第四章化学.docx
《第四章化学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章化学.docx（63页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第四章化学
第四章元素及材料世界
第1节硅无机非金属材料
课标解读
课标要求
学习目标
1．了解硅及其重要化合物的主要性质
2．认识其在生产中的应用和对生态环境的影响
1．让学生了解硅及二氧化硅的主要性质及这些性质在材料中的应用
2．让学生了解传统的硅酸盐制品和一些新型无机非金属材料在生产、生活中的重要作用
【知识再现】
一、半导体材料与单质硅
1、半导体材料
半导体材料特指导电能力介于和之间的一类材料。
最早使用的半导体材料是，但由于其在地壳中含量很低、提练工艺复杂、价格昂贵、不适用于广泛使用。
现在最广泛使用的半导体材料是。
2、单质硅
⑴单质硅的物理性质：
单质硅有和两种。
晶体硅是色、有光泽、硬而脆的固体。
单质硅的导电性介于和之间。
属于晶体。
⑵单质硅的化学性质：
常温下，单质硅的化学性质不活泼，只能和F2、HF、强碱溶液反应。
写出下列反应的化学方程式：
Si+F2==
Si+HF==
Si+NaOH+H2O==
在加热条件下，硅能与某些非金属单质发生反应，如O2、Cl2等反应。
写出下列反应的化学方程式：
Si+O2加热=====
Si+Cl2加热=====
⑶硅的制备：
①工业上用在高温下还原可制得粗硅，其反应方程式为：
②粗硅的提纯：
工业上硅的提纯原理是在高温下让粗硅跟Cl2反应，其产物在高温下被H2还原，从而得到纯度很高的硅，其反应的化学方程式为：
，
③实验室中，将细砂粉（SiO2）与镁粉混合加热，也可制得粗硅，反应的化学方程式为：
；这种粗硅往往含有过量的镁、氧化镁和硅化镁
（Mg2Si），这些杂质可溶于盐酸而除去，（Mg2Si跟盐酸反应的产物之一是SiH4）,从而使粗硅得以提纯。
有关反应的方程式为：
Mg+HCl===
MgO+HCl===
Mg2Si+HCl===
⑷硅的用途：
①在计算机等电子工业，可用作，大规模等。
②还可用于制造和。
③硅的合金用途也很广泛，如含硅4%的钢具有良好的导磁性，可用来制造；含硅15%左右的钢具有良好的耐酸性，可用来制造。
二、二氧化硅和光导纤维
1、二氧化硅存在、性质和用途
⑴SiO2的存在：
SiO2广泛存在于自然界中，常见的有：
、、。
另外SiO2也是构成地壳的主要成分。
⑵SiO2性质：
①SiO2物理性质：
状态：
硬度：
水溶性：
熔、沸点：
，属于晶体。
②SiO2化学性质：
写出下列反应的化学方程式并注明反应的条件：
SiO2+NaOH====
SiO2+HF====（氢氟酸腐蚀玻璃原理）
SiO2+C====
SiO2+CaCO3===（工业制玻璃原理）
SiO2+Na2CO3===（工业制玻璃原理）⑶SiO2用途：
用于建筑，石英用于制造，纯SiO2用于制造光学仪器和
2、光导纤维
⑴主要成分是：
⑵用途是：
⑶优点：
三、硅酸盐与无机非金属材料
1、硅酸：
硅酸（H2SiO3）、原硅酸（H4SiO4）为不溶于水的弱酸，酸酐都是，原硅酸不稳定，在空气中易失水形成硅酸。
方程式为：
。
2、硅酸盐：
①常见的易溶于水的硅酸盐为硅酸钠，其水溶液俗称或，在空气中会变质，变质的反应方程为：
。
②硅酸盐常表示成氧化物的形式：
金属氧化物·SiO2·H2O。
例如Na2SiO3可表示为Na2O·SiO2；高岭石[AI2（Si2O5）（OH）4]可表示为；正长石（KAISi3O8）可表示为。
3、无机非金属材料
传统无机非金属材料
玻璃
原料
设备
成分
水泥
原料
设备
成分
陶瓷
原料
制造
过程
新型无机非金属材料
分类
特性
【重难点精讲】
1、硅和二氧化硅的化学性质
⑴Si在低温时的还原性大于C，但C在高温下能还原出Si：
SiO2+2C高温=====Si+2CO↑
⑵、非金属单质一般不和非氧化性酸反应，但能与HF反应：
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑
⑶、非金属单质跟碱溶液反应一般不放出H2，但Si却能强碱溶液反应生成H2。
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑
⑷、非金属单质一般为非导体，但Si为半导体。
⑸、SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水反应生成H2SiO3。
⑹、酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能与HF反应。
SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O
⑺、无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水。
⑻、Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2
CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2
一般情况下，因为碳酸的酸性比硅酸强，可发生下列反应：
Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3即符合“强酸制弱酸”复分解反应规律。
