2022年高中化学第四章第一节无机非金属材料的主角-硅学案新人教版必修 2.pdf

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1、- 1 - 无机非金属材料的主角 - 硅（第 2 课时）【学习目标】1. 了解硅酸盐以及硅酸盐材料。2了解水泥、玻璃的主要成分和简单生产原理。3了解硅的重要用途，了解硅单质的物理性质。【学习过程】一、硅酸盐1. 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。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表

2、示方法典例化学式法硅酸钠 Na2SiO3硅酸钙 Ca2SiO3氧化物法硅酸钠（ Na2SiO3） ： Na2O?SiO2石棉：（CaMg3Si4O12） ：CaO?3MgO?4SiO2长石：（KAlSi3O8） ： K2O?Al2O3?6SiO2黏土： Al2O3?2SiO2?2H2O 钠长石： NaAlSi3O8：1/2Na2O? 1/2Al2O3?3SiO2 应为：Na2O? Al2O3?6SiO2 3. 硅酸钠：最简单的硅酸盐是硅酸钠，硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火二、无机非金属材料1. 传统硅酸盐工业：硅酸盐产品有着广泛的应用，大

3、家熟悉的玻璃、水泥和陶瓷是常见的硅酸盐产品，也是使用量最大的无机非金属材料。硅酸盐材料原料主要设备主要成分水泥石灰石、黏土水泥回转窑3CaO SiO2、2CaO SiO2、3CaO Al2O3玻璃纯碱、石灰石、石英玻璃窑Na2O CaO 6SiO2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 2 - 陶瓷黏土硅酸盐玻璃、水泥、陶瓷生产的共同点是：都是在高温下，发生了复杂的物理和化学变化。玻璃生产过程中可能发生了那些化学反应

4、：Na2CO3+ SiO2Na2SiO3 + CO2CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO22. 新型无机非金属材料类别特性用途示例高温结构陶瓷硬度极高，耐磨损，耐高温，抗腐蚀，抗氧化能力强，电绝缘性好汽轮机叶片、轴承、发动机部件、 永久性模具氮化硅陶瓷硬度仅次于金刚石，耐高温，且在室温下能导电电热元件碳化硅陶瓷生物陶瓷强度高， 耐磨，无毒，不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植于人体人造牙齿、人造骨骼氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷压电陶瓷可将极其微弱的机械振动转换成信号声呐系统、气象检测、遥控环境保护、 家用电器、压电地震仪钛酸钡陶瓷钛酸铅陶瓷二、单质硅半导体材料特指导电能力介于导体和

5、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单质，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，如二氧化硅、硅酸盐等。常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。（1）晶体结构：单质硅可分为晶体硅和无定形硅两种。晶体硅结构如图所示，为具有正四面体形网状结构的晶体，与金刚石结构相似。（2）物理性质：根据其结构分析可知，晶体硅熔点高、硬度大、有脆性。晶体硅的导电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

6、 - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 3 - 性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。（3）化学性质：硅原子最外层有4 个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。常温下，除与F2、HF和强碱溶液反应外，硅不与其他物质( 如强酸和强氧化剂) 反应。加热时，硅能与 O2、Cl2、C发生化合反应。Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 + 2H2Si + 2F2SiF4 Si + 4HF SiF4+ 2H2Si + O2 SiO2 （4）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

7、原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。制粗硅： SiO22C Si 2CO 制高纯硅： Si 2Cl2SiCl4 SiCl42H2Si 4HCl （5）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。硅及其化合物的特殊性硅的还原性比碳强，而碳在高温下能从二氧化硅中还原出硅。非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，而硅与氢氧化钠等强碱溶液反应产生氢气。非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而硅不但与氢氟酸反应，而且有氢气生成。酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应，而二氧化硅却能与氢氟酸反应，生成四氟化硅和水。无机

8、酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸却难溶于水。在水溶液中，碳酸的酸性比硅酸强，二氧化碳与硅酸钠反应生成碳酸钠和硅酸沉淀在高温下碳酸钠与二氧化硅反应生成硅酸钠和二氧化碳，其原因是在高温条件下，生成的二氧化碳离开反应体系而使反应进行到底。【当堂检测】1. 下列有关硅及其化合物的说法正确的是( ) A晶体硅具有金属光泽，可以导电，属于金属材料B常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅大部分以游离态存在CSiO2是一种酸性氧化物，能够与水反应生成相应的酸D除去 SiO2中混有的 CaCO3可加入适量的稀盐酸名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

9、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 4 - 2. 下列关于碳和硅的比较，正确的是( ) A它们的最高价氧化物都能与水反应生成对应的酸B碳和硅的最高正价都是4 价C硅元素在地壳中的含量占第二位，碳占第一位D碳和硅在自然界存在形式都是既有游离态也有化合态3. 下列不属于硅酸盐产品的是( ) A陶瓷B水泥C玻璃D光导纤维4. 有科学家认为：硅是“ 21世纪的能源”、“未来的石油”，下列有关硅可能成为新型能源的叙述中不正确的是 ( ) A自然界中存在大量硅单质B自然界中的硅易开采，且可再生C硅燃料便于运输、贮存，从安

10、全角度考虑，硅是优质燃料D硅燃料燃烧放出的热量多，其燃烧产物对环境的污染容易有效地控制5. 工业上用焦炭在电炉中( 高温 ) 还原二氧化硅制得含少量杂质的粗硅，同时生成一氧化碳气体。碳化硅(SiC) 具有金刚石的结构，硬度大可用作砂纸、砂轮的磨料，工业上使用焦炭与二氧化硅在高温下反应制得碳化硅，同时生成一氧化碳气体。回答下列问题：(1) 写出制取粗硅的化学反应方程式：_ ，在该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_。(2) 写出制取碳化硅的化学反应方程式：_ ，在该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_。(3) 在制取粗硅和碳化硅的工业生产中，从环境保护和废弃资源再利用的角度来看，可采取的比较

11、理想的附加措施是_ 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 5 - 答案与解析题号答案解析1 DA项，晶体硅属于非金属单质；B项，硅具有亲氧性，自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在；C项， SiO2不与水反应； D 项， SiO2不溶于稀盐酸，可使用稀盐酸除去其中混有的CaCO32 B SiO2不溶于水也不与水反应，A 不正确；在地壳中含量第一的是氧元素，硅占第二位，C 不正确；自然界中有游离态的碳( 金刚石

12、) ，但是没有游离态的硅，因为硅是一种亲氧元素，D不正确3 D 陶瓷、水泥、玻璃都是传统的硅酸盐产品，光导纤维的主要成分是SiO24 A Si元素在自然界中含量丰富，但由于硅具有亲氧性，自然界中无硅单质5 (1)SiO22CSi 2CO 1 2 (2)SiO2 3CSiC 2CO 12 (3) 收集反应生成的CO用作燃料或工业原料利用化合价的升降法判断氧化剂和还原剂，注意在SiC 中 Si 显 4 价，C显 4 价，所以在制取粗硅的反应中， 氧化剂是SiO2，还原剂是C，而在制取SiC的反应中，氧化剂和还原剂都是碳两个反应中都生成 CO ，它既是大气污染物，又是优质燃料，还可以用作其他的工业原料，应该对CO作回收利用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -