非金属及其化合物备课资料

二氧化硅与光导纤维（一）光纤的工作原理光导纤维是一种能引导光线进行曲线传播的光传输材料，简称光纤。它是由两种不同的玻璃制造的，中央的纤芯玻璃被包层玻璃包围。纤芯玻璃和包层玻璃具有不同的折射率，光沿着中央纤芯传播，当光线到达纤芯和包层交界处，光线被反射回纤芯，这样光就被保持在纤芯里，因此无论光纤如何弯曲，光总能从光纤的一端射进，从另一端射出，而且所受的影响非常微小，就像电流能沿着弯曲的电线传输一样。制造光纤的最大困难就是保持玻璃足够纯净，因为不纯净将会散射和吸收光。激光能沿着一条由相当纯净的玻璃制成的光纤传播100多千米而强度又很少损失。用于制光纤的玻璃是如此纯净，以至于你能看透用这种玻璃制成的1km厚的玻璃块（普通玻璃在lm厚时就不透明了）。（二）光纤和远距离通信由于光纤具有纤细、柔软、质轻、透光性好、不受干扰、成本低等优点，故在信息社会的今天，光纤已成为一种极其重要的信息传输工具。作为远距离通信的一种载体，光导纤维正迅速地代替铜导线。一根细如发丝（直径为几十微米）的光纤传送几千路通话，而一根铜导线只能传输几十路通话。一个发达国家，没有一个好的远距离通信系统，发展就会受到阻碍。石英和水晶石英的主要成分是SiO2，可用来制造石英玻璃。石英晶体中有时含有其他元素的化合物，它们以溶解状态存在于石英中，呈各种颜色。此外，由于SiO2的结构不同也会使石英产生不同颜色。纯净的SiO2晶体叫做水晶，它是六方柱状的透明晶体，是较贵重的宝石。江苏省东海县素有“水晶之乡”之称。1958年在该县发现我国最大的“水晶王”，质量达。1983年1月又在该县南溜村2m深的地下挖出一块质量为3t高为1.4m的水晶，同时出土的还有一块质量为400kg的水晶体。法国科学家皮埃尔·居里（PierreGurie）发现水晶在受压时能产生一定的电场，这种现象被称为“压电效应”。后来这种“压电效应”被应用在电子工业上。石英薄片在高频率电场作用下，能作间歇性的伸张和收缩，其频率和施加的电场的频率相同。石英的这种伸缩又引起了周围介质产生类似声波。由于水晶和石英具有这种性质，因此被广泛应用在钟表工业和超声技术上。突破思路1．充分利用教材中资料卡片结合硅原子结构特点明确为什么SiO2比CO2更容易生成，自然过渡至硅在地球上主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。2．重点学习二氧化硅（SiO2）、硅酸盐的有关化学性质，在这部分学习中重视实验，把实验作为探究知识、验证知识的重要手段。3．如果学生能真正理解了二氧化硅、硅酸盐化学性质的话，那么本节第三部分人类在远古时期就已利用硅的化合物，而直至18世纪下半叶才制备出硅单质也就不言自明了。4．本节教材内容较多、信息量大，建议多采用电化教学手段，提高课堂容量，为学生提供更多感性知识，教学中多采用讨论法，引导学生对感性知识进行归纳，紧扣主题。5．建议按以下线索归纳本节知识：相关链接关于C60。（一）C60的发现1985年，美国科学家克罗托（H．W．K．kroto）等用质谱仪，严格控制实验条件，得到以C60为主的质谱图。由于受建筑学家布克米尼斯特·富勒（BuckminsterFuller）设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托（Kroto）等提出C60。是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻的3个碳原子相连，剩余的p轨道在C60分子的外围和内腔形成键。随后将C60分子命名为布克米尼斯特·富勒烯（Buckminsterfullerene）。由于C60分子的结构酷似足球，所以又称其为足球烯（Footballene）。除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C32、C50、C70、C84、……C240、C540等，统称为Fullerenes，中文译名为富勒烯。（二）C60的超导性1991年，赫巴德（Hebard）等首先提出掺钾C60具有超导性，超导起始温度为18K，打破了有机超导体（Et）2Cu[N（CN）2]Cl超导起始温度为的纪录。