_无机非金属材料的主角——硅.ppt

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1、 无机非金属材料无机非金属材料的的主角主角硅硅高考目标：高考目标：1了解了解C Si元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。2了解了解C Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。1 结构结构 +14Si +6C1s22S22P2CSi1s22S22P63S23P22S22P23S23P23P3S2P2S第三周期第三周期IVA族族第二周期第二周期IVA族族2 42 8 4最外层电子数为最外层电子数为4难于得失电子难于得失电子易形成共价化合物易形成共价化合物注意：注意：C能形成极少数离子化合物能形成极少数离子化合物

2、 CaC2 Li2C2 Mg2C3 Al4C3电子排布式：电子排布式：原子结构示意图：原子结构示意图：价电子排布式：价电子排布式：电子排布图：电子排布图：价电子排布图：价电子排布图：位置：位置：性质推导：性质推导：单质结构：单质结构：注意：注意：金刚石：金刚石：石墨：石墨：晶体硅：晶体硅：C60：以以C为中心的正四面体立为中心的正四面体立体网状结构的原子晶体。体网状结构的原子晶体。层状平面正六边形的的网层状平面正六边形的的网状结构，混合型晶体。状结构，混合型晶体。笼状分子的分子晶体。笼状分子的分子晶体。以以Si为中心为中心,O为为正四面体顶点的正四面体顶点的立体网状结构的立体网状结构的原子晶体

3、。原子晶体。614碳碳硅硅存在形态存在形态物理性质物理性质用途用途_用作切割刀具，用作切割刀具， _用作电极、铅笔芯用作电极、铅笔芯 材料和合金材料材料和合金材料硅芯片和硅太阳能电池硅芯片和硅太阳能电池游离态和化合态游离态和化合态化合态化合态 地壳含量第地壳含量第四四2 单质的存在形态、物理性质、化学性质和用途单质的存在形态、物理性质、化学性质和用途熔点高，硬度大。熔点高，硬度大。熔点最高，硬度小，熔点最高，硬度小，电的良导体。电的良导体。熔点低，硬度小。熔点低，硬度小。金刚石：金刚石： 石墨：石墨：C60：无定形碳：无定形碳：金刚石金刚石石墨石墨半导体半导体灰黑色固体，有金属灰黑色固体，有金

4、属光泽、熔点高、硬度光泽、熔点高、硬度大、有脆性。大、有脆性。碳碳硅硅强强还还原原性性 可燃性可燃性O2F2 Cl2H2OCuO FexOy CO2 SiO2H2SO4（浓浓） HNO3（浓浓）HF(aq)NaOH(aq)弱弱氧氧化化性性 H2及其他及其他2C+O2=2CO点燃点燃C+O2= CO2点燃点燃Si+O2=SiO2点燃点燃C+2Cl2=CCl4Si+2Cl2=SiCl4 C+H2O=CO+H2高温高温不反应不反应2CuO+C=2Cu+CO2高温高温不反应不反应CO2+C=2CO高温高温SiO2+2C=Si+2CO高温高温Si+C=SiC高温高温金刚砂金刚砂C+2H2SO4(浓浓)=

5、CO2+2SO2+2H2O不反应不反应不反应不反应不反应不反应不反应不反应C+4HNO3(浓浓)=CO2+4NO2+2H2OSi+4HF=SiF4+2H2Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2高温高温CaCO3=CaO+CO2CaO+3C=CaC2+CO电弧电弧2FeO+Si=SiO2+Fe碳碳硅硅制取制取木炭或煤的干馏等木炭或煤的干馏等粗硅粗硅 SiO2+2C=Si+2CO高温高温电炉电炉 Si+2Cl2=SiCl4精制精制Si SiCl4+2H2= Si+4HCl高温高温 SiO2+3C=SiC+2CO高温高温电炉电炉3 C Si的氧化物的氧化物注意：注意： 与与N2属于等电子体

6、。属于等电子体。无色无味有毒气体，难溶于水，密度和空气相近。无色无味有毒气体，难溶于水，密度和空气相近。注意：注意： 收集方法：收集方法： 密闭环境排水法收集密闭环境排水法收集 可燃性：可燃性：还原性还原性 (1) CO结构：结构：物性：物性：化性化性 用途：用途：C三三O结构式：结构式： 电子式：电子式： 空间构形：空间构形： 直线形直线形: :C O: : :. . .: : 2CO+O2=2CO2点燃点燃金属氧化物：金属氧化物：H2O:CuO Fe3O4 等等 CO+H2O=CO2+H2高温高温冶炼金属冶炼金属 燃料燃料CO2SiO2类别类别结构特点结构特点物理性质物理性质化化学学性性质

