造牙齒、人造骨骼高溫高電學光學生物(2)種類①高溫結(jié)構(gòu)陶陶瓷：如陶瓷、陶瓷。②光導纖維：：傳導的能力強。。制取光導導纖維的主主要原料是是。氧化鋁氮化硅光SiO2【自我我檢檢測測】(1)礦泉泉水水一一般般是是由由巖巖石石風風化化后后被被地地下下水水溶溶解解其其中中一一部部分分生生成成的的。。此此處處所所指指的的風風化化作作用用是是指指礦礦物物與與水水和和CO2作用用時時的的過過程程。。例例如如，，鉀鉀長長石石(KAlSi3O8)風化化生生成成黏黏土土[Al2Si2O5(OH)4]，此此反反應應的的離離子子方方程程式式為為2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4。①將上上述述復復雜雜硅硅酸酸鹽鹽改改寫寫成成氧氧化化物物形形式式：：KAlSi3O8__________，Al2Si2O5(OH)4______。②這個個反反應應能能夠夠發(fā)發(fā)生生的的原原因因是是__________。(2)用高高嶺嶺土土(主要要成成分分是是Al2O3·2SiO2·2H2O，并并含含有有少少量量的的CaO、Fe2O3)研制制新新型型凈凈水水劑劑(鋁的的化化合合物物)，其其實實驗驗步步驟驟如如下下：：將將土土樣樣和和純純堿堿混混勻勻，，加加熱熱熔熔融融。。冷冷卻卻后后，，用用水水浸浸取取熔熔塊塊，，過過濾濾，，棄棄去去殘殘渣渣。。濾濾液液用用鹽鹽酸酸酸酸化化，，經(jīng)經(jīng)過過濾濾，，分分別別得得到到沉沉淀淀和和溶溶液液，，溶溶液液即即為為凈凈水水劑劑。。①寫出出熔熔融融時時的的主主要要成成分分與與純純堿堿反反應應的的化化學學方方程程式式(Al2O3與純純堿堿反反應應和和SiO2與純純堿堿的的反反應應相相似似)：___________。②實驗驗中中常常用用的的有有瓷瓷坩坩堝堝、、氧氧化化鋁鋁坩坩堝堝和和鐵鐵坩坩堝堝，，本本實實驗驗在在熔熔融融土土樣樣時時，，應應選選用用________坩堝。答案：(1)①K2O·Al2O3·6SiO2Al2O3·2SiO2·2H2O②碳酸的酸性比比硅酸強，由由較強的酸可可制得較弱的的酸(2)①SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑②鐵(1)Si的還原性大于于C，但C卻能在高溫下下還原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑(2)非金屬單質(zhì)跟跟堿液作用一一般無H2放出，但Si卻能放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)非金屬屬單質(zhì)質(zhì)一般般不跟跟非氧氧化性性酸作作用，，但Si能與HF作用：：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑(4)非金屬屬單質(zhì)質(zhì)一般般為非非導體體，但但Si為半導導體。。(5)SiO2是H2SiO3的酸酐酐，但但它不不溶于于水，，不能能直接接將它它與水水作用用制備備H2SiO3。(6)非金屬屬氧化化物的的熔、、沸點點一般般較低低，但但SiO2的熔、、沸點點卻很很高。。(7)酸性氧氧化物物一般般不與與酸作作用，，但SiO2能跟HF作用：：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(8)無機酸酸一般般易溶溶于水水，H2SiO3卻難溶溶于水水。(9)因H2CO3的酸性性大于于H2SiO3，所以以Na2SiO3溶液中中通入入CO2能發(fā)生生下列列反應應：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高高溫下下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能發(fā)發(fā)生。。(10)Na2SiO3的水溶溶液俗俗稱水水玻璃璃，但但它與與玻璃璃的成成分大大不相相同，，硅酸酸鈉又又稱泡泡花堿，，但它它卻是是鹽，，并不不是堿堿。