不久又制备出Rb3C60的超导体，超导起始温度为29K。下表列出了已合成的各种掺杂C60的超导体和超导起始温度，说明掺杂C60的超导体己进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60超导体，超导起始温度分别为8K和28K。有科学工作者预言，如果掺杂C240A3C60的超导起始温度（）（A：K、Rb、Cs）A3K3K2Rb（#1）Rb2K（#2）Rb3Rb2CsRbTl2Cs3/K30新型无机非金属材料（一）无机非金属材料（二）新型无机非金属材料的特性（1）能承受高温，强度高。例如：氮化硅陶瓷在1200℃（2）具有电学特性。一些新型无机非金属材料可以作绝缘体，有的可作半导体、导体、超导体等。一些绝缘性材料常被用于作集成电路的基板。（3）具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出单色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。（4）具有生物功能。一些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植于人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医学上。变式练习1．下列说法正确的是（）A．SiO2溶于水显酸性B．CO2通入水玻璃可得硅酸C．SiO2是酸性氧化物，它不溶于任何酸D．SiO2晶体中不存在单个SiO2分子解析：SiO2不溶于水；SiO2是Si—O键结合而成的空间网状的原子晶体，其中Si、O原子个数比为1∶2，不存在单个的“SiO2”分子。SiO2是酸性氧化物，但不与水和一般酸反应，常温下只能与氢氟酸反应。H2CO3的酸性比H2SiO3强，故CO2通入Na2SiO3溶液中可发生反应：CO2＋Na2SiO3＋H2ONa2CO3＋H2SiO3↓。正确选项为B、D。答案：BD2．下列关于碳和硅的叙述中不正确的是（）A．金刚石和晶体硅都是原子晶体B．地壳中硅元素比碳元素含量多C．自然界里碳元素化合物比硅元素化合物种类多D．碳和硅的氧化物都是分子晶体答案：D3．下列说法正确的是（）A．SiO2溶于水显酸性B．CO2通入水玻璃中可得到原硅酸C．SiO2是酸性氧化物，它不溶于任何酸D．因高温时SiO2与Na2CO3反应放出CO2，所以硅酸的酸性比碳酸强解析：SiO2是一种难溶于水的固体，故A是不正确的。SiO2可与HF作用，故保存氢氟酸时不能使用玻璃瓶。SiO2可与Na2CO3在高温条件下反应是因为生成的CO2气体能不断地从反应体系中逸出，从而促进平衡向正反应方向移动，而并非因为H2SiO3酸性比H2CO3强。答案：B4．10g含有杂质的CaCO3和足量的盐酸反应，产生，则此样品中可能含有的杂质是（）A．KHCO3和MgCO3B．MgCO3和SiO2C．K2CO3和SiO2D．无法确定解析：10gCaCO3刚好相当于，完全反应时恰好可放出的CO2。若其中含有杂质，则应是一个产生CO2的能力强的（等质量的情况产生比CaCO3更多的气体）和另一个产生CO2的能力不如CaCO3或干脆不产生CO2的物质组成的混合物，符合该条件的只有B项。答案：B5．下列物质中不与二氧化硅反应的是（）A．烧碱B．氢氟酸C．硝酸D．生石灰解析：一般而言，酸性氧化物不与酸起反应，但SiO2与HF的反应是此规律的特例。由二氧化硅的化学性质知，SiO2能与NaOH、HF、CaO反应，但不能与HNO3反应。答案：C6．石墨炸弹爆炸时，能在方圆几百米范围内撒下大量的石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏。这是由于石墨（）A．有剧毒B．易燃、易爆C．能导电D．有放射性解析：学习中要将基础知识与实际应用相联系，解题时要善于捕捉关键信息。本题主要考查石墨的性质。根据题干中信息“造成输电线、电厂设备损坏”，可分析知与石墨物理性质中的导电性相关。答案：C7．下列关于二氧化硅的说法中，错误的是（）A．二氧化硅也叫硅酐B．二氧化硅分子由一个硅原子和两个氧原子构成C．不能用二氧化硅跟水直接作用制取硅酸D．