第四章元素与材料世界.docx
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第四章元素与材料世界
第四章元素与材料世界
硅无机非金属材料（第一课时）
【目标解读】
课标要求
核心知识
学习目标
1.根据生产生活中的应
用实例或通过实验了解硅及其重要化合物的性质，
认识其在生产的应用及对生产环境的影响
2。
通过认识硅元素组成的单质－晶体硅无定形硅，了解硅的提纯和用途
1。
半导体材料和单质硅
2。
二氧化硅与光导纤维
3。
硅酸盐与无机非金属材料
1.掌握Si、SiO2的物理性质，化学性质及粗硅的制法
2.了解Si、SiO2作为无机非金属材料的性质及用途
【知识梳理】
一、半导体材料和单质硅
1.硅元素的含量和存在
在地壳里，硅的含量在所有元素中居第位，仅次于氧，全部以态存在。
2.硅的性质
（1）物理性质：
单质硅有和两种。
晶体硅是色、有光泽、硬而脆的固体，是良好的材料
（2）化学性质：
1常温下硅的化学性质稳定，但能和氟气（F2）、氢氟酸（HF）、强碱（NaOH）发生反应。
2在加热条件下，硅能和某些非金属单质（如O2、Cl2）发生反应。
例如与O2的反应为
3.硅的制取
（1）原料：
、；
（2）设备：
；
高温
（3）原理：
SiO2+2C＝Si+2CO2↑
在该反应中，氧化剂是，还原剂是。
该反应属于反应。
4.硅的主要用途
硅用于制造、、硅整流器、太阳能电池等。
二、二氧化硅与光导纤维
1.二氧化硅的存在及物理性质
（1）存在：
二氧化硅广泛存在于自然界中，沙子、石英的主要成分就是二氧化硅。
（2）物理性质：
SiO2不溶于水，熔点，硬度。
2.二氧化硅的结构
二氧化硅晶体是由硅原子和氧原子构成的，晶体中硅原子和氧原子的个数之比是。
3.二氧化硅化学性质
（1）酸性氧化物的性质
①SiO2是的酸酐，不溶于水。
②常温下和溶液反应的化学方程式为：
③高温下SiO2和碱性氧化物（如CaO）反应的化学方程式为：
（2）常温下SiO2和氢氟酸（HF）反应的化学方程式
（3）二氧化硅的弱氧化性：
高温下制取粗硅的化学方程式：
4.光导纤维
（1）概念：
简称“”是一种能利用光的作用传导的透明度极高的细丝。
（2）主要成分：
（3）用途：
、能量传输、信息处理等，光纤的使用节约了大量的人力，物力、财力，且提高了信号传输效率。
三、硅酸盐与无机非金属材料
1.硅酸盐
（1）性质：
硅酸盐制品性质稳定、熔点较高，大都难溶于水。
（2）表示方法：
硅酸盐的组成比较复杂，常用氧化物的形式表示。
表示顺序为：
活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水。
例：
硅酸钠（Na2SiO3）钠长石（NaAlSi3O8）改写成氧化物形式分别为：
，
。
特别提示：
由于硅酸盐的组成与结构很复杂，为了简化对硅酸盐组成的表示方法，采用了氧
化物法。
实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而是以各种复杂的盐的形式存在的.
2.无机非金属材料
（1）传统的无机非金属材料—硅酸盐产品
硅酸盐产品
玻璃
水泥
生产原料
纯碱、、石英
、黏土
生产设备
玻璃熔炉
水泥回转窑
生产过程中
发生的反应
发生复杂的物理、化学变化
主要成分
硅酸三钙
硅酸二钙（2CaO.SiO2）、
铝酸三钙（3CaO.Al2O3）
重要性质
没有固定的
性
（2）新型无机非金属材料
①陶瓷：
如氮化硅（Si3N4）陶瓷。
碳化硅（SiC）陶瓷等。
②陶瓷：
如氧化铝（Al2O3）陶瓷。
氧化锆（ZrO2）陶瓷等.
③陶瓷：
如钛酸钡（BaTiO3）陶瓷。
钛酸铅（PbTiO3）陶瓷等
【知识归纳】
①硅的存在形式：
自然界中有化合物，地壳中含量仅次于氧
1.Si②硅的物性：
晶体硅是灰黑色，有金属光泽；硬而脆的固体，半导体
△
与O2反应：
Si+O2＝SiO2
③硅的化性：
与F2反应：
Si+2F2＝SiF4
与HF反应：
Si+4HF＝SiF4↑+2H2↑
与NaOH反应：
Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑
物性：
熔点高，硬度大
2.SiO2①与NaOH溶液反应：
SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O
高温
化性：
②与碱性氧化物反应：
SiO2+CaO＝CaSiO3
③与HF酸反应：
SiO2+4HF＝SiF4↑+2H2O
3.
