411硅无机非金属材料.docx
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411硅无机非金属材料
第1节
硅__无机非金属材料
第1课时 硅与二氧化硅
1.硅元素在地壳中的含量仅次于氧，为第二位。
2．单质硅用作半导体材料，SiO2用于制光导纤维
3．晶体硅、二氧化硅均由原子直接构成。
4．二氧化硅是不溶于水也不与水反应的酸性氧化物。
5．重要的化学方程式及应用：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑（制粗硅）
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（雕刻玻璃）
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（贮存NaOH溶液，不能用磨口玻璃塞）
SiO2＋CaO
CaSiO3
对应学生用书P83
1．画出碳原子和硅原子的结构示意图，碳原子和硅原子在反应中易得电子还是易失电子？
提示：
（1）C：
Si：
。
（2）原子最外层均有4个电子，反应过程中较难得、失电子。
2．碳单质有哪些典型化学性质？
提示：
（1）可燃性：
C＋O2
CO2或2C＋O2
2CO。
（2）还原性：
C＋CO2
2CO，C＋2CuO
2Cu＋CO2↑，C和浓硝酸或浓硫酸的反应。
单质硅与半导体材料
[新知探究]
探究1 半导体材料
特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料，最早使用的半导体材料是锗，现在使用最广泛的半导体材料是硅。
探究2 硅的存在
在地壳里，硅的含量仅次于氧，全部以化合态存在，主要存在形式为二氧化硅和硅酸盐。
硅单质存在同素异形体是晶体硅和无定形硅。
探究3 单质硅
（1）物理性质：
颜色
光泽
熔点
质地
导电性
灰黑色
有金属光泽
很高
硬而脆
半导体
（2）化学性质：
常温下，硅的化学性质不活泼，但在加热条件下和某些非金属单质（如O2、Cl2）反应。
Si＋O2
SiO2。
（3）工业制取
（4）用途：
用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等，其合金用于制造变压器铁芯和耐酸设备等。
[必记结论]
（1）硅元素常见价态为－4、0、＋4。
（2）工业制粗硅时，焦炭的氧化产物为CO，不是CO2。
（3）常温下单质硅能发生以下反应：
Si＋2F2===SiF4
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
[成功体验]
1．判断正误。
（1）硅在自然界中以游离态和化合态形式存在。
（ ）
（2）单质硅性质很稳定，常温下与任何物质不反应。
（ ）
（3）地壳中含量第一和第二的两种元素的单质在加热条件下反应，故该反应吸热。
（ ）
（4）工业制粗硅的反应为SiO2＋C高温,Si＋CO2。
（ ）
（5）含硅15%的钢可以制造耐酸设备。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）× （4）× （5）√
二氧化硅与光导纤维
[新知探究]
探究1 二氧化硅
（1）自然界中的存在：
沙子、石英的主要成分是二氧化硅。
（2）物理性质：
颜色
状态
熔点
硬度
水溶性
无色
固态
高
大
不溶于水
（3）化学性质：
探究2 光导纤维
（1）主要成分：
SiO2。
（2）用途：
光纤通讯、能量传输、信息处理。
[必记结论]
（1）SiO2不溶于水，也不与水反应，所以不能用SiO2和水制硅酸。
（2）SiO2与H2SO4、HNO3等酸类不反应，仅与氢氟酸反应。
（3）玻璃中含SiO2，盛放碱液的玻璃瓶用磨口玻璃塞时，因生成Na2SiO3溶液（黏合剂）而发生黏结。
（4）氢氟酸能与SiO2反应，常用来雕刻玻璃上的花纹。
（5）SiO2是由Si、O原子直接构成的晶体，熔点高，硬度大。
[成功体验]
2．判断正误。
（1）SiO2与CO2相似，通常状况为气体。
（ ）
（2）SiO2溶于H2O可得硅酸（H2SiO3）。
（ ）
（3）SiO2能与氢氟酸反应，说明SiO2是一种碱性氧化物。
（ ）
（4）1molSiO2中含有6.02×1023个SiO2分子。
（ ）
（5）不能用玻璃瓶盛放氢氟酸溶液。
（ ）
（6）SiO2与NaOH溶液反应的离子方程式为：
SiO2＋2OH－===SiO
＋H2O。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）× （4）× （5）√ （6）√
对应学生用书P84
考查硅及其化合物的特性
1.非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si却能与氢氟酸作用：
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
2．非金属单质一般不导电，但Si为半导体，有一定的导电能力。
3．Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑。
4．非金属单质跟碱液的作用一般无H2放出，但Si与碱液（如NaOH溶液）反应放出H2：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
5．SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不溶于水，也不与水反应，不能直接将SiO2与水反应来制取H2SiO3。