二氧化硅既能与氢氟酸反应，又能与烧碱反应，所以它是两性氧化物解析：酸酐与对应的酸中心元素化合价相同，SiO2和H2SiO3的化合价相同，所以SiO2尽管难溶于水，但它仍是硅酸的酸酐，A正确；SiO2为原子晶体，故SiO2不能表示其分子组成，即二氧化硅中并不存在SiO2分子，B错误；二氧化硅难溶于水，且不与水反应，无法直接与水反应制取硅酸，C正确；SiO2与HF酸反应的方程式为：SiO2＋4HFSiF4↑十2H2O，SiF4不是盐，SiO2与HF酸反应只是一种特殊情况，所以不能说SiO2是两性氧化物，D错误。答案：BD8．纯净的碳酸氢钙试样在高温下分解，当剩余的固体物质质量为原试样质量一半时，碳酸氢钙的分解率是（）A．50％B．75％C．％D．100％解析：Ca（HCO3）2＋↑①CaCO3CaO＋CO2↑②由①可知当Ca（HCO3）2全部分解后，剩余固体质量大于一半，所以只有②也发生反应才有可能使质量减少一半。又因为Ca（HCO3）2稍加热就分解，而CaCO3必须在高温下才分解。即当CaCO3发生分解时，Ca（HCO3）2已全部分解完毕。答案：D9．二氧化硅是酸酐的原因是（）A．它溶于水得相应的酸B．它对应的水化物是可溶性强酸C．它与强碱溶液反应只生成盐和水D．它是非金属氧化物解析：SiO2是酸酐的原因应当是它与强碱溶液反应只生成盐和水，它不溶于水，对应的酸H2SiO3也不是强酸，故应选C。答案：C10．下面关于硅的叙述中，正确的是（）A．硅的非金属性比碳强，只有在高温下才能跟氢气起化合反应B．硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位C．硅的化学性质不活泼，在自然界中可以以游离态存在D．硅在电子工业中，是重要的半导体材料解析：硅的非金属性比碳弱，A项错；硅在地壳中的含量在所有的元素中居第二位，排名前四位的是O、Si、Al、Fe，所以B项错；硅在自然界中是以化合态存在的，所以C项也错，答案应选D。答案：D11．证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是（）A．加入过量的盐酸，观察是否有气泡冒出B．加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解C．加热至高温，观察是否有气泡冒出，是否有硅酸钙生成D．先加过量的盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现；若有不溶物则滤出，投入到氢氧化钠溶液中看其是否溶解解析：SiO2不溶于除氢氟酸以外的酸，CaO、CaCO3均可溶于盐酸且CaCO3溶于盐酸有气泡生成，SiO2可以溶于NaOH溶液。本题应选D。答案：D12．实验室中盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，是因为（用化学方程式表示）___________________________。答案：2NaOH＋SiO2Na2SiO3＋H2O13．物质A是一种高熔点化合物，不溶于H2SO4、硝酸，却溶于氢氟酸；C是一种气体；D是白色胶状沉淀；E是白色固体。A、B、C、D、E之间的转化如右图，试推断：A．________；B．_______；C．_______；D．________；E．________。答案：SiO2Na2SiO3CO2H4SiO4H2SiO314．有A、B、C、D四种含硅元素的物质，它们能发生如下反应：（1）C与烧碱溶液反应生成A和水；（2）A溶液与钙盐溶液反应生成白色沉淀D；（3）B在空气中燃烧生成C;（4）C在高温下与碳酸钙反应生成D和一种气体；（5）C在高温下与碳反应生成单质B。根据上述变化，写出A、B、C、D的化学式。