《金新学案》高三化学一轮 第7章 碳族元素 无机非金属材料第二节 硅、二氧化硅 无机非金属材料课件 大纲人教

第二节硅、二氧化硅无机非金属材料1．掌握硅及其重要化合物的性质和用途。2．初步了解硅、SiO2晶体结构及性质关系。3．了解SiO2粉末对环境及人类健康的影响。4．了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的特征及应用。一、硅及其化合物1．硅硅全部以

形式存在于地壳中，是构成

的主要元素。(1)硅晶体的结构及主要物理性质结构：

原子晶体。主要物理性质：

晶体，有金属光泽、硬度

、熔、沸点

。化合态矿物和岩石正四面体型空间网状灰黑色大高(2)主要化学性质常温下与F2、HF、强碱反应，加热下与O2等反应，反应式分别为：

Si＋2F2===SiF4Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)高纯硅的制取，反应式分别为：制粗硅：

提纯(与Cl2反应)：

还原(用H2还原)：

2．二氧化硅(1)晶体结构：空间网状结构的原子晶体，1个硅原子跟

个氧原子结合成

个共价键，每个氧原子跟

个硅原子相结合，晶体中硅、氧原子个数比为

，SiO2是化学式，并不是分子式，1molSiO2含有

molSi—O键。1∶24424(2)化学性质SiO2是不溶于水的

氧化物。可与HF作用(氢氟酸雕刻玻璃)：

与NaOH作用(盛放碱性溶液的试剂瓶不能用磨砂玻璃塞)：

高温下与Na2CO3、CaCO3反应：

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

，Na2SiO3＋2HCl===

。Na2CO3＋H2SiO3↓2NaCl＋H2SiO3↓(2)硅酸盐①常用的硅酸盐是Na2SiO3，俗称“

”，易溶于水，其水溶液叫做水玻璃，是一种

胶，显碱性，易吸收空气中的CO2生成硅酸，因而需

保存。②硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，种类很多，结构复杂，常用氧化物的形式来表示其组成。表示顺序一般为活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水。例如：硅酸钠Na2SiO3：Na2O·SiO2；钙沸石CaAl2Si3O10·3H2O：

。泡花碱矿物密封CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O【自我检测】A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转换关系如下图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似。请填空：：(1)形成单质质A的原子的的结构示示意图为为__________，它的最高高化合价价为________。(2)B的化学学式(分子式式)为__________，B的晶体体类型型为________，B和碳反反应生生成A和E的化学学方程程式是是___。(3)C的化学学式(分子式式)为________，D的化学学式(分子式式)为________。答案：：(1)＋4价(2)SiO2原子晶晶体SiO2＋2CSi＋2CO↑(3)CaSiO3Na2SiO3二、无无机非非金属属材料料1．硅酸酸盐工工业以含硅物质为为原料料，制成硅硅酸盐盐产品品的工工业叫叫做硅硅酸盐盐工业业。它它包括括水泥泥、玻玻璃、、陶瓷瓷等常常见材材料。。(1)水泥：：普通通水泥泥生产产的主主要原原料：：。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调节水水泥的的硬化化速度度水硬(2)玻璃普通玻玻璃的的生产产原料料是：：。主要化化学反反应是是：普通玻玻璃的的成分分以氧氧化物物形式式表示示为Na2O·CaO·6SiO2。普通玻玻璃的的特点点是加加热后后在一一定温温度范范围内内，即无无熔、沸沸点。。特种玻玻璃：：钢化化玻璃璃的成成分同同于。蓝玻璃璃的成成分是是加入普普通玻玻璃。。红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。。纯碱、石灰灰石和石英英熔化固定普通玻璃Co2O3Cu2OSiO2(3)陶瓷陶瓷生产的的主要原料料是。我国的陶都都是，瓷都是。黏土宜兴景德镇2．新型无机机非金属材材料(1)新型无机非非金属材料料的特点及及用途特点用途耐

