2023人教版高中化学必修第二册 第五章 化工生产中的重要非金属元素 第三节 无机非金属材料

第三节无机非金属材料1|硅酸盐材料1.概念:硅酸盐是由Si、O和其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)组

成的化合物的总称。2.结构与性质在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体。每个Si结合4个O,Si在中心,O在四面体的4个顶角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接,每个O为两个四面体所共有,与2个Si相结合。硅氧四面体结构的特殊性,决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。3.常见的传统硅酸盐材料

主要原料主要设备主要成分用途

黏土(主要成分为

含水的铝硅酸盐)——硅酸盐用于生产建筑材

料、绝缘材料、

日用器皿、卫生

洁具等

纯碱、石灰石、

石英砂玻璃窑Na2SiO3、CaSiO3、SiO2用于生产建筑材

料、光学仪器和

各种器皿,还可制

造玻璃纤维

石灰石、黏土水泥回转窑硅酸盐用于建筑材料、

水利工程1.硅和二氧化硅(1)晶体硅的物理性质:晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体,导电性介于导

体与绝缘体之间,是良好的半导体材料,高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源

技术等领域。(2)粗硅的制备:用碳还原二氧化硅制备粗硅,反应的化学方程式是SiO2+2C

Si+2CO↑。(3)高纯硅的制备与提纯(详见定点1)(4)二氧化硅的用途二氧化硅用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大,抗干扰性能好,传输的信

号不易衰减,能有效提高通信效率。2

|新型无机非金属材料2.新型陶瓷(1)新型陶瓷在组成上不一定是硅酸盐,在光学、热学、电学、磁学等方面具有

很多新的特性和功能。(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂,碳原子和硅原子通过共价键连接,具有类似金刚石的

结构,硬度很大,用作砂纸和砂轮的磨料;碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能,可

用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。3.碳纳米材料

概念性能用途

由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,如C60——制碳纳米材料

可看成是由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径比表面积大,有相当高

的强度和优良的电学

性能生产复合材料、电池

和传感器等

只有一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高,

具有很高的强度应用于光电器件、超

级电容器、电池、复

合材料等方面1.水泥和玻璃都是重要的硅酸盐材料,制备二者的共同原料是石灰石。这种说法

正确吗?提示:正确。制备水泥的主要原料是石灰石和黏土,而制备玻璃的主要原料是纯

碱、石灰石和石英砂,故制备二者的共同原料是石灰石。知识辨析2.陶瓷制品、石英玻璃、水泥、玛瑙都属于硅酸盐产品。这种说法正确吗?提示:不正确。石英玻璃、玛瑙的主要成分都是SiO2,不属于硅酸盐产品。3.晶体硅熔点高、硬度大,因此可用于制作半导体材料。这种说法正确吗?提示:不正确。晶体硅熔点高、硬度大与其可用于制作半导体材料没有因果关

系。4.SiO2既能与氢氟酸反应,又能与NaOH溶液反应,说明SiO2是两性氧化物。这种

说法正确吗?提示:不正确。两性氧化物是指既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐

和水的氧化物。SiO2与氢氟酸反应生成SiF4和水,SiF4不是盐,且SiO2不与其他酸

发生反应,因此SiO2是酸性氧化物而不是两性氧化物。5.Si的还原性强于C,但C能与SiO2反应生成Si和CO,这与之前学过的氧化还原反

应规律是矛盾的。这种说法正确吗?提示:不正确。C和Si原子的最外层电子数均为4,C的原子半径小于Si,失电子能

力:C<Si,因此还原性:C<Si,但C与SiO2反应生成Si和CO是在高温条件下进行的,且

生成物CO为气体,从反应体系中逸出,有利于反应的进行,因此两者并不矛盾。

工业上制备高纯硅,一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅,再以其为原料制

备高纯硅。相应的生产流程和反应原理如下:(1)粗硅制备:将石英砂和适量的焦炭混合,并在电弧炉内加热至1800~2000℃可

制得纯度为95%~99%的粗硅。相关反应为SiO2+2C

Si+2CO↑。1高纯硅的制备与提纯

(2)SiHCl3的合成与提纯:将干燥的氯化氢气体和粗硅在合成炉中(300℃)进行反

应,其主要反应为Si+3HCl

SiHCl3+H2。利用合成炉中得到的SiHCl3与杂质氯化物的沸点不同通过分馏法进行提纯。(3)SiHCl3的还原:SiHCl3和氢气混合后,通入还原炉(1100℃)内进行反应,即可得

到高纯硅,反应的化学方程式为SiHCl3+H2

Si+3HCl。

2硅及其化合物的一般规律与特殊性质物质一般规律特殊性质Si硅的还原性强于碳的还原性碳在高温下可从二氧化硅中还

原出硅:2C+SiO2

Si+2CO↑(粗硅的制取)非金属单质与强碱溶液一般不

反应硅可与强碱溶液反应:如Si+2

NaOH+H2O

Na2SiO3+2H2↑非金属单质一般不与非氧化性

酸反应Si可与氢氟酸反应:Si+4HF

SiF4↑+2H2↑非金属单质一般为绝缘体硅为半导体,常用作电子部件SiO2酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸SiO2不溶于水,也不与水反应酸性氧化物一般不与酸发生反应SiO2可与氢氟酸反应:SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O“强酸制弱酸”是复分解反应

的一个规律在高温下,SiO2可与Na2CO3、CaCO3等反应生成CO2:SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑、SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑H2SiO3无机酸一般易溶于水硅酸不溶于水特别提醒

(1)盛Na2SiO3的试剂瓶应密封,否则Na2SiO3吸收空气中的CO2和H2O会

变质生成H2SiO3和Na2CO3。(2)反应Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑不能说明H2SiO3的酸性比H2CO3的强,这是因为“强酸制弱酸”的原理仅适用于在水溶液中

发生的复分解反应,而SiO2与Na2CO3的反应是在高温非水体系中进行的。

典例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C.SiO2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后过滤解析

晶体硅是半导体材料,可以导电,但Si属于非金属元素,A项错误;常温下,硅

的化