答案：Na2SiO3SiSiO2CaSiO3规律总结一、碳和硅的比较碳硅原子半径相对较小相对较大单质晶体类型原子晶体（金刚石）原子晶体单质熔点熔点很高比金刚石稍低氧化物化学式的意义CO2可表示二氧化碳的分子组成SiO2不能表示二氧化硅的分子组成，仅表示二氧化硅中硅原子和氧原子的个数比为1∶2相应酸的特点H2CO3为液态酸H2SiO3、H4SiO4均为固态酸二、二氧化碳和二氧化硅CO2SiO2类别酸性氧化物酸性氧化物晶体类型分子晶体原子晶体熔沸点低较高化学性质CO2＋H2OH2CO3不与水反应，也不溶于水CO2＋2NaOHNa2CO3＋H2OCO2＋NaOHNaHCO3CO2＋CaOCaCO3SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2OSiO2＋CaOCasiO3SiO2＋4HFSiF4↑十2H2O联系Na2SiO3＋CO2＋2H2OH4SiO4＋Na2CO3H4SiO4SiO2＋2H2O三、常见原子晶体金刚石、晶体硅、晶体二氧化硅、碳化硅。合作讨论一、有下列几种说法请大家讨论一下是否正确。1．金属氧化物一定是碱性氧化物。2．非金属氧化物一定是酸性氧化物。3．碱性氧化物不能与碱发生反应。4．碱性氧化物放入碱溶液中不会发生反应。5．酸性氧化物不能与酸发生反应。6．酸性氧化物在酸溶液中不会发生反应。我的思路：1．金属氧化物可以不是碱性氧化物，如Al2O3、ZnO。2．非金属氧化物不一定是酸性氧化物，如CO、NO，没有对应的水合物，它们被称为不成盐氧化物。3．碱性氧化物不能与碱发生反应。4．碱性氧化物放入碱溶液中可以与水发生反应，如：Na2O＋H2O2NaOH，CaO＋H2OCa（OH）2。5．有的酸性氧化物可以与酸发生反应，如：SiO2＋4HFSiF4↑十2H2O。6．酸性氧化物在酸溶液中有的可以发生反应，有的不能发生反应。如SiO2在盐酸中不能发生反应，而SO3在硫酸中却可以发生反应SO3＋H2O＝H2SO4。二、实验室中要熔化NaOH固体，手头上有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚和铁坩埚。请大家讨论我们应当使用哪一种，为什么?我的思路：石英坩埚和陶瓷坩埚中均含有SiO2，在加热的情况下会与NaOH发生反应SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2O，因此应当选用铁坩埚。思维过程本节内容比较琐碎，系统性不是很强，可以对比已学过的碳及其化合物的知识来掌握知识要点并及时准确记忆，同时要认真观察实验，积极讨论和探究反应的本质。我们生活在丰富多彩的硅的化合物的世界中，硅酸盐产品与我们的生活息息相关，各种新型无机非金属材料正在越来越广泛地应用于高科技领域，多联系身边的生产和生活实际，多收集一些资料，对学习这部分内容很有帮助。一、从现象看本质1．Na2SiO3溶液俗称水玻璃。水玻璃显碱性，这是因为Na2SiO3溶于水后发生了这样一个反应：Na2SiO3＋2H2OH2SiO3＋2NaOH。“”号表示这是一个可逆反应，即在相同条件下既能向右进行也能向左进行的一个反应。所以向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞试液时溶液将显示红色。向Na2SiO3溶液中滴入稀盐酸（或稀硫酸等），会得到白色胶状沉淀物，因为发生反应：SiO＋2H＋＋H2O＝H4SiO4↓。H4SiO4称为原硅酸，是H2SiO3与H2O结合的产物。Na2SiO3溶液中滴入过量盐酸后因碱性消失而使酚酞试液的红色褪去。2．水玻璃可用作肥皂填料、木材防火剂及黏胶剂等。所以在Na2SiO3溶液中浸透的小木条或滤纸条放在酒精灯的外焰上不容易燃烧，而用蒸馏水浸透的小木条或滤纸条则不具有这样的性质。（水玻璃常用作建筑黏合剂，观察一下实验室中盛放碱性溶液的试剂瓶用的是什么样的塞子，是用玻璃塞吗?为什么不用呢?）二、认真总结、勤于思考，打好知识基础1．硅在地壳中的含量仅次于氧，居第二位（地壳中排行前四位的元素各是什么?），在自然界中只以化合态存在，一般以SiO2或硅酸盐的形式存在。（元素在自然界中的存在形式与元素的活泼性有关系吗?）晶体硅的结构和金刚石相似，为正四面体的立体网状结构，属原子晶体；硅呈灰黑色，有金属光泽，熔点、沸点高，硬度大，是重要的半导体材料。当前硅已经越来越广泛地应用于计算机、光电池等高科技产品当中。纯净的晶体硅的导电性很差，用于半导体元件的硅含有其他的金属杂质。金刚石和晶体硅的部分结构硅的化学性质不活泼，常温下只与F2、HF和强碱反应。