玻璃原料、设备
生产中的主要反应
传统的无机非金属材料主要成分
无机非金属材料水泥
新型无机非金属材料：
高温结构陶瓷、生物陶瓷
压电陶瓷
【重难点精讲】
1.碳和单质硅
（1）物理性质
碳和硅的单质都不溶于水和一般溶剂。
它们的熔点、沸点都很高，但碳的更高。
（2）化学性质
碳、硅的单质在常温下化学性质稳定，高温时活泼性增强，主要表现还原性，主要内容见下表。
化学性质（还原性）
碳
硅
与单质
反应
点燃
C+O2＝CO2
△
Si+O2＝SiO2
高温
Si+2Cl2＝SiCl4
与氧
化物
反应
高温
C+CuO＝CO2↑+Cu
高温
3C+Fe2O3＝3CO↑+2Fe
高温
2C+SiO2＝2CO↑+Si
高温
Si+2FeO＝SiO2+2Fe
与氧
化性
酸反
应
△
C+HNO3（浓）＝CO2↑+4NO2↑+2H2O
△
C+2H2SO3（浓）＝CO2↑+2SO2↑+2H2O
不与HNO3、H2SO4反应，但能于HF反应
Si+4HF＝SiF4↑+2H2↑
与水或
碱反应
高温
C+H2O＝CO+H2
Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑
【典例解析】
例1、碳和硅最外层都有4个电子，且都是典型的非金属单质。
以下关于硅和碳的说法中，你认为合理的是（）
1碳和硅常温时都不与任何酸反应。
2硅和强碱溶液反应，碳不反应。
3单质硅比单质碳还原性强。
4单质硅和单质碳都能在氧气中燃烧。
5单质硅和单质碳都能与氢氟酸反应
6硅能与氯气化合生成四氯化硅，碳也能与氯气化合生成四氯化碳。
⑦硅可以制造集成电路，也可以制造硅合金
【解析】本题是考查碳和硅的基础知识的题目。
碳和硅原子的最外层都有4个电子，故它们组成的单质的化学性质有相似之处：
碳和硅在常温下化学性质稳定，在高温下分别能与氧气等物质反应，但硅在常温下还能与氟气、氢氟酸和强碱反应而碳不能。
单质硅的还原性比碳强。
答案：
②③④⑥⑦
例2、有A、B、C、D四种含硅元素的物质，它们能发生如下反应：
1C与烧碱溶液反应生成A和水；
2A溶液与钙盐溶液反应生成白色沉淀D；
3B在空气中燃烧生成C；
4C在高温下与碳酸钙反应生成D和一种气体；
5C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：
A,B,C,D。
【解析】此题涉及的知识点主要有Si、SiO2和硅酸盐的化学性质，旨在考查学生的综合推断能力。
能与烧碱反应的含硅物质有Si、SiO2和H2SiO3，由①知A为Na2SiO3；由②知D为CaSiO3；由④知C为SiO2，发生的反应为SiO2+CaCO3
CaSiO3+CO2↑；由⑤知B为Si，发生的反应为SiO2+2C
Si+2CO↑；由③验证以上推断合理。
【答案】Na2SiO3SiSiO2CaSiO3
例3、将2.8g硅粉与2.3g钠同时放入足量水中，采用恰当的方法收集反应过程中产生的气体（全部收集），这些气体在标准状况下的体积为（）
A．1.12LB．4.48LC．5.6LD．3.36L
【解析】本题重点考查钠与水、硅与碱溶液的反应的有关计算。
2Na+2H2O=2NaOH+H2↑
2×23g2mol22.4L
2.3g0.1mol1.12L
Si+2NaOH=Na2SiO3+2H2
28g2mol2×22.4L
1.4g0.1mol2.24L
反应后硅有剩余，V（H2）=1.12L＋2.24L=3.36L
答案：
D
【知识巩固】
1．某同学将几种非金属代表物的性质作了归纳总结，下列有关叙述中，正确的是
A.Cl2不但能与金属活动顺序表氢以前的金属反应，也能与金属活动顺序表氢以后的金属反应
B.N2是大气中的主要成分之一，雷雨时，可直接转化为NO2
C.S是一种淡黄色的能溶于水的晶体，既有氧化性又有还原性
D.Si是应用广泛的半导体材料，常温下只与氟气、氢氟酸反应
2．据2001年12月的《参考消息》报道，有科学家提出硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”的观点。
假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是
A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料
B．自然界中存在大量单质硅
C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制
D．自然界硅的贮量丰富
3．8．我国的“神舟”六号的成功发射和回收引起世界瞩目。
飞船在进人大气层时，表面最高温度可达1500℃。
根据不同部位的工作条件，航天飞机使用四种防热材料；①头锥和机翼前缘受气体摩擦最大，使用表面涂硅的碳一碳复合材料；②机身和机翼下表面高温陶瓷瓦；③机身侧面和机翼上表面使用高温陶瓷瓦；④货舱门、尾端机身等采用聚芳酞胺纤维材料制造的毡瓦。