、强度．如氮化硅，制造气轮机叶片、轴承、永久性模具等具有

特性作半导体、导体、超导体，用于集成电路的基板具有

特性能透过可见光，能使红外线、雷达射线穿过具有

功能人造牙齿、人造骨骼高温高电学光学生物(2)种类①高温结构陶陶瓷：如陶瓷、陶瓷。②光导纤维：：传导的能力强。。制取光导导纤维的主主要原料是是。氧化铝氮化硅光SiO2【自我我检检测测】(1)矿泉泉水水一一般般是是由由岩岩石石风风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。。此此处处所所指指的的风风化化作作用用是是指指矿矿物物与与水水和和CO2作用用时时的的过过程程。。例例如如，，钾钾长长石石(KAlSi3O8)风化化生生成成黏黏土土[Al2Si2O5(OH)4]，此此反反应应的的离离子子方方程程式式为为2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4。①将上上述述复复杂杂硅硅酸酸盐盐改改写写成成氧氧化化物物形形式式：：KAlSi3O8__________，Al2Si2O5(OH)4______。②这个个反反应应能能够够发发生生的的原原因因是是__________。(2)用高高岭岭土土(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)研制制新新型型净净水水剂剂(铝的的化化合合物物)，其其实实验验步步骤骤如如下下：：将将土土样样和和纯纯碱碱混混匀匀，，加加热热熔熔融融。。冷冷却却后后，，用用水水浸浸取取熔熔块块，，过过滤滤，，弃弃去去残残渣渣。。滤滤液液用用盐盐酸酸酸酸化化，，经经过过滤滤，，分分别别得得到到沉沉淀淀和和溶溶液液，，溶溶液液即即为为净净水水剂剂。。①写出出熔熔融融时时的的主主要要成成分分与与纯纯碱碱反反应应的的化化学学方方程程式式(Al2O3与纯纯碱碱反反应应和和SiO2与纯纯碱碱的的反反应应相相似似)：___________。②实验验中中常常用用的的有有瓷瓷坩坩埚埚、、氧氧化化铝铝坩坩埚埚和和铁铁坩坩埚埚，，本本实实验验在在熔熔融融土土样样时时，，应应选选用用________坩埚。答案：(1)①K2O·Al2O3·6SiO2Al2O3·2SiO2·2H2O②碳酸的酸性比比硅酸强，由由较强的酸可可制得较弱的的酸(2)①SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑②铁(1)Si的还原性大于于C，但C却能在高温下下还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑(2)非金属单质跟跟碱液作用一一般无H2放出，但Si却能放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)非金属属单质质一般般不跟跟非氧氧化性性酸作作用，，但Si能与HF作用：：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑(4)非金属属单质质一般般为非非导体体，但但Si为半导导体。。(5)SiO2是H2SiO3的酸酐酐，但但它不不溶于于水，，不能能直接接将它它与水水作用用制备备H2SiO3。(6)非金属属氧化化物的的熔、、沸点点一般般较低低，但但SiO2的熔、、沸点点却很很高。。(7)酸性氧氧化物物一般般不与与酸作作用，，但SiO2能跟HF作用：：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(8)无机酸酸一般般易溶溶于水水，H2SiO3却难溶溶于水水。