6．非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的熔点却很高。
7．酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟氢氟酸作用：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
8．无机酸一般易溶于水，但H2SiO3却难溶于水。
[特别提醒]
（1）硅属于非金属元素，但具有一定的金属性，如可导电、具有金属光泽等。
（2）导电性：
硅＜石墨。
（3）酸性强弱：
H2CO3＞H2SiO3；还原性：
Si>C。
[例1] 下列关于硅和二氧化硅的说法中，不正确的是（ ）
A．晶体硅呈灰黑色，是具有金属光泽、硬而脆的固体
B．硅的化学性质很稳定，但自然界里无游离态的硅存在，常温下可与其他物质发生反应
C．硅和二氧化硅都能与NaOH溶液反应
D．工业上用焦炭在高温条件下还原二氧化硅来制备硅说明通常情况下还原性C＞Si
[解析] 自然界中硅只以化合态形式存在，硅可与HF、F2等反应。
硅与NaOH溶液反应生成H2，SiO2是酸性氧化物能与碱反应。
反应SiO2＋C
Si＋2CO↑，在高温下进行只能说明在此条件下还原性C＞Si。
[答案] D
碳和硅性质的比较
性质
碳
硅
与O2反应
C＋O2
CO2
Si＋O2△SiO2
与氧化物反应
C＋2CuO高温
CO2↑＋2Cu
2C＋SiO2
2CO↑＋Si
——
与氧化性酸反应
C＋4HNO3（浓）
CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
C＋2H2SO4（浓）
CO2↑＋2SO2↑＋2H2O
不与硝酸、浓硫酸反应，但能与氢氟酸反应：
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
与水或碱溶液反应
C＋H2O（气）高温
CO＋H2
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
在高温下，碳与硅可形成SiC。
对于化学反应SiO2＋3C
SiC＋2CO↑，有关叙述正确的是（ ）
A．反应中SiO2是氧化剂，C是还原剂
B．硅元素被还原了，碳元素被氧化了
C．在反应中C既是氧化剂又是还原剂
D．在反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶1
解析：
选C 由SiO2＋3
Si
＋2
O↑可知，反应中C元素化合价既升高又降低，则单质碳既是氧化剂又是还原剂；据
～Si
、2
～2
O可知，氧化剂与还原剂物质的量之比为1∶2。
考查SiO2、CO2化学性质的差异
SiO2与CO2性质的比较
化学式
SiO2
CO2
类型
硅酸酸酐、酸性氧化物
碳酸酸酐、酸性氧化物
与碱（NaOH）
SiO2＋2NaOH===
Na2SiO3＋H2O
CO2＋2NaOH===
Na2CO3＋H2O
与碱性氧化物反应
SiO2＋CaO
CaSiO3
CO2＋CaO高温
CaCO3
与某些盐反应
Na2CO3＋SiO2高温
Na2SiO3＋CO2↑
CO2＋Na2CO3＋H2O
===2NaHCO3
与水反应
不反应
CO2＋H2O
H2CO3
与氢氟酸反应
SiO2＋4HF===
SiF4↑＋2H2O
不反应
[例2] 一定条件下，下列物质与二氧化碳、二氧化硅均不反应的是（ ）
A．氧气 B．氢氟酸
C．澄清石灰水D．碳
[解析] B项，SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；C项，CO2＋Ca（OH）2===CaCO3↓＋H2O或2CO2＋Ca（OH）2===Ca（HCO3）2,Ca（OH）2＋SiO2===CaSiO3↓＋H2O；D项，CO2＋C高温,2CO，SiO2＋2C高温,Si＋2CO↑。
[答案] A
下列说法中，正确的是（ ）
A．SiO2和CO2均由分子直接组成
B．CO2、SiO2均能和氢氟酸反应
C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应
D．CO2、SiO2分别是H2CO3、H2SiO3的酸酐，因而均可由CO2、SiO2与水反应制得相应的酸
解析：
选C A项，SiO2由Si、O原子组成；B项，CO2不能与氢氟酸反应；D项SiO2不能与水反应生成硅酸。
对应学生用书P85
[课堂双基落实]
1．下列关于硅的叙述中，错误的是（ ）
①硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫水晶 ②单质硅的导电性介于导体和绝缘体之间 ③晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，能导电 ④含硅的钢具有良好的导磁性和耐酸性
A．①② B．②③
C．①③D．②④
解析：
选C 透明的石英晶体叫水晶，①错误；晶体硅属于无机非金属材料，③错误。
2．（好题共享·选自苏教版教材P82·T2）光导纤维的主要成分是（ ）
A．SiB．SiO2
C．SiCD．Na2SiO3
解析：
选B 光导纤维的主要成分是SiO2。
3．（好题共享·选自人教版教材P81·T4）赏心悦目的雕花玻璃是用下列物质中的一种对玻璃进行刻蚀而制成的。
这种物质是（ ）
A．盐酸B．氢氟酸
C．烧碱D．纯碱
解析：
选B 玻璃中的SiO2与氢氟酸反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，因消耗SiO2而使玻璃受到腐蚀。
4．（好题共享·选自苏教版教材P82·T3）石英沙（主要成分为SiO2）是一种常用工业原料，其中常混有少量碳酸钙。
要除去石英沙中的少量碳酸钙，应采用的方法是（ ）
A．用水溶解后过滤分离
B．用稀硫酸溶解后过滤分离
C．用酒精灯加热
D．用稀盐酸溶解后过滤分离
解析：
选D CaCO3能溶于稀盐酸，SiO2不溶于稀盐酸，故将混合物溶于盐酸；过滤后可得到SiO2。
5．完成下列反应的化学方程式，是离子反应的写出离子方程式。
（1）硅在氧气中燃烧________________________________________________________。
（2）工业制粗硅原理________________________________________________________。
（3）Si溶于NaOH溶液______________________________________________________。
（4）SiO2溶于NaOH溶液____________________________________________________。
（5）用氢氟酸刻蚀玻璃______________________________________________________。
答案：
（1）Si＋O2
SiO2
（2）SiO2＋2C
Si＋2CO↑
（3）Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
Si＋2OH－＋H2O===SiO
＋2H2↑
（4）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O、
SiO2＋2OH－===SiO
＋H2O
（5）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
[课下综合检测]
1．下列物质中，导电性介于导体和绝缘体之间的是（ ）
①晶体硅 ②金属铝 ③石墨 ④晶体锗 ⑤金刚石
A．只有①B．只有⑤
C．②和③D．①和④
解析：
选D 晶体硅、晶体锗均为半导体材料；铝、石墨均为导体；金刚石为绝缘体。
2．能说明SiO2为酸性氧化物的事实为（ ）
A．SiO2与H2SO4、HNO3不反应
B．SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
C．SiO2＋2KOH===K2SiO3＋H2O
D．SiO2＋2C高温,Si＋2CO↑
解析：
选C 据酸性氧化物是指与碱反应生成盐和水的氧化物，可知C项正确。
3．在一定条件下，下列物质不能和SiO2反应的是（ ）
①焦炭 ②烧碱 ③氧气 ④氢氟酸 ⑤硝酸
⑥氢氧化钾 ⑦氧化钙
A．②⑥⑦B．⑤⑦
C．①④⑤D．③⑤
解析：
选D SiO2＋2C高温,Si＋2CO↑，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，SiO2＋2KOH===K2SiO3＋H2O，SiO2＋CaO高温,CaSiO3。
4．下列物质的变化，不能通过一步化学反应完成的是（ ）
A．CO2→H2CO3B．SiO2→Na2SiO3
C．SiO2→H2SiO3D．Na2O2→Na2CO3
解析：
选C SiO2不能与水直接反应生成H2SiO3。
5．能用带磨砂玻璃塞的试剂瓶盛放的物质是（ ）
①石英砂 ②过氧化钠 ③烧碱 ④纯碱
⑤Na2SO4溶液
A．①和⑤B．②和③
C．④和⑤D．③和④
解析：
选A 强碱或碱性物质不能用带磨砂玻璃塞的试剂瓶盛放。
6．下列关于硅的说法不正确的是（ ）
A．硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应
D．当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属反应
解析：
选C 硅既有非金属性，又有金属性，其单质具有金属光泽，具有导电性，是一种半导体材料。
常温下，硅可与氟气、氢氟酸、强碱溶液反应，加热和高温条件下，硅能与氧气、氢气起反应。
7．在一定条件下，下列物质与硅、二氧化硅均不反应的是（ ）
A．氢氟酸B．浓硫酸
C．烧碱D．氟气
解析：
选B A项，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；C项，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；D项，Si＋2F2===SiF4。
8．下列离子方程式书写不正确的是（ ）
A．向氢氧化钠溶液中通入过量二氧化碳：
CO2＋OH－===HCO
B．单质硅与氢氟酸反应：
Si＋4HF===2H2↑＋SiF4↑
C．石英砂与烧碱反应
SiO2＋2OH－===SiO
＋H2O
D．向Ba（NO3）2溶液中通入二氧化碳：
Ba2＋＋CO2＋H2O===BaCO3↓＋2H＋
解析：
选D BaCO3不能在酸性环境中存在，即CO2与Ba（NO3）2溶液不反应。
9．15gSiO2和足量的碳在高温下发生反应：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑。
下列叙述中正确的是（ ）
A．氧化剂和还原剂的质量之比为1∶2
B．SiO2是还原剂
C．反应中有6g碳被氧化
D．反应中生成了28gCO
解析：
选C 由化合价变化分析
O2＋2
＋2
↑。
SiO2是氧化剂，C是还原剂，其物质的量之比为1∶2，A、B错误，15gSiO2为0.25mol，需消耗碳6g，生成CO14g。
10．下表各组物质中，满足下图物质一步转化关系的选项是（ ）
选项
X
Y
Z
A
Na
NaOH
NaHCO3
B
Cu
CuSO4
Cu（OH）2
C
C
CO
CO2
D
Si
SiO2
H2SiO3
解析：
选C NaHCO3不能一步到Na，A错误；Cu（OH）2不能一步到Cu，B错误；依2C＋O2不完全燃烧,2CO,2CO＋O2
2CO2,2Mg＋CO2点燃,2MgO＋C，可知C正确；SiO2不能一步到H2SiO3，H2SiO3不能一步到Si，D错误。
11．如何除去下列各粉末状混合物中的杂质（括号内为杂质）？
请选用下列提供的试剂和操作，将标号填在表内。
试剂：
A.盐酸 B．烧碱溶液 C．氧气 D．水
E．二氧化碳 F．不用其他试剂
操作：
①加热燃烧 ②加热熔融 ③充分加热 ④过滤
⑤结晶
物质
试剂
操作
（1）Na2CO3（NaHCO3）
（2）SiO2（CaO）
（3）SiO2（Si）
（4）NaCl（SiO2）
解析：
（1）除去Na2CO3中的NaHCO3采用加热使NaHCO3分解生成Na2CO3的方法；
（2）除去SiO2中的CaO，加入盐酸使CaO完全反应，过滤得SiO2；（3）除去SiO2中的Si，可采用加热使Si在空气中燃烧的方法；（4）除去NaCl中的SiO2，先加水使NaCl溶解，过滤得NaCl溶液，再从溶液中结晶即得NaCl。
答案：
（1）F ③
（2）A ④ （3）C ① （4）D ④⑤
12．（好题共享·选自人教版教材P81·T9）从硅的氧化物可以制取硅单质，主要化学反应如下：
粗硅的制取：
SiO2 ＋ 2C
Si ＋ 2CO↑
由粗硅制纯硅（常用方法）：
Si（粗）＋2Cl2
SiCl4
SiCl4＋2H2
Si（纯）＋4HCl
根据以上反应，回答下列问题。
（1）在制取粗硅的反应中，焦炭的作用是什么？
（2）在由粗硅制纯硅的反应中，氯气（Cl2）与Si的反应属于什么类型的反应？
SiCl4与H2的反应属于什么类型的反应？
H2的作用是什么？
（3）在半导体工业中有这样一句行话：
“从沙滩到用户”，你是如何理解的？
答案：
（1）还原剂
（2）化合反应 置换反应 还原剂
（3）利用沙滩中的SiO2制成用户中需要的光导纤维（SiO2），半导体材料（Si）。
13．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高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅。
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3。
Si＋3HCl
SiHCl3＋H2
③SiHCl3与过量的H2在1000℃～1100℃下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题：
（1）第①步制备粗硅的化学方程式为：
__________________________________________。
（2）粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量的SiCl4（沸点57.6℃）和HCl（沸点－84.7℃），提纯SiHCl3采用的方法为________。
（3）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示（热源及夹持装置略去）。
①装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是____________________________________，
装置D不能采用普通玻璃管的原因是__________________________________________，
装置D中发生反应的化学方程式为：
___________________________________________。
③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，控制好反应温度以及________________________________________________________________________。
解析：
（1）根据题给信息，粗硅可以用碳还原二氧化硅的方法制得，故反应方程式为：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑。
（2）因HCl易溶于水，而SiHCl3与H2O强烈反应，故提纯SiHCl3时只能在无水的条件下利用它们的沸点不同，采用分馏的方法进行。
（3）①因SiHCl3与水强烈反应，故A中产生的H2必须干燥，故B中的试剂为浓H2SO4，且C中烧瓶需加热，其目的是使SiHCl3汽化，加快与H2的反应。
②根据题给信息可知，石英管中产生的物质应为硅，故D中现象为有固体产生，由题给信息可知，制纯硅的反应条件为1000℃～1100℃，此温度下普通玻璃容易软化。
③因高温下H2与O2容易反应而爆炸，故还应排尽装置中的空气。
答案：
（1）SiO2＋2C
Si＋2CO↑
（2）分馏（或蒸馏）
（3）①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体物质生成 在反应的温度下，普通玻璃会软化
SiHCl3＋H2
Si＋3HCl
③排尽装置中的空气
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