下列对新型陶瓷材料的有关叙述不正确的是（）
A．高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料，可以作为高级耐火材料
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，但是它不是高温结构材料
C．氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，可用于制造陶瓷柴油机的受热面
D．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，但是强度比较差
4.光纤通信70年代后期发展起来的一种新型通信技术，目前长距离光纤通信系统已投入使用，光纤通信的光学纤维是由下列哪种物质经特殊工艺制成的（）
A．碳B．石英C．锗D．硅
5．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
6．二氧化硅的化学性质很不活泼，几乎所有的酸都不与其反应，但有一种酸能够和二氧化硅发生反应，这种酸是（）
A．浓盐酸B．硫酸C．硝酸D．氢氟酸
材料是人类生活必不可少的物质基础。
请根据所学知识解答7-10题
7．想一下为什么可将陶瓷、玻璃、水泥归纳在一起，然后从所给的4个词中选出1个与它们同类的物质（ ）
A．光导纤维 B．有机玻璃C．人造纤维 D．砖瓦
8．下列说法中不正确的是（ ）
A．新型无机非金属材料具有光学特性、具有生物功能、具有电学特性，能承受高温，
强度高
B．高温结构陶瓷比金属材料具有许多优点，如不怕氧化、密度小等优点
C．光导纤维作为通讯材料有许多优点，但怕腐蚀，铺设也很方便
D．光导纤维除用于通讯外，还可以用于医疗、信息处理等许多方面
9．人造骨是一种新型的无机非金属材料，它类似于人骨和天然牙的性质结构，这是利用了这类材料的生物学特性．人造骨可以依靠从人体体液中补充某些离子而形成新骨，可在骨骼界面产生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼的牢固结合．人造骨植入人体内需要吸收人体中的①Ca2＋②Na＋③Cl－④PO
离子形成新骨．
A．①② B．①④ C．②④ D．③④
10．下列叙述中不正确的是（）
A.SiO2属于新型无机非金属材料B.金属可作为结构材料
C.玻璃是一种新型的非金属材料D.C60也是一种新型无机非金属材料
11．下列有关说法正确的是（）
A．因为CO2通入水玻璃中可制原硅酸，说明碳酸的酸性比原硅酸的酸性强
B．SiO2既可溶于强碱溶液，又能与氢氟酸反应，故它是两性氧化物
C．因为CaCO3和SiO2固体混合加热时产生CO2气体，说明碳酸的酸性比原硅酸的酸性强
D．因为玻璃中含有SiO2，故玻璃试剂瓶不能盛装碱液
12．下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是（）
A．都能溶于水，所得溶液呈酸性
B．都是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应
C．都能与固体碳酸钠及焦炭反应
D．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨
13．下列说法正确的是（）
A．SiO2能和水发生化合反应生成硅酸B．SiO2是酸性氧化物，它不溶于任何酸
C．SiO2的俗名叫水玻璃，不溶于水D．SiO2又叫水晶，能溶于NaOH溶液中
14．
盐酸、
浓硫酸、
氧气、
氢氟酸、
氢氧化钾溶液中，能与地壳中含量第一和第二的两元素形成的化合物起化学反应的是（）
A．
B．
C．
D．
15．下列物品或设备：
水泥路桥、
门窗玻璃、
水晶镜片、
石英钟表、
玛瑙手镯、
硅太阳能电池、
光导纤维、
计算机芯片。
所用材料为SiO2或要用到SiO2的是（）
A．
B．
C．
D．全部
16．制造太阳能电池需要高纯度的硅，工业上制高纯硅常用以下反应实现
①
②
对上述两个反应的下列叙述中，错误的是
A．两个反应都是置换反应
B.两个反应互为可逆反应
C．两个反应都是非氧化还原反应
D.两个反应都是氧化还原反应
17．硅和碳的性质比较，正确的是（）
A．都是非金属，但硅的非金属性比较强
B．碳和硅最高正价都是+4价，负化合价都是-4价
C．晶体硅和金刚石具有相同的结构，但晶体硅的硬度比金刚石大
D．硅元素在地壳里含量占第二位，碳元素占第三位
18．“神六一飞冲天、谱写中国航天新章”，2005年10月12日我国成功发射了神舟六号载人飞船，标志着我国在航天领域又有重大突破。
发射神舟六号飞船用的是长征Ⅱ（F）型火箭，该火箭的燃料是偏二甲肼[C2H8N2]，氧化剂是四氧化二氮（N2O4）,下列有关说法不正确的是（）
A．在宇宙仓中（失重条件下）比地球上难做过滤实验
