第3节　无机非金属材料

1、化 学第三节无机非金属材料目 标 素 养1.掌握硅酸盐的化学性质。2.了解硅酸盐产品和新型无机非金属材料。3.了解硅和二氧化硅的结构、性质和用途。4.了解二氧化硅与二氧化碳有关性质的对比。5.重点了解硅酸盐等无机非金属材料的基本组成、性能和用途。6.了解硅酸盐的空间结构,根据结构的特殊性,了解硅酸盐的物理性质与化学性质的影响因素。7.记住玻璃、水泥、陶瓷的制备原料。8.了解新型无机非金属材料的性质特点。知 识 概 览 一、三种硅酸盐产品的对比 点拨 传统无机非金属材料在原料、工艺、产品成分等方面的共同特点是以含硅物质为原料;都经过高温烧制;产品成分均为硅酸盐。水玻璃成分与玻璃的成分相同吗?提示

2、:Na2SiO3的水溶液称水玻璃,因此水玻璃与玻璃的成分不相同。二、单质硅、二氧化硅与半导体材料1.半导体材料。(1)特点:特指导电能力介于导体与绝缘体之间的一类材料。(2)实例:现在最广泛使用的半导体材料是硅。2.硅的存在。 3.硅的工业制备。(1)制粗硅。用焦炭在高温下还原二氧化硅可得粗硅,化学方程式为(2)粗硅精炼。粗硅在高温下与HCl反应生成三氯硅烷,三氯硅烷再经H2还原制得高纯度的硅,化学方程式为4.二氧化硅。(1)存在:SiO2广泛存在于自然界中,是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称水晶。(2)化学性质。SiO2是一种酸性氧化物,但SiO2不能与水反应生成相应的酸。具有酸性氧

3、化物的通性:a.常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水:b.高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐:特性:与氢氟酸(HF)反应SiO2+4HF=SiF4+2H2O。此反应常被用来刻蚀玻璃。三、新型无机非金属材料1.高纯硅具备半导体性能,可以制成计算机、通信设备的芯片等。2.二氧化硅可以生产通信量大的光导纤维。3.新型陶瓷中的高温结构陶瓷,如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷;透明陶瓷,如氧化铝陶瓷、氧化钇陶瓷等。4.碳纳米材料,主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶为什么不能使用玻璃塞?提示:因为常温下氢氧化钠与玻璃中的二氧化硅缓慢地发生反应生成矿物胶硅酸钠,使瓶口与瓶塞黏在一起。反应

4、的化学方程式为SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O。一 硅酸盐和传统无机非金属材料重难归纳1.性质。(1)多数硅酸盐难溶于水,常见易溶于水的硅酸盐有Na2SiO3、K2SiO3等。(2)一般硅酸盐硬度高,耐高温,难分解。(3)硅酸酸性弱,且不溶于水,所以硅酸盐能与酸反应。2.硅酸钠。(1)物理性质:可溶于水,水溶液俗称“水玻璃”。“水玻璃”具有很强的黏合性,是建筑行业常用的黏合剂。(2)化学性质:易与酸反应。根据反应SiO2+Na2CO3 CO2+Na2SiO3,能判断硅酸的酸性比碳酸强吗?提示:不能。“强酸制弱酸”一般用于水溶液中的反应。该反应由SiO2生成CO2是在高温下进行的,不

5、是在水溶液环境中进行的。反应能发生是因为产物CO2是气态能脱离反应体系,使反应正向进行。典例剖析硅酸盐具有特殊的性质与应用,回答下列问题:(1)硅酸盐材料是传统无机非金属材料,下列产品属于硅酸盐的是(填序号)。玻璃陶瓷石英玻璃硅芯片光导纤维水泥砖瓦(2)在炼铁、生产水泥、制备玻璃时,都需要的原料是。(3)向Na2SiO3溶液中通入CO2气体,现象是,化学方程式为,说明酸性。(4)我国成功地发射了“嫦娥一号”探测卫星,对月球土壤中14种元素的分布及含量进行探测。月球上的主要矿物有辉石CaMgSi2O6、斜长石KAlSi4O8和橄榄石Mg2Fe2SiO6等,则橄榄石中铁为价,辉石、斜长石及橄榄石属

6、于(填“氧化物”“混合物”或“硅酸盐”),辉石(填“难”或“易”)溶于水。答案:(1)(2)碳酸钙(或CaCO3)(3)生成白色沉淀Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O=H2SiO3+2NaHCO3H2CO3H2SiO3(4)+2硅酸盐难学以致用1.下列有关普通玻璃的说法不正确的是()。A.制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英砂B.玻璃在加热熔化时有固定的熔点C.普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅D.盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,是为了防止烧碱与二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口黏在一起答案:B解析:普通玻璃以纯碱、

7、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融制得,A正确;玻璃是混合物,没有固定的熔点,B错误;普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3、SiO2,C正确;二氧化硅能与NaOH溶液反应生成Na2SiO3,Na2SiO3具有很强的黏合性,因此盛NaOH等强碱性溶液的试剂瓶不得用玻璃塞,D正确。2.下列说法正确的是()。A.制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石B.普通玻璃是电的绝缘体,这种透明的固体物质熔点很低C.等物质的量的SiO2与CaCO3在高温下煅烧,残留物质为混合物D.石英玻璃能经受温度剧变且能抵抗酸碱的腐蚀答案:A二 硅、二氧化硅、新型无机非金属材料重难归纳1.硅的特殊性质(

8、1)一般情况,非金属单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅熔、沸点高,硬度大;非金属单质一般不导电,但Si为半导体,有一定的导电能力。(2)非金属单质一般不与非氧化性酸作用,但Si却能与HF作用:Si+4HF=SiF4+2H2。规律总结2.二氧化硅的特性(1)SiO2是一种酸性氧化物,但它不溶于水,不能直接用它与水反应来制取H2SiO3。(2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的却很高。(3)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能与HF作用: SiO2+4HF=SiF4+2H2O。3.二氧化碳和二氧化硅的比较 (1)碳在自然界中有稳定的单质,硅却没有,能否说明硅的化学性质比碳活泼?提示:不能

9、。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,从氧化还原角度分析,氧化剂、还原剂分别是什么,其物质的量的比值是多少?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等于12。典例剖析1.关于硅的化学性质的叙述中,不正确的是()。A.在常温下,不与任何酸反应B.在常温下,可与强碱溶液反应C.在加热条件下,能与氧气、氯气反应D.硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体答案:A解析:A项,在常温下,Si能与氢氟酸反应,不正确;Si在常温下能与强碱溶液反应,加热条件下也能与Cl2、O2等反应,B、C正确;单质硅有晶体硅和无定形硅

10、两种,D正确。2.关于二氧化硅,下列叙述正确的是(填序号)。化学性质不活泼,熔融氢氧化钠固体可用石英坩埚是酸性氧化物,溶于水显酸性,不溶于任何酸物理性质与CO2相似水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”答案:解析:SiO2化学性质稳定,能与NaOH发生反应,熔融NaOH固体不能用石英坩埚,不正确;SiO2属于酸性氧化物,与H2O不反应,但能与HF反应,不正确;SiO2与CO2结构不同,物理性质差别很大,不正确;正确;光导纤维主要成分为SiO2,SiO2能与碱反应,因此易发生“断路”,正确。学以致用1.科学家提出硅是“21世纪的能源”,这主要是

11、由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列关于硅的说法中正确的是()。A.硅的化学性质很稳定,常温下不能与其他物质发生反应B.硅在自然界中的含量很大,自然界中存在大量的单质硅C.高纯度的硅被用于制作计算机芯片D.高纯度的硅常被用来制造光导纤维答案:C解析:硅的化学性质很稳定,但在常温下能与强碱溶液、HF、F2等反应,A不正确;自然界中硅以化合态形式存在,没有单质硅,B不正确;SiO2用于制造光导纤维,而不是Si,D不正确。2.二氧化硅是玻璃的主要成分之一。下列说法不正确的是()。A.二氧化硅是一种熔点高、硬度大的非金属氧化物B.二氧化硅为酸性氧化物,能与水反应生成硅酸C.实验

12、室不能用磨口玻璃塞试剂瓶盛放氢氧化钠溶液D.氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛放氢氟酸答案:B解析:二氧化硅是硅原子和氧原子按12的数目比形成的具有立体网状结构的晶体,是熔点高、硬度大的固体;二氧化硅是一种不溶于水的酸性氧化物,与水不反应;磨口玻璃塞中的二氧化硅能与氢氧化钠溶液反应,生成具有黏性的硅酸钠,容易使玻璃塞与瓶口黏结在一起;氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛装氢氟酸,常用塑料瓶盛装氢氟酸。1.下列关于无机非金属材料的说法不正确的是()。A.传统无机非金属材料是玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料B.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,具有极大强度C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐

13、蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐答案:D解析:新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料易碎、强度不够等缺点,并且具有特殊结构、特殊功能;新型无机非金属材料的主要成分并不一定是硅酸盐,如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。2.下列关于碳和硅的叙述中,不正确的是()。A.氧化物都能与碱溶液反应B.单质在加热时都能与氧气反应C.碳和硅两种元素都有能导电的单质D.常温下,碳和硅的单质化学性质都不活泼答案:A解析:碳的氧化物有CO和CO2,CO不能与碱溶液反应。3.光导纤维的主要成分是()。A.SiB.SiO2C.Na2SiO3D.SiCl4答案:B解析:光导纤维的主要成分为SiO2。4.(双选)下列说法中正确的是()。A.SiO2溶于水显酸性B.SiO2是一种熔点高、硬度大的非金属氧化物C.光导纤维导电能力很强,是一种很好的通信材料D.SiO2是一种酸性氧化物,它可以与NaOH溶液反应答案:BD解析:SiO2不溶于水也不与水