7、质H2O碱碱CMg特特殊殊性性HFNa2CO3CaCO3用途用途4 二氧化碳和二氧化硅二氧化碳和二氧化硅酸性酸性氧化氧化物通物通性性弱氧弱氧化性化性由二氧化碳分子构成由二氧化碳分子构成由由O与与Si构成空间网状结构成空间网状结构原子晶体，无单个分子。构原子晶体，无单个分子。熔沸点低、可溶于水熔沸点低、可溶于水 熔沸点高熔沸点高, 硬度大硬度大, 难溶于水难溶于水碱性氧化物碱性氧化物CO2+H2O=H2CO3不反应不反应NaOH+CO2(少量少量 足量足量)CaO+CO2=CaCO3CO2+C=2CO高温高温SiO2+2C=Si+2CO高温高温CO2+2Mg=2MgO+C点燃点燃不反应不反应4H

8、F+SiO2=SiF4+2H2O不反应不反应Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2高温高温CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温酸性氧化物酸性氧化物2NaOH+SiO2=Na2SiO3+H2O高温高温CaO+SiO2 CaSiO3制饮料制饮料 制碳酸盐制碳酸盐光导纤维光导纤维 光学仪器光学仪器 电子部件电子部件SiO5 H2SiO3SiOOOHHO非羟基氧为非羟基氧为2，弱酸。，弱酸。白色胶状固体，难溶于水。白色胶状固体，难溶于水。H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2ONa

9、2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3弱酸性弱酸性(比碳酸弱比碳酸弱)：不稳定性不稳定性:SiO32-+2H+ =H2SiO3H2SiO3=SiO2+H2O强酸制弱酸强酸制弱酸作作干燥剂、催化剂干燥剂、催化剂的载体等。的载体等。6 硅酸盐硅酸盐(1)定义：定义： 由由硅、氧和金属硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。石的主要成分。白色固体白色固体,水溶液水溶液(碱性碱性)是无色黏稠液体是无色黏稠液体,俗称俗称水玻璃水玻璃不用磨口塞子不用磨口塞子, 用橡胶塞

10、用橡胶塞原因原因(2)Na2SiO3 物性：物性：贮存：贮存：化性：化性：用途：用途：强弱酸强弱酸 H2SO4 盐盐 BaCl2 CO2常用于制备黏合剂常用于制备黏合剂 、防腐剂、耐火材料。、防腐剂、耐火材料。原理：原理：化性化性制取制取H2SiO3结构：结构：物性：物性：用途：用途：(3)硅酸盐组成的表示硅酸盐组成的表示方法：方法： 金属氧化物金属氧化物+非金属氧化物非金属氧化物+H2O金属氧化物金属氧化物 按金属性强到弱排列按金属性强到弱排列, 变价金属变价金属: 低价前高价后低价前高价后非金属氧化物非金属氧化物注意注意 按非金属性强到弱按非金属性强到弱，H2O最后。最后。例例1 硅酸钠硅

11、酸钠_ 石棉石棉(CaMg3Si4O12)_高岭石高岭石(黏土黏土)Al2(Si2O5)(OH)4_ 沸石沸石Na2(Al2Si3O10) 3H2O_ 玻璃玻璃Na2SiO3. CaSiO3 .4SiO2 正长石正长石KAlSi3O8_ 纯碱纯碱 石灰石石灰石 石英石英Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2高温高温CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温玻璃熔炉玻璃熔炉玻璃玻璃主要原料：主要原料：主要主要反应反应设备：设备：厂品成分：厂品成分： Na2SiO3 CaSiO3 SiO2(混合物混合物)水泥水泥主要原料：主要原料：主要反应：主要反应：设备：设备：厂品成分：厂品成分

12、：石膏石膏 黏土黏土 石灰石石灰石水泥回转窑水泥回转窑复杂物理化学关系复杂物理化学关系硅酸盐硅酸盐工工 业业(4)硅酸三钙硅酸三钙(3CaO.SiO3) 铝酸三钙铝酸三钙 硅酸二钙硅酸二钙(2CaO.SiO3)(3CaO.SiO3)材料类别材料类别主要特性主要特性示例示例用途用途高温结构陶瓷高温结构陶瓷能承受高温，能承受高温，强度高强度高氮化硅陶氮化硅陶瓷瓷汽轮机叶片、轴承、汽轮机叶片、轴承、永久性模具等永久性模具等半导体陶瓷半导体陶瓷具有电学特性具有电学特性氧化锡陶氧化锡陶瓷瓷集成电路中的半导体集成电路中的半导体光学材料光学材料具有光学特性具有光学特性 光导纤维光导纤维光缆通讯、医疗、照光缆