(9)因H2CO3的酸性性大于于H2SiO3，所以以Na2SiO3溶液中中通入入CO2能发生生下列列反应应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高高温下下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能发发生。。(10)Na2SiO3的水溶溶液俗俗称水水玻璃璃，但但它与与玻璃璃的成成分大大不相相同，，硅酸酸钠又又称泡泡花碱，，但它它却是是盐，，并不不是碱碱。常见非非金属属置换换出非非金属属的反反应：：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晶体体硅硅是是一一种种重重要要的的非非金金属属材材料料，，制制备备纯纯硅硅的的主主要要步步骤骤如如下下：：①高温温下下用用碳碳还还原原二二氧氧化化硅硅制制得得粗粗硅硅②粗硅硅与与干干燥燥HCl气体体反反应应制制得得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2③SiHCl3与过过量量H2在1000～1100℃反应应制制得得纯纯硅硅已知知SiHCl3能与与H2O强烈烈反反应应，，在在空空气气中中易易自自燃燃。。请回回答答下下列列问问题题：：(1)第①步制制备备粗粗硅硅的的化化学学反反应应方方程程式式为为_______。(2)粗硅硅与与HCl反应应完完全全后后，，经经冷冷凝凝得得到到的的SiHCl3(沸点点33.0℃)中含含有有少少量量SiCl4(沸点点57.6℃)和HCl(沸点点－－84.7℃)，提提纯纯SiHCl3采用的方方法为___。(3)用SiHCl3与过量H2反应制备备纯硅的的装置如如下图所所示(热源及夹夹持装置置略去)：①装置B中的试剂剂是____________________。装置C中的烧瓶瓶需要加加热，其其目的是是________________________。②反应一段段时间后后，装置置D中观察到到的现象象是__________，装置D不能采用用普通玻玻璃管的的原因是是_______，装置D中发生反反应的化化学方程程式为________。③为保证制制备纯硅硅实验的的成功，，操作的的关键是是检查实实验装置置的气密密性，控控制好反反应温度度以及______________。④为鉴定产产品硅中中是否含含微量铁铁单质，，将试样样用稀盐盐酸溶解解，取上上层清液液后需再再加入的的试剂(填写字母母代号)是________。a．碘水b．氯水c．NaOH溶液d．KSCN溶液e．Na2SO3溶液解析：本题是制制取高纯纯硅的实实验，反反应原理理是：Si＋3HClSiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2Si＋3HCl。因此要要先制取取H2，由题中中信息知知，SiHCl3与H2O强烈反应应，且在在空气中中自燃，，因此实实验中要要除去H2O，故B装置为干干燥装置置，实验验成功还还得要排排净装置置中的空空气，又又由于SiHCl3与H2需要在1000～1100℃℃间的高温温下反应应，故D用耐高温温的石英英管，同同时还要要把SiHCl3和H2通入到D中，据题题中信息息SiHCl3的沸点较较低，故故C用热水加加热可以以使SiHCl3挥发到D中。答案：(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑(2)分馏(蒸馏)(3)①浓H2SO4使滴入烧烧瓶中的的SiHCl3汽化②有固体物物质生成成在反反应温度度下普通通玻璃会会软化SiHCl3＋H2Si＋3HCl③排尽装置置中的空空气④bd[变式训练练]1.