B．四氧化二氮组成元素氮、氧的质量比为1∶2
C．从能量变化上说反应主要是化学能转变为热能和动能
D．火箭的外部材料选用的是耐高温的复合材料
19．
（1）用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代高科技中占有重要位置，足见化学对现代物质文明的重要作用。
例如：
①计算机芯片的主要成分是；
②目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是；
③用作吸附剂、干燥剂、催化剂或催化剂载体的人造分子筛大多是一类称为的化合物
（2）三硅酸镁被用来治疗胃溃疡，是因为该物质不溶于水，吸附后能中和胃酸，作用持久，把三硅酸镁Mg2Si3O8·nH2O改写成氧化物形式为________，写出
它中和胃酸（HCl）的化学方程式________________。
20、实验室可用广口瓶贮存固体试剂，细口瓶中存放液体试剂，但是有些试剂必须贮存在具有橡胶塞的玻璃试剂瓶中。
以下物质必须贮存在具有橡胶塞的玻璃试剂瓶中的是①KOH溶液②盐酸③水玻璃④氟气⑤氢氟酸⑥澄清石灰水⑦硝酸⑧NaOH溶液
21、古希腊流传这样一个传奇故事：
一批贩运纯碱的商船停泊在江边的砂岸旁，商人们找不到石头搭灶做饭，就把船上的大块纯碱搬来，放在砂地上垫锅烧火做饭，第二天商人们惊奇的发现在炉灰中有些明晃晃的物质，你认为明晃晃的物质是什么？
发生了哪些化学反应？
写出反应的化学方程式。
【能力提升】
1。
青石棉（cricidolite）是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为：
Na2Fe5Si8O22（OH）2。
青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是
A．青石棉可能是一种硅酸盐
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉能和18molHNO3反应
D．青石棉的化学组成可表示为：
Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
2.硅酸盐工业的家庭成员之一―――陶瓷的发源地是中国，陶瓷有着优良的电气绝缘性能，在无线电、电子仪器等技术领域有着广泛的用途。
例如，利用压电陶瓷这一特性制造超声波仪器；利用高温陶瓷耐高温的特性，制造应用于航天技术的新型陶瓷。
以下关于无机非金属材料的说法中，你认为合理的有。
①传统无机非金属材料具有耐高温、抗腐蚀等优点，但是质脆，经不起热冲击。
②新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，但是强度比较差。
③水玻璃属于传统无机非金属材料，既不燃烧又不易腐蚀，在建筑工业上可以作为黏合剂等。
④钢化玻璃和铅玻璃都属于新型无机非金属材料。
⑤高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料，可以作为高级耐火材料。
⑥氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，但它不是高温结构材料。
⑦氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，可用于制造陶瓷柴油机的受热面。
⑧生产光导纤维的主要原料是二氧化硅，光导纤维对光的传导能力极强，抗干扰能力极强。
3．X，Y，Z为三种常见的单质，Z为绿色植物光合作用后的产物之一，A，B为常见化合物。
它们在一定条件下可以发生如图所示的反应（均不是在溶液中进行的反应），
试回答：
（以下每个空中填入一种即可）
（1）当X，Y均为金属时，Y的化学式为______________，B的化学式为_____________。
（2）当X为非金属时，Y为金属时，X的化学式为____________。
A的化学式为_______。
（3）当X为金属，Y为非金属时，写出X与A反应的化学方程式：
_________________。
（4）当X，Y均为非金属时，写出X与A反应的化学方程式：
_____________________。
4．晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
△
①高温下用炭原还二氧化硅制得粗硅。
②粗硅与干燥的Cl2反应制得SiCl4：
Si+2Cl2SiCl4
③SiCl4被过量H2在1000℃—1100℃时还原制得纯硅。
某同学从资料中查知：
SiCl4熔点为－70℃，沸点57.6℃，在潮湿的空气中能发生水解
反应。
该同学设计了以下制取纯硅的实验装置（热源及夹持装置略去）。
请回答下列问题：
（1）为使SiCl4从装置B中逸出与H2充分混合，应采取的措施是：
。
（2）装置C不能采用普通玻璃管的原因是，
石英的化学式是。
（3）如果从A中直接快速向B中通入气体，可能观察到的现象是
。
（4）为防止空气污染，含有SiCl4的尾气要通入盛有溶液的烧杯中，反应的化学方程式为：
。
（5）为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度，还应对该装置进行的改进是：
。
5.由新型无机非金属材料制成的无水冷发动机，热效率高、寿命长。
这类材料中研究较多的是化合物G。
G是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定
（1）根据性质，推测G陶瓷的用途是（填序号）
A、制永久性模具B、制气轮机叶片
C、制有色玻璃D、制造柴油机
⑵已知G的相对分子质量为140，G中含硅元素，其质量分数为60%，另有元素Y。
G可以由化合物E（含两种元素）与NH3反应而生成，同时产生HCl气体。
请推断：
G和E的化学式分别为______________、______________。
反应的化学方程式为。
⑶G陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其它无机酸反应。
试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式。
（4）粉末状G能够与氧气反应，所得产物中有一种是空气中的主要成分，另一种是工业
上生产玻璃的主要原料。
请写出化合物G与氧气反应的化学方程式
（5）常压下在氮化硅中添加氧化铝，经高温烧结可制成新一代无机非金属材料，它的商品名叫“赛伦”，化学通式可表示为Si6－XAlXOXNY（X=2-4）。
则通式里Y值为
（用含x的表达式表示），推测赛伦可能具有的特性为。
6．氯碱工业中，通过电解饱和食盐水可获得氢氧化钠、氢气、氯气。
其中氯气用途十分广泛，除用于净水、环境消毒外，还用于生产盐酸、聚氯乙烯、氯苯等。
（1）电解饱和食盐水反应的化学方程式为____________________________________。
氯气用于生产半导体材料硅的流程如下:
①石英砂的主要成分是_____________________________，在制备粗硅时，焦炭的作用是_________________________________________________。
②粗硅与氯气反应后得到的液态四氯化硅中常混有一些杂质，必须进行分离提纯。
其提纯方法为____________________________。
③由四氯化硅得到高纯硅的化学方程式____________________________________。
（2）上述两种生产过程可得到同一种副产品，该副产品是________________________。
【错题反思】
题号
错解原因
正确解法
规律总结
【视野拓展】
1．硅酸钠，水溶液俗名“水玻璃”，其用途很广，是很好的耐火材料，建筑工业及造纸工业也用它做粘合剂。
木材和织物用水玻璃浸泡之后即防腐又不易着火，浸过水玻璃的鲜蛋可以长期保存，水玻璃还能用做软水剂，洗涤剂和制肥皂的填料，它也是制硅胶和分子筛的原料。
2、硅与电子工业革命
在美国旧金山，有个最大的高科技工业园区，称之为“硅谷”，它是现代电子工业和计算机发展的基地。
这说明硅在电子工业革命中起着非常重要的作用。
以硅为基础而制成的晶体管是现代计算机革命的心脏。
3、二氧化硅粉尘的危害
二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害。
如果人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（因硅旧称为矽，硅肺旧称为矽肺）。
硅肺是一种职业病，它的发生及严重程度，取决于空气中粉尘的含量和粉尘中二氧化硅的含量，以及与人的接触时间等。
长期在二氧化硅粉尘含量较高的地方，如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。
因此，在这些粉尘较多的工作场所，应采取严格的劳动保护措施，采用多种技术和设备控制工作场所的粉尘含量，以保证工作人员的身体健康。
4、纳米材料
纳米材料是21世纪最有前途的新型材料之一。
它是一种介于分子与宏观材料之间的介观态材料。
一般指由金属、金属化合物、无机物或聚合物的纳米级颗粒经压实或烧结而成的。
而纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米数量级的超细颗粒，它的长度一般在1nm-100nm。
5．南京玻纤院特种无机非金属材料用于“神舟”飞船由中材科技南京玻璃纤维研究设计院研制开发用于“神舟”五号载人
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