常見非非金屬屬置換換出非非金屬屬的反反應：：2H2＋SiCl4Si＋4HClC＋H2O(g)CO＋H22C＋SiO2Si＋2CO↑Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑O2＋2H2S2S＋2H2O2F2＋2H2O===4HF＋O2Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2Br2＋2KI===2KBr＋I2晶體體硅硅是是一一種種重重要要的的非非金金屬屬材材料料，，制制備備純純硅硅的的主主要要步步驟驟如如下下：：①高溫溫下下用用碳碳還還原原二二氧氧化化硅硅制制得得粗粗硅硅②粗硅硅與與干干燥燥HCl氣體體反反應應制制得得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2③SiHCl3與過過量量H2在1000～1100℃反應應制制得得純純硅硅已知知SiHCl3能與與H2O強烈烈反反應應，，在在空空氣氣中中易易自自燃燃。。請回回答答下下列列問問題題：：(1)第①步制制備備粗粗硅硅的的化化學學反反應應方方程程式式為為_______。(2)粗硅硅與與HCl反應應完完全全后后，，經(jīng)經(jīng)冷冷凝凝得得到到的的SiHCl3(沸點點33.0℃)中含含有有少少量量SiCl4(沸點點57.6℃)和HCl(沸點點－－84.7℃)，提提純純SiHCl3采用的方方法為___。(3)用SiHCl3與過量H2反應制備備純硅的的裝置如如下圖所所示(熱源及夾夾持裝置置略去)：①裝置B中的試劑劑是____________________。裝置C中的燒瓶瓶需要加加熱，其其目的是是________________________。②反應一段段時間后后，裝置置D中觀察到到的現(xiàn)象象是__________，裝置D不能采用用普通玻玻璃管的的原因是是_______，裝置D中發(fā)生反反應的化化學方程程式為________。③為保證制制備純硅硅實驗的的成功，，操作的的關鍵是是檢查實實驗裝置置的氣密密性，控控制好反反應溫度度以及______________。④為鑒定產(chǎn)產(chǎn)品硅中中是否含含微量鐵鐵單質(zhì)，，將試樣樣用稀鹽鹽酸溶解解，取上上層清液液后需再再加入的的試劑(填寫字母母代號)是________。a．碘水b．氯水c．NaOH溶液d．KSCN溶液e．Na2SO3溶液解析：本題是制制取高純純硅的實實驗，反反應原理理是：Si＋3HClSiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2Si＋3HCl。因此要要先制取取H2，由題中中信息知知，SiHCl3與H2O強烈反應應，且在在空氣中中自燃，，因此實實驗中要要除去H2O，故B裝置為干干燥裝置置，實驗驗成功還還得要排排凈裝置置中的空空氣，又又由于SiHCl3與H2需要在1000～1100℃℃間的高溫溫下反應應，故D用耐高溫溫的石英英管，同同時還要要把SiHCl3和H2通入到D中，據(jù)題題中信息息SiHCl3的沸點較較低，故故C用熱水加加熱可以以使SiHCl3揮發(fā)到D中。答案：(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑(2)分餾(蒸餾)(3)①濃H2SO4使滴入燒燒瓶中的的SiHCl3汽化②有固體物物質(zhì)生成成在反反應溫度度下普通通玻璃會會軟化SiHCl3＋H2Si＋3HCl③排盡裝置置中的空空氣④bd[變式訓練練]1.(2011·江蘇徐州州)我國目前前制備多多晶硅主主要采用用三氯氫氫硅氫還還原法、、硅烷熱熱解法和和四氯化化硅氫還還原法。。由于三三氯氫硅硅氫還原原法具有有一定優(yōu)優(yōu)點，被被廣泛應應用。其其簡化的的工藝流流程如下下圖所示示：(1)制備三氯氫氫硅的反應應為：Si(s)＋3HCl(g)===SiHCl3(g)＋H2(g)；ΔH＝－210kJ·mol－1。伴隨的副反反應有：Si(s)＋4HCl(g)===SiCl4(g)＋2H2(g)；ΔH＝－241kJ·mol－1。SiCl4在一定條件件下與H2反應可轉(zhuǎn)化化為SiHCl3，反應的熱熱化學方程程式為SiCl4(g)＋H2(g)===SiHCl3(g)＋HCl(g)；ΔH＝________。(2)由純SiHCl3制備高純硅硅的化學反反應方程式式為_____________。該生產(chǎn)工工藝中可以以循環(huán)使用用的物質(zhì)是是________________(至少寫出兩兩種)。(3)由于SiH4具有易提純純的特點，，因此硅烷烷熱分解法法是制備高高純硅很有有發(fā)展?jié)摿αΦ姆椒?。。工業(yè)上廣廣泛采用的的合成硅烷烷方法是讓讓硅化鎂和和固體氯化化銨在液氨氨介質(zhì)中反反應得到硅硅烷，化學學方程式是是________________________；整個制備備過程必須須嚴格控制制無水，否否則反應將將不能生成成硅烷，而而是生成硅硅酸和氫氣氣等，其化化學方程式式為________________________________________________________________________；整個系統(tǒng)還還必須與氧氧隔絕，其其原因是________________________________。解析：(1)根據(jù)蓋斯定定律，將第第二個熱化化學方程式式跟第一個個相減(左減左、右右減右、ΔH2減ΔH1)即得。(2)、(3)涉及化學方方程式書寫寫，較為容容易。把握握好整個過過程的還原原意識、守守恒原則、、環(huán)保理念念。答案：(1)＋31kJ·mol－1(2)SiHCl3＋H2Si＋3HClHCl、H2、SiHCl3、SiCl4等(3)Mg2Si＋4NH4Cl===SiH4↑＋2MgCl2＋4NH3↑Mg2Si＋4NH4Cl＋3H2O===2MgCl2＋H2SiO3＋4NH3↑＋4H2↑由于硅烷在在空氣中易易燃，濃度度高時容易易發(fā)生爆炸炸(或其他合理理答案)(1)傳統(tǒng)硅酸鹽鹽工業(yè)簡介介(2)兩種新型無無機非金屬屬材料①高溫結(jié)構(gòu)陶陶瓷a．高溫結(jié)構(gòu)構(gòu)陶瓷的優(yōu)優(yōu)點：能經(jīng)經(jīng)受高溫、、不怕氧化化、耐酸堿堿腐蝕、硬硬度大、耐耐磨損、密密度小等。。b．高溫結(jié)構(gòu)構(gòu)陶瓷的種種類氧化鋁陶瓷瓷：又稱人人造剛玉，，具有熔點點很高、硬硬度高的優(yōu)優(yōu)點?？捎糜糜谧髹釄鍒?、高溫溫爐管、球球磨機、高高壓鈉燈的的燈管等。。氮化硅陶瓷瓷：具有硬硬度極高、、耐磨損、、抗腐蝕和和抗氧化能能力等優(yōu)點點?？捎糜谟谥圃燧S承承、汽輪機機葉片、機機械密封環(huán)環(huán)、永久性性模具、發(fā)發(fā)動機部件件等。碳化硼陶瓷瓷：具有熔熔點高、硬硬度大的優(yōu)優(yōu)點。廣泛泛應用于工工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)、原子能能工業(yè)、宇宇航工業(yè)等等。②光導纖維(光纖)a．光導纖維維的特點：：傳導光的的能力非常常強，抗干干擾性能好好，不發(fā)生生電輻射等等。b．光導纖維維的應用：：通訊、醫(yī)醫(yī)療、信息息處理、傳傳能傳像、、遙測遙控控、照明等等。實驗室中硅硅酸鹽材料料儀器問題題(1)盛堿性溶液液的試劑瓶瓶不能用磨磨口玻璃塞塞(SiO2與OH－反應生成把把瓶瓶口與瓶塞塞粘結(jié))；(2)氫氟酸用塑塑料容器貯貯存不能用用玻璃容器器(SiO2與HF反應)；(3)氫氣燃燒火火焰呈淡藍藍色，可是是H2在普通玻璃璃管口燃燒燒火焰為黃黃色(Na＋焰色反應所所致)；(4)瓷坩堝不能能用于加熱熱堿性物質(zhì)質(zhì)。(2010·江蘇)下列有關物質(zhì)質(zhì)的性質(zhì)或應應用的說法不不正確的是()A．二氧化硅是是生產(chǎn)光纖制制品的基本原原料B．水玻璃可用用于生產(chǎn)黏合合劑和防火劑劑C．鹽析可提純純蛋白質(zhì)并保保持其生理活活性D．石油分餾可可獲得乙烯、、丙烯和丁二二烯解析：答案：

D[變式訓練]2.(2009·四川理綜)開發(fā)新材料是是現(xiàn)代科技發(fā)發(fā)展的方向之之一。下列有有關材料的說說法正確的是是()A．氮化硅陶瓷瓷是新型無機機非金屬材料料B．C60屬于原子晶體體，用于制造造納米材料C．纖維素乙酸酸酯屬于天然然高分子材料料D．單晶硅常用用于制造光導導纖維解析：B項，C60屬于分子晶體體；C項，纖維素乙乙酸酯不是天天然高分子材材料；D項，二氧化硅硅常用于制造造光導纖維。。答案：A硅是無機非金金屬材料的主主角，所以硅硅、二氧化硅硅的性質(zhì)、用用途是本節(jié)的的重點。