13、通讯、医疗、照明等明等生物陶瓷生物陶瓷具有生物功能具有生物功能氧化铝陶氧化铝陶瓷瓷人造骨、人造关节、人造骨、人造关节、接骨螺钉接骨螺钉(5) 新型无机非金属材料的种类和用途新型无机非金属材料的种类和用途(5)二氧化硅是酸性氧化物二氧化硅是酸性氧化物, 它可以和碱反应它可以和碱反应 , 但不能与任何酸反应但不能与任何酸反应(1) 单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料。( ) (6) SiO2是酸性氧化物，能与是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应溶液反应，SiO2与少量碳高温与少量碳高温时生成硅和时生成硅和CO2。( ) (4)光导纤维是一种半导体光导纤维是一种半

14、导体。( ) (2) 硅的提纯与应用，促进了半导体元件与集成芯片业的发展，可硅的提纯与应用，促进了半导体元件与集成芯片业的发展，可以说以说“硅是信息技术革命的催化剂硅是信息技术革命的催化剂”。( ) (7) 往往Na2SiO3溶液中通入溶液中通入CO2，会产生白色沉淀，原因是碳酸的，会产生白色沉淀，原因是碳酸的酸性强于硅酸。酸性强于硅酸。( ) (3) 二氧化硅溶于水显酸性二氧化硅溶于水显酸性。( )例例2 判断正误：判断正误：( )(11)氧化铝陶瓷具有两性，可用来制造人造牙齿氧化铝陶瓷具有两性，可用来制造人造牙齿 。( ) (8) 因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸因为高

15、温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸强的酸性比碳酸强。( )(9) 水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂。( ) (10) 硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中塞试剂瓶中。( ) (13) 金刚砂的主要成分是二氧化硅金刚砂的主要成分是二氧化硅，分子晶体；，分子晶体；光纤的主要成分光纤的主要成分是高纯度的单质硅是高纯度的单质硅。( ) (12)水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品。( ) (14) 高岭石的化学式为高岭石的化学式为Al2S

16、i2H4O9，改写为氧化物的形式为，改写为氧化物的形式为Al2O32SiO22H2O。( ) 例例3 除杂除杂粉末状混合物粉末状混合物 试剂试剂 操作操作CaCO3(SiO2)NaCl(SiO2)SiO2(Fe2O3)SiO2(CaCO3)SiO2(H2SiO3)SiO2(NH4Cl)CO2(CO)CO(CO2)CO2(SO2HCl )CO2(HCl )HCl (CO2)Na2CO3(Na2SiO3)NaHCO3(Na2SiO3)Sn+2Cl2= SnCl4Pb+Cl2=PbCl2PbO2+4HCl(浓）浓）= PbCl2+Cl2+2H2OSn2+2Fe3+=Sn4+2Fe2+ 例例4 锡、铅

17、两种元素的主要化合价是锡、铅两种元素的主要化合价是+2和和+4价，其中价，其中+2价锡元素价锡元素 和和+4价铅元素的化合物都是不稳定的，价铅元素的化合物都是不稳定的，+2价锡离子有强还原性，价锡离子有强还原性，+4价铅元素的化合物有强氧化性。例如：价铅元素的化合物有强氧化性。例如：Sn2+还原性比还原性比Fe2+还原性强。还原性强。PbO2的氧化性比的氧化性比Cl2氧化性强。氧化性强。 写出下列反应的化学方程式：写出下列反应的化学方程式： 氯气跟锡热：氯气跟锡热： 。 氯气跟铅热：氯气跟铅热： 。 二氧化铅跟盐酸共热：二氧化铅跟盐酸共热： _。把棕色的把棕色的PbO2投入亚硫酸溶液中充分反应