如：Si＋O2SiO2（粉末状的Si可以燃烧）Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑Si＋2H2SiH4（结构类似CH4，但不稳定）工业上制取单质硅是先用石英砂与焦炭反应制取粗硅，再将粗硅进行提纯。Si（粗）＋2Cl2SiCl4SiCl4＋2H2Si（纯）＋4HCl2．在SiO2晶体中每个硅原子与4个氧原子形成4个共价键，每一个硅原子周围结合4个氧原子，同时每个氧原子与2个硅原子结合，其空间结构相当于在晶体硅的结构中每两个硅原子之间插入1个氧原子。因此在二氧化硅晶体中硅原子和氧原子按1∶2的原子个数比组成立体网状结构的原子晶体，故"SiO2”只是化学式，表示了硅、氧原子的个数比，晶体中不存在SiO2SiO2的物理性质主要是熔沸点高、硬度大、不溶于水。我们常见的普通玻璃中就含有SiO2。（SiO2是酸性氧化物，那么能否用SiO2溶于水的办法来制取H2SiO3呢?）SiO2的化学性质主要有：①具有弱氧化性：SiO2＋2CSi＋2CO↑②具有酸性氧化物的通性：CaO＋SiO2CaSiO3SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2O注意：玻璃中含有SiO2，故盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，只能用橡皮塞。③特性：SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2O（腐蚀玻璃）（HF溶于水即得到氢氟酸，那么能不能用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸呢?应当用什么样的试剂瓶?）3．SiO2对应的水化物是硅酸（H2SiO3），所以SiO2是H2SiO3的酸酐，类似于CO2是H2CO3的酸酐。因为SiO2不溶于水，所以H2Si3是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应而制得的。H2SiO3的酸性很弱，甚至比H2CO3还要弱，所以即使将CO2通人Na2SiO3溶液中也可以得到H4SiO4的白色胶状沉淀。Na2SiO3＋2HCl＋H2O2NaCl＋H4SiO4↓（也可写成Na2SiO3＋2HCl2NaCl＋H2SiO3↓）Na2SiO3十CO2＋2H2OH4SiO4↓（白色）＋Na2CO3（也可写成Na2SiO3＋CO2＋H2OH2SiO3↓＋Na2CO3）原硅酸（H4SiO4）很不稳定，在空气中易失水生成硅酸：H4SiO4H2SiO3＋H2O。4．硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，结构复杂、性质稳定，广泛存在于地壳中。最简单而又最常用的是Na2SiO3，其水溶液放置在空气中会变质（为什么?）。地壳中的硅酸盐岩石长期在水的侵蚀下风化为黏土，有水的情况下形成土壤胶体，在此胶体中含有带负电的泥土胶体颗粒，能够吸附NH、K＋等带正电荷的阳离子而使土壤具有保肥能力。在生产和生活中用途较广泛的硅酸盐产品有陶瓷、玻璃和水泥。5．SiC（俗称金刚砂）是硅与碳的化合物，是硬度很大的原子晶体。其晶体的空间结构类似金刚石，只是在其结构中碳原子和硅原子是交替排列的。金刚砂可用作砂纸、砂轮的磨料。至此，我们所遇到的原子晶体已经有四种了：金刚石、晶体硅、二氧化硅晶体、金刚砂。三、学中用，用中学【例1】下列物质的晶体中，不存在分子的是（）A．二氧化硅B．二氧化硫C．二氧化碳D．二硫化碳思路：SO2、CO2、CS2的晶体是由分子构成的，只有SiO2是由Si、O原子直接构成的原子晶体。所以应选A。答案：A【例2】关于二氧化硅，下列叙述中不正确的是（）A．二氧化硅晶体是一种原子晶体B．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸C．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应D．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别思路：SiO2晶体是一种质地坚硬的原子晶体，不溶于水，也不能与水反应而生成H2