《硅 无机非金属材料》课件4.ppt

1、第4章材料家族中的元素 第1节硅无机非金属材料,1.了解硅的物理性质、化学性质。 2.了解二氧化硅的性质,认识硅、二氧化硅作为无机非金属材料的特性及其用途。 3.了解硅酸盐等无机非金属材料的基本组成、性能和用途。,一、硅 1.存在 (1)形态:在自然界中,全部以化合态存在。 (2)地壳中的含量:第_位,仅次于氧。 2.物理性质,2,灰黑,半导体,3.化学性质 (1)常温下不活泼,不易与氢气、氧气、_、_、_等物质发生反应。 (2)加热条件下,可与氧气反应,请写出反应方程式: _。 4.工业制法 (1)制法:用焦炭在电炉中还原二氧化硅得粗硅。 (2)原理:_。,氯气,硫酸,硝酸,Si+O2 Si

2、O2,SiO2+2C Si+2CO,5.用途 (1)硅:制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等。 (2)硅合金: 含硅4%的钢可制造变压器铁芯。 含硅15%左右的钢具有耐酸性,制耐酸设备。,二、二氧化硅与光导纤维 1.二氧化硅 (1)自然界中的存在:沙子、_、_的主要成分是二氧化硅。 (2)物理性质:,石英,水晶,固,无,高,大,不,(3)化学性质:二氧化硅化学性质_,一般不与酸反应。 具有酸性氧化物的性质 a:与氢氧化钠溶液反应 反应方程式为_ b:与氧化钙反应 反应方程式为_ 与氢氟酸反应 a:反应方程式为_ b:应用:刻蚀玻璃,不活泼,SiO2+ 2NaOH=Na2SiO3+ H2

3、O,SiO2+CaO CaSiO3,SiO2+4HF=SiF4+2H2O,2.光导纤维 (1)主要成分:_。 (2)用途:用于光纤通讯、能量传输和信息处理等方面。,SiO2,三、硅酸盐与无机非金属材料 1.硅酸盐制品的特点,高,难,2.传统无机非金属材料 (1)玻璃和水泥:,纯碱、石灰石、石英,石灰石、黏土,Na2CO3+SiO2,Na2SiO3+CO2、,CaCO3+SiO2,CaSiO3+CO2,Na2SiO3、CaSiO3、SiO2,3CaOSiO2、2CaOSiO2、,3CaOAl2O3,固定的熔点,(2)陶瓷: 生产原料:_。 重要性质:耐酸碱侵蚀。 3.新型无机非金属材料,黏土,【

4、思考辨析】 1.判断正误 (1)硅是非金属单质,不能导电。( ) 分析:硅是半导体材料,能导电。 (2)常温下,硅的化学性质不活泼,所以自然界中存在大量游离 态的硅。( ) 分析:硅的化学性质虽然不活泼,但自然界中没有游离态的硅。,(3)计算机芯片一般用二氧化硅作材料。( ) 分析:二氧化硅不能导电,计算机芯片一般用硅作材料。 (4)水晶属于硅酸盐产品。( ) 分析:水晶的主要成分为二氧化硅,不是硅酸盐产品。 (5)光导纤维能应用于通讯是因为单质硅具有导电性。( ) 分析:光导纤维的主要成分是二氧化硅,其是一种利用光的全反 射来传导光线的透明度极高的细丝。,2.问题思考 (1)实验室中盛装氢氧

5、化钠溶液的试剂瓶为什么不能用玻璃塞? 分析:氢氧化钠溶液能与二氧化硅反应生成具有黏性的硅酸钠 溶液,其可将玻璃瓶塞与瓶口粘住。 (2)SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应,可以推知SiO2为两 性氧化物吗? 分析:两性氧化物指的是能同时和酸、碱反应生成盐和水的氧 化物,SiO2和氢氟酸反应生成SiF4,它不是金属元素或铵根与酸 根组成的盐。,【知识链接】 硅整流器 一种以晶闸管(电力电子功率器件)为基础,以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器。具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。 太阳能电池 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置

6、。现阶段以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。,水泥的水硬性 水泥的水硬性是指水泥与水拌合后,水泥与水产生水化反应凝结硬化,此凝结硬化的过程可以在水下或潮湿环境中进行。,一、硅单质的特性 1.硅化学性质不活泼,但自然界中没有游离态的硅。 2.非金属单质一般为非导体,但Si为半导体。 3.Si的还原性大于C,但C能在高温下还原出Si: SiO2+2C Si + 2CO。,4.非金属单质跟强碱溶液作用一般无H2放出,但Si能与强碱溶液反应放出H2: Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2。 5.非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能

7、与氢氟酸反应:Si+4HF=SiF4+2H2。,【学而后思】 (1)碳在自然界中有稳定的单质,硅没有,能否说明硅的化学性 质比碳活泼? 提示:不能。对比硅和碳的化学性质可知硅的活泼性不如碳的 活泼性强。 (2)电炉中制粗硅的反应是SiO2+2C Si + 2CO,从氧化 还原反应的角度分析,氧化剂、还原剂分别是什么?其物质的量 的比是多少? 提示:氧化剂是SiO2,还原剂是C,氧化剂与还原剂的物质的量之 比为12。,二、二氧化硅的性质及其与二氧化碳的比较 1.具有酸性氧化物的通性 (1)与氢氧化钠溶液反应,反应方程式为 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O (2)与碱性氧化物反应,反应

8、方程式为SiO2+CaO CaSiO3 2.SiO2的特性 (1)SiO2不溶于水,也不与水反应,不能直接将它与水反应来制 取H2SiO3。 (2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点很高。 (3)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能跟HF作用: SiO2+4HF=SiF4+2H2O。,3.二氧化碳与二氧化硅的比较,【学而后思】 (1)实验室中熔化氢氧化钠固体能否用玻璃坩埚? 提示:不能。玻璃坩埚的主要成分为二氧化硅,氢氧化钠能与二 氧化硅反应,所以熔化氢氧化钠固体不能用玻璃坩埚。 (2)根据反应SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2能否说明硅酸酸 性比碳酸强? 提示

9、:不能。酸性强弱的判断应根据水溶液中发生的反应,硅酸 酸性比碳酸弱。,类型一 CO2和SiO2的性质比较 【典例】下列说法正确的是() A.二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似 B.SiO2和CO2溶于水都显酸性 C.CO2通入Na2SiO3溶液中可制得硅酸 D.SiO2和CO2都是酸性氧化物,不与任何酸反应,【解题指南】解答本题时应注意以下3点: (1)明确SiO2和CO2物理性质差别较大。 (2)掌握常见酸性氧化物化学性质的通性。 (3)掌握SiO2的特殊的化学性质。 【解析】选C。SiO2不溶于水,与水不反应,常温下是固体,硬度较大,在物理性质上与CO2的差别很大;SiO2虽然是酸性氧化物,

10、与很多酸都不反应,但能和氢氟酸反应;由于H2CO3的酸性大于H2SiO3的酸性,故把CO2通入到Na2SiO3溶液中可制得H2SiO3。,【名师点评】在掌握CO2和SiO2的化学性质时,要注意以下2点: (1)两者结构不同,决定了物理性质差别较大。 (2)从类别上,二者均为酸性氧化物,具有酸性氧化物的通性。,【变式训练】下列有关说法正确的是() A.CO2与水反应生成碳酸,是酸性氧化物;SiO2不能与水反应生 成硅酸,不是酸性氧化物 B.NaOH溶液不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放 C.除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质应选用水 D.制备粗硅时,发生的反应为:C+SiO2 Si+CO2,【解析】选B

11、。A项,酸性氧化物是能与碱反应生成盐和水的氧 化物,而不是能与水反应生成酸的氧化物,虽然SiO2不能与水反 应生成硅酸,但SiO2能与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水,是酸性 氧化物,错误;B项,玻璃的成分中含大量二氧化硅,碱性试剂都 不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放,正确;C项,二氧化硅和碳酸 钙都不溶于水,不能用水除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质,错 误;D项,粗硅制备时的反应原理是2C+SiO2 Si+2CO,产 物中生成的是CO,而不是CO2。,【变式备选】下列各组物质在一定条件下能发生反应的是 () SiO2+H2OSiO2+HFSiO2+C SiO2+NaOHCaO+SiO2浓硫酸+Si

12、O2 A.B. C. D. 【解析】选A。SiO2常温下能与NaOH、HF发生反应,高温下可与C、CaO发生反应。,类型二 硅酸盐 【典例】含硅材料有广泛用途。 (1)下列有关硅材料的说法正确的是_(填字母)。 A.碳化硅化学性质稳定,可用于生产耐高温水泥 B.氮化硅熔点高,硬度大,可用于制作高温陶瓷 C.高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料光导纤维 D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的,其熔点很高 E.钢化玻璃通常用于车窗玻璃,破碎时没有尖锐的棱角,(2)氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料,它的硬度大、熔点高,化学性质稳定。请回答下列问题。 工业上普遍采用高纯度硅与纯氮在1 300