(2011·江苏徐州州)我国目前前制备多多晶硅主主要采用用三氯氢氢硅氢还还原法、、硅烷热热解法和和四氯化化硅氢还还原法。。由于三三氯氢硅硅氢还原原法具有有一定优优点，被被广泛应应用。其其简化的的工艺流流程如下下图所示示：(1)制备三氯氢氢硅的反应应为：Si(s)＋3HCl(g)===SiHCl3(g)＋H2(g)；ΔH＝－210kJ·mol－1。伴随的副反反应有：Si(s)＋4HCl(g)===SiCl4(g)＋2H2(g)；ΔH＝－241kJ·mol－1。SiCl4在一定条件件下与H2反应可转化化为SiHCl3，反应的热热化学方程程式为SiCl4(g)＋H2(g)===SiHCl3(g)＋HCl(g)；ΔH＝________。(2)由纯SiHCl3制备高纯硅硅的化学反反应方程式式为_____________。该生产工工艺中可以以循环使用用的物质是是________________(至少写出两两种)。(3)由于SiH4具有易提纯纯的特点，，因此硅烷烷热分解法法是制备高高纯硅很有有发展潜力力的方法。。工业上广广泛采用的的合成硅烷烷方法是让让硅化镁和和固体氯化化铵在液氨氨介质中反反应得到硅硅烷，化学学方程式是是________________________；整个制备备过程必须须严格控制制无水，否否则反应将将不能生成成硅烷，而而是生成硅硅酸和氢气气等，其化化学方程式式为________________________________________________________________________；整个系统还还必须与氧氧隔绝，其其原因是________________________________。解析：(1)根据盖斯定定律，将第第二个热化化学方程式式跟第一个个相减(左减左、右右减右、ΔH2减ΔH1)即得。(2)、(3)涉及化学方方程式书写写，较为容容易。把握握好整个过过程的还原原意识、守守恒原则、、环保理念念。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↑由于硅烷在在空气中易易燃，浓度度高时容易易发生爆炸炸(或其他合理理答案)(1)传统硅酸盐盐工业简介介(2)两种新型无无机非金属属材料①高温结构陶陶瓷a．高温结构构陶瓷的优优点：能经经受高温、、不怕氧化化、耐酸碱碱腐蚀、硬硬度大、耐耐磨损、密密度小等。。b．高温结构构陶瓷的种种类氧化铝陶瓷瓷：又称人人造刚玉，，具有熔点点很高、硬硬度高的优优点。可用用于作坩埚埚、高温温炉管、球球磨机、高高压钠灯的的灯管等。。氮化硅陶瓷瓷：具有硬硬度极高、、耐磨损、、抗腐蚀和和抗氧化能能力等优点点。可用于于制造轴承承、汽轮机机叶片、机机械密封环环、永久性性模具、发发动机部件件等。碳化硼陶瓷瓷：具有熔熔点高、硬硬度大的优优点。广泛泛应用于工工农业生产产、原子能能工业、宇宇航工业等等。②光导纤维(光纤)a．光导纤维维的特点：：传导光的的能力非常常强，抗干干扰性能好好，不发生生电辐射等等。b．光导纤维维的应用：：通讯、医医疗、信息息处理、传传能传像、、遥测遥控控、照明等等。实验室中硅硅酸盐材料料仪器问题题(1)盛碱性溶液液的试剂瓶瓶不能用磨磨口玻璃塞塞(SiO2与OH－反应生成把把瓶瓶口与瓶塞塞粘结)；(2)氢氟酸用塑塑料容器贮贮存不能用用玻璃容器器(SiO2与HF反应)；(3)氢气燃烧火火焰呈淡蓝蓝色，可是是H2在普通玻璃璃管口燃烧烧火焰为黄黄色(Na＋焰色反应所所致)；(4)瓷坩埚不能能用于加热热碱性物质质。(2010·江苏)下列有关物质质的性质或应应用的说法不不正确的是()A．二氧化硅是是生产光纤制制品的基本原原料B．水玻璃可用用于生产黏合合剂和防火剂剂C．盐析可提纯纯蛋白质并保保持其生理活活性D．石油分馏可可获得乙烯、、丙烯和丁二二烯解析：答案：

D[变式训练]2.(2009·四川理综)开发新材料是是现代科技发发展的方向之之一。下列有有关材料的说说法正确的是是()A．氮化硅陶瓷瓷是新型无机机非金属材料料B．C60属于原子晶体体，用于制造造纳米材料C．纤维素乙酸酸酯属于天然然高分子材料料D．单晶硅常用用于制造光导导纤维解析：B项，C60属于分子晶体体；C项，纤维素乙乙酸酯不是天天然高分子材材料；D项，二氧化硅硅常用于制造造光导纤维。。答案：A硅是无机非金金属材料的主主角，所以硅硅、二氧化硅硅的性质、用用途是本节的的重点。在高高考中主要涉涉及晶体硅、、二氧化硅的的结构和性质质比较，传统统无机非金属属材料、新型型无机非金属属材料等方面面的知识。题题型有选择题题、实验题及及推断题。以硅为载体，，反映新材料料、新技术的的知识将被移移植到命题范范围内，主要要考查学生接接受新信息的的能力。1．(2010·山东)下列推断正确确的是()A．SiO2是酸性性氧化化物，，能与与NaOH溶液反反应B．Na2O、Na2O2组成元元素相相同，，与CO2反应产产物也也相同同C．CO、NO、NO2都是大大气污污染气气体，，在空空气中中都能能稳定定存在在D．新制制氯水水显酸酸性，，向其其中滴滴加少少量紫紫色石石蕊试试液，，充分分振荡荡后溶溶液呈呈红色色解析：：A项，SiO2是酸性性氧化化物，，对应应的酸酸是硅硅酸，，SiO2与NaOH反应生生成Na2SiO3和H2O；B项，Na2O与CO2反应生生成Na2CO3，Na2O2与CO2反应生生成Na2CO3和氧气气；C项，CO、NO、NO2都有毒毒，都都是大大气污污染物物，NO和空气气中的的O2反应生生成NO2，不能能稳定定存在在；D项，新新制氯氯水显显酸性性，有有强氧氧化性性，向向其中中滴加加少量量石蕊蕊试液液，先先变红红(因为酸酸性)后褪色色(因为氯氯水的的强氧氧化性性)。答案：：A2．(2010·广东)碳酸锂锂广泛泛应用用于陶陶瓷和和医药药等领领域，，以β－锂辉辉石(主要成成分为为Li2O·Al2O3·4SiO2)为原料料制备备Li2CO3的工艺艺流程程如下下：已知：：Fe3＋、Al3＋、Fe2＋和Mg2＋以氢氧氧化物物形式式完全全沉淀淀时，，溶液液的pH分别为为3.2、5.2、9.7和12.4；Li2SO4、LiOH和Li2CO3在303K下的溶溶解度度分别别为34.2g、12.7g和1.3g。(1)步骤Ⅰ前，β－锂辉辉石要要粉碎碎成细细颗粒粒的目目的是是____________。(2)步骤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＋等杂质质，需需在搅搅拌下下加入入________(填“石灰石石”、“氯化钙钙”或“稀硫酸酸”)以调节节溶液液的pH到6.0～6.5，沉淀淀部分分杂质质离子子，然然后分分离得得到浸浸出液液。(3)步骤骤Ⅱ中，，将将适适量量的的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，，可可除除去去的的杂杂质质金金属属离离子子有有______________。(4)步骤骤Ⅲ中，，生生成成沉沉淀淀的的离离子子方方程程式式为为________。(5)从母母液液中中可可回回收收的的主主要要物物质质是是________。解析析：：本题题主主要要涉涉及及离离子子除除杂杂问问题题。。(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·全国国Ⅱ理综综)对于于ⅣA族元元素素，，下下列列叙叙述述中中不不正正确确的的是是()A．SiO2和CO2中，，Si和O、C和O之间间都都是是共共价价键键B．C、Si和Ge的最最外外层层电电子子数数都都是是4，次次外外层层电电子子数数都都是是8C．CO2和SiO2都是是酸酸性性氧氧化化物物，，在在一一定定条条件件下下都都能能和和氧氧化化钙钙反反应应D．该该族族元元素素的的主主要要化化合合价价是是＋＋4和＋＋2解析：A项中SiO2、CO2均为共价答案：

B2．(2009·重庆理综综)材料与化化学密切切相关，，表中对对应关系系错误的的是材料主要化学成分A刚玉、金刚石三氧化二铝B大理石、石灰石碳酸钙C普通水泥、普通玻璃硅酸盐D沙子、石英二氧化硅解析：A项，刚玉玉的主要要化学成成分为三三氧化二二铝，而而金刚石石的主要要化学成成分为碳碳。答案：A3．(2007·广东)下列说法法正确的的是()A．硅材料料广泛应应用于光光纤通讯讯B．工艺师师利用盐盐酸刻蚀蚀石英制制作艺术术品C．水晶项项链和餐餐桌上的的瓷盘都都是硅酸酸盐制品品D．粗硅制制备单晶晶硅不