18、，可观察到把棕色的投入亚硫酸溶液中充分反应，可观察到把棕色的PbO2逐渐变成白色固体物质：逐渐变成白色固体物质：_.红色红色Pb3O4与与Fe3O4类似类似, Pb3O4与盐酸共热：与盐酸共热：_ 能说明能说明Sn2+还原性比还原性比Fe2+还原性强的离子方程式是：还原性强的离子方程式是： 。Pb3O4+8HCl(浓浓)= 3PbCl2+Cl2+4H2OPbO2+H2SO3=PbSO4+H2O 例例5 常温下单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中常温下单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质而硅没有？有稳定的单质而硅没有？ 硅原子的亲氧能力比碳原子更强，更容易与氧

19、结合，主要以二氧硅原子的亲氧能力比碳原子更强，更容易与氧结合，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。化硅和硅酸盐的形式存在。例例6下列材料的特性及用途说法错误的是下列材料的特性及用途说法错误的是( ) A 氧化铝陶瓷具有两性，不可用来制造人造牙齿氧化铝陶瓷具有两性，不可用来制造人造牙齿 B 氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用来制造柴油机氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用来制造柴油机 C 光导纤维导光的能力很强，是非常好的通讯材料光导纤维导光的能力很强，是非常好的通讯材料 D 压电陶瓷十分敏感，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，压电陶瓷十分敏感，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用来制压电地震

20、仪可用来制压电地震仪A例例7 金刚石、金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。 (1)碳与短周期元素碳与短周期元素Q的单质化合仅能生成两种常见气态化合物，的单质化合仅能生成两种常见气态化合物，其中一种化合物其中一种化合物R为非极性分子。碳元素在周期表中的位置是为非极性分子。碳元素在周期表中的位置是_，Q是是_，R的电子式为的电子式为_。 (2)一定条件下，一定条件下，Na还原还原CCl4可制备金刚石，反应结束冷却至室可制备金刚石，反应结束冷却至室温后，回收其中的温后，回收其中的CCl4的实验操作名称为的实验操作名称为_，除去粗产品中，除去粗产品

21、中少量钠的试剂为少量钠的试剂为_。 (3)碳还原碳还原SiO2制制SiC，其粗产品中杂质为，其粗产品中杂质为Si和和SiO2，现将，现将20.0 g SiC粗产品加入到过量的粗产品加入到过量的NaOH溶液中充分反应，收集到溶液中充分反应，收集到0.1 mol氢氢气，过滤得气，过滤得SiC固体固体11.4 g，滤液稀释到，滤液稀释到1L。生成氢气的离子方程。生成氢气的离子方程式为式为_，硅酸盐的物质的量浓度，硅酸盐的物质的量浓度为为_。第二周期第第二周期第A族族氧氧(或或O) 过滤过滤水水(或乙醇或乙醇)Si2OH-+H2O= SiO32-+2H20.17 molL-1:C O: :. . .:

22、 : 例例8 氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在1300反应制得。反应制得。 (1)根据性质推测氮化硅陶瓷的用途是根据性质推测氮化硅陶瓷的用途是_(选填代号选填代号)。A 制汽轮机叶片制汽轮机叶片 B 制有色玻璃制有色玻璃C 制永久性模具制永久性模具 D 制造柴油机制造柴油机 (2)画出氮化硅中，氮的结构示意图：画出氮化硅中，氮的结构示意图：_，试判断氮元素的，试判断氮元素的最低负价为最低负价为_，请从原子结构和化合价两个角度分析推断氮，请从原子结构

23、和化合价两个角度分析推断氮化硅的化学式：化硅的化学式：_。氮。氮氧的第一电离能大小顺序氧的第一电离能大小顺序_,原因原因_电负性大小电负性大小_. (3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，不与其他无机酸反应。氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，不与其他无机酸反应。请写出陶瓷与氢氟酸发生复分解反应的化学方程式：请写出陶瓷与氢氟酸发生复分解反应的化学方程式： _ 。 (4)用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热使四氯化硅和氮用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热使四氯化硅和氮气发生反应，可得较高纯度的氮化硅，则反应的化学方程式为气发生反应，可得较高纯度的氮化硅，则反应的化学方程式为_。A C D-3Si3N4+12HF=3SiF4+4NH33SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl强热强热Si3N4NONOCCO2Na2CO3NaHCO3COCaCO3Ca(HCO3)2O2、HNO3等等O2、SiO2等等MgNaOH、Na2O2等等CCa(OH)2O2等等SiO2、高温等高温等CO2+H2OCa(OH)2或或H+或加热或加热CO2+H2ONaOH或加热或加热Ca(OH)2Ca(OH)2H+SiSiO2H2SiO3Na2SiO3CaSiO3SiCSiF4SiH4 1112SiCl4C Si转化关系转化关系