在高高考中主要涉涉及晶體硅、、二氧化硅的的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)質(zhì)比較，傳統(tǒng)統(tǒng)無機非金屬屬材料、新型型無機非金屬屬材料等方面面的知識。題題型有選擇題題、實驗題及及推斷題。以硅為載體，，反映新材料料、新技術(shù)的的知識將被移移植到命題范范圍內(nèi)，主要要考查學生接接受新信息的的能力。1．(2010·山東)下列推斷正確確的是()A．SiO2是酸性性氧化化物，，能與與NaOH溶液反反應B．Na2O、Na2O2組成元元素相相同，，與CO2反應產(chǎn)產(chǎn)物也也相同同C．CO、NO、NO2都是大大氣污污染氣氣體，，在空空氣中中都能能穩(wěn)定定存在在D．新制制氯水水顯酸酸性，，向其其中滴滴加少少量紫紫色石石蕊試試液，，充分分振蕩蕩后溶溶液呈呈紅色色解析：：A項，SiO2是酸性性氧化化物，，對應應的酸酸是硅硅酸，，SiO2與NaOH反應生生成Na2SiO3和H2O；B項，Na2O與CO2反應生生成Na2CO3，Na2O2與CO2反應生生成Na2CO3和氧氣氣；C項，CO、NO、NO2都有毒毒，都都是大大氣污污染物物，NO和空氣氣中的的O2反應生生成NO2，不能能穩(wěn)定定存在在；D項，新新制氯氯水顯顯酸性性，有有強氧氧化性性，向向其中中滴加加少量量石蕊蕊試液液，先先變紅紅(因為酸酸性)后褪色色(因為氯氯水的的強氧氧化性性)。答案：：A2．(2010·廣東)碳酸鋰鋰廣泛泛應用用于陶陶瓷和和醫(yī)藥藥等領領域，，以β－鋰輝輝石(主要成成分為為Li2O·Al2O3·4SiO2)為原料料制備備Li2CO3的工藝藝流程程如下下：已知：：Fe3＋、Al3＋、Fe2＋和Mg2＋以氫氧氧化物物形式式完全全沉淀淀時，，溶液液的pH分別為為3.2、5.2、9.7和12.4；Li2SO4、LiOH和Li2CO3在303K下的溶溶解度度分別別為34.2g、12.7g和1.3g。(1)步驟Ⅰ前，β－鋰輝輝石要要粉碎碎成細細顆粒粒的目目的是是____________。(2)步驟Ⅰ中，酸酸浸后后得到到的酸酸性溶溶液中中含有有Li＋、，，另含含有Al3＋、Fe3＋、Fe2＋、Mg2＋、Ca2＋、Na＋等雜質(zhì)質(zhì)，需需在攪攪拌下下加入入________(填“石灰石石”、“氯化鈣鈣”或“稀硫酸酸”)以調(diào)節(jié)節(jié)溶液液的pH到6.0～6.5，沉淀淀部分分雜質(zhì)質(zhì)離子子，然然后分分離得得到浸浸出液液。(3)步驟驟Ⅱ中，，將將適適量量的的H2O2溶液液、、石石灰灰乳乳和和Na2CO3溶液液依依次次加加入入浸浸出出液液中中，，可可除除去去的的雜雜質(zhì)質(zhì)金金屬屬離離子子有有______________。(4)步驟驟Ⅲ中，，生生成成沉沉淀淀的的離離子子方方程程式式為為________。(5)從母母液液中中可可回回收收的的主主要要物物質(zhì)質(zhì)是是________。解析析：：本題題主主要要涉涉及及離離子子除除雜雜問問題題。。(2)把酸酸性性溶溶液液答案案：：(1)增大大固固液液接接1．(2008·全國國Ⅱ理綜綜)對于于ⅣA族元元素素，，下下列列敘敘述述中中不不正正確確的的是是()A．SiO2和CO2中，，Si和O、C和O之間間都都是是共共價價鍵鍵B．C、Si和Ge的最最外外層層電電子子數(shù)數(shù)都都是是4，次次外外層層電電子子數(shù)數(shù)都都是是8C．CO2和SiO2都是是酸酸性性氧氧化化物物，，在在一一定定條條件件下下都都能能和和氧氧化化鈣鈣反反應應D．該該族族元元素素的的主主要要化化合合價價是是＋＋4和＋＋2解析：A項中SiO2、CO2均為共價答案：

B2．(2009·重慶理綜綜)材料與化化學密切切相關，，表中對對應關系系錯誤的的是材料主要化學成分A剛玉、金剛石三氧化二鋁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、石英二氧化硅解析：A項，剛玉玉的主要要化學成成分為三三氧化二二鋁，而而金剛石石的主要要化學成成分為碳碳。答案：A3．(2007·廣東)下列說法法正確的的是()A．硅材料料廣泛應應用于光光纖通訊訊B．工藝師師利用鹽鹽酸刻蝕蝕石英制制作藝術(shù)術(shù)品C．水晶項項鏈和餐餐桌上的的瓷盤都都是硅酸酸鹽制品品D．粗硅制制備單晶晶硅不