13、时反应获得,写出反应的化学方程式_。 根据性质推测氮化硅的用途_(填字母)。 A.制气轮机叶片B.制有色玻璃 C.制永久性模具D.制造轴承,(3)兵马俑中所用颜料成分一直是个谜,近年来科学家才得知大多为硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox,铜为+2价),下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是_。 A.可用氧化物形式表示为BaOCuO2SiO2 B.性质稳定,不易脱色 C.易溶解于强酸和强碱 D.x等于6,【解题指南】解答本题时应注意以下2点: (1)混合物无固定熔点; (2)硅酸盐改写成氧化物形式时注意元素化合价不变化。,【解析】(1)碳化硅熔点高、性质稳定,可用于生产耐高温水泥。B项,氮

14、化硅熔点高,硬度大,可用于制作高温陶瓷或轴承。D项,普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2,属于混合物,无固定的熔点。 (2)氮化硅中氮显-3价,硅显+4价,3Si+2N2=Si3N4;氮化硅是一种重要的结构材料,是一种超硬材料,性质决定用途,A、C、D都是氮化硅的用途。 (3)根据化合物中化合价的代数和为0,所以有2+2+42+ (-2)x=0,所以x=6,硅酸铜钡的化学式为BaCuSi2O6,写成氧化物形式为BaOCuO2SiO2,又因硅酸盐性质稳定,故C错。,答案:(1)A、B、C、E (2)3Si+2N2 Si3N4 A、C、D(3)C,【名师点评】讲解本题时应注意

15、以下2点: (1)准确把握硅酸盐的氧化物表现形式的关键和实质; (2)巩固对传统无机非金属材料和新型无机非金属材料性质的认识。,【方法规律】传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的 比较,氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷 碳化硼陶瓷 光导纤维,【变式训练】回答下列有关硅元素的问题。 (1)下列说法正确的是_。 A.硅酸盐一般不溶于水,它是水泥、陶瓷、玻璃的主要成分 B.H2SiO3既可由SiO2溶于水制得,也可由Na2SiO3和其他酸(如盐酸)反应制得 C.高温下二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,说明硅酸(H2SiO3)的酸性比碳酸强 D.钠长石(化学式Na2OAl2O36SiO2)属于硅的氧化物,(2

16、)无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两类。下列属于传统无机非金属材料产品的是_。 玻璃氮化硅陶瓷砖瓦硅芯片光导纤维 水泥 【解析】(1)选A。二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,不能说明硅酸的酸性比碳酸强;SiO2不溶于水,故H2SiO3不能由SiO2溶于水制得;碳酸酸性比硅酸强;钠长石虽然可表示成氧化物的形式,但不是氧化物,是硅酸盐。 (2)光导纤维的主要成分是二氧化硅,硅芯片是高纯度的硅。 都是新型无机非金属材料。 答案:(1)A(2),【变式备选】下列表述正确的是() 太阳能电池可采用硅材料制作,其应用有利于环保、节能 化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成,

17、玛瑙的主要成分是硅酸盐 三峡大坝使用了大量水泥,水泥是硅酸盐材料 夏天到了,游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛 A.B.C.D.,【解析】选C。太阳能电池无污染;玛瑙的主要成分是二氧化硅;水泥是硅酸盐产品;变色眼镜的有色玻璃片添加了某些有色物质。,1.硅在自然界最主要的存在形式是() 硅二氧化硅硅酸盐 A.B. C. D. 【解析】选C。硅在自然界中无游离态,全部以化合态的形式存在,最主要的存在形式是二氧化硅和硅酸盐,C项正确。,2.下列说法正确的是() A.单质硅能在空气中稳定存在 B.玻璃窑中出来的气体的主要成分是二氧化碳 C.二氧化硅可用作半导体材料 D.SiO

18、2不能与水反应生成H2SiO3,所以SiO2不是酸性氧化物 【解析】选B。硅可与氧气在一定条件下发生反应,单质硅不能在空气中稳定存在;硅可用作半导体材料;SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3和水,SiO2是酸性氧化物。,3.(双选)下列叙述正确的是() A.石灰窑、玻璃熔炉出来的气体的主要成分相同 B.用石灰抹墙和用水泥砌墙过程的硬化原理相同 C.玻璃、陶瓷、水泥容器均不能贮存氢氟酸 D.任何酸均不能与酸性氧化物反应,【解析】选A、C。 石灰窑中:CaCO3 CaO+CO2, 玻璃熔炉中:SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2, SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2,A选项正确。用石灰抹墙的反 应为Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O,因为生成难溶物质CaCO3以 及水分的蒸发而变硬,水泥的硬化是水泥加水成浆后,发生复杂 的物理、化学变化,经