而上述条件之所以能进行，是因为该反应不是在水溶液中，而是在高温条件下发生的。
从化学平衡的角度理解，高温时，SiO2这种高沸点、难挥发的固体制得了低沸点、易挥发的CO2气体，因CO2生成后离开反应体系使反应向右进行到底。
2、硅酸盐的表示方法
硅酸盐的种类多，结构复杂，其组成的表示方法有两种。
⑴盐化学式法：
对于组成较简单的硅酸盐来说一般用其化学式表示。
如：
硅酸钠：
Na2SiO3硅酸钙：
CaSiO3
⑵氧化物法:
氧化物的顺序：
活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水
氧化物前系数配置原则：
除氧元素外，其他元素按配置前后的原子个数守恒原则配置系数。
注意：
氧化物之间要用“·”隔开；系数配置出现分数应化为整数。
例如：
钾长石KAlSi3O8不能写成：
1/2K2O·1/2Al2O3·3SiO2
应写成：
K2O·Al2O3·6SiO2
3、无机非金属材料
（1）、硅酸盐工作简介：
①玻璃、水泥
玻璃
水泥
原料
纯碱（Na2CO3）石灰石（CaCO3）石英（SiO2）
主要原料石灰石粘土
辅助原料适量的石膏等
原理
高温下复杂物理化学变化
高温下复杂物理化学变化
化学方程式
Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2
CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2
主要成分及特性
普通玻璃钠玻璃（Na2O·CaO·6SiO2）玻璃是非晶体，称为玻璃态物质无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品
3CaO·SiO2硅酸三钙、
2CaO·SiO2硅酸二钙、
3CaO·Al2O3铝酸三钙
②新型无机非金属材料的种类和用途：
材料类别
主要特性
示例
用途
高温结构陶瓷
能承受高温，强度高
Si3N4陶瓷
汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
半导体陶瓷
具有电学特性
SnO2陶瓷
集成电路中的半导体
光学陶瓷
具有光学特性
光导纤维
光缆通讯、医疗、照明
生物陶瓷
具有生物功能
Al2O3陶瓷
人造骨、人造关节、接骨螺钉
压电陶瓷
具有压电效应
BaTiO3、PbTiO3
陶瓷
压电地震仪
【典题解析】
例1、（2006·天津理综）
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ＨＣｌ气体反应制得SiHCl3：
Si＋3HCl SiHCl3＋Ｈ2
③SiHCl3与过量Ｈ2在1000～1100℃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步制备粗硅的化学反应方程式为 。
（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下（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 。
④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是
ａ.碘水ｂ.氯水ｃ.NaOH溶液ｄ.KSCN溶液ｅ.Na2SO3溶液
【解析】
（2）因为SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量SiCl4（沸点57.6℃）和HCl（沸点
－84.7℃），沸点差别较大，故可用蒸馏的方法提纯SiHCl3。
（3）①因为SiHCl3与水强烈反应，故通入的H2必须干燥，干燥H2可用浓硫酸，SiHCl3常温下为液体，需加热使之汽化同H2一起送入石英管D中发生反应。
②中发生反应：
SiHCl3+H2Si+3HCl，因此在D国有固体生成，由于此反应在1000～1100℃发生，在此温度下，普通玻璃管会软化，因此不能用普通玻璃管作反应器。
③上述反应混合气体中若混有空气会使SiHCl3自然，影响纯硅的制取，因此必须排尽装置中的空气。
【答案】⑴SiO2+2C高温=====Si+2CO↑
⑵分馏（或蒸馏）
⑶①浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3气化
②有固体物质生成在反应温度下，普通玻璃会软化
SiHCl3+H2Si+3HCl
③排尽装置中的空气。
④bd
例2、下列坩埚中，可用做熔化固体KOH容器的是（）
A.铁坩埚B.石英坩埚C.瓷坩埚D.石墨坩埚
【解析】瓷坩埚中含二氧化硅，石英的主要成分是二氧化硅，高温下能与氢氧化钾反应。
熔化强碱和显碱性的盐常用铁坩埚。
【答案】AD
.例3、（2006·东北）
人类已进入信息化社会，光导纤维是传递信息的必不可少的材料，光导纤维属于：
（）
A．无机非金属材料B.金属材料
C．有机高分子材料D.复合材料
【解析】SiO2是制造光导纤维的主要原料，因此光导纤维属于无机非金属材料。
【答案】A
【当堂检测】
1．在实验室下列物质不与晶体硅反应的是（）
A．Ｆ2B．HFC．KOH溶液D．CI2
2．下列溶液可以盛放在玻璃瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是（ ）
Ａ．硅酸钠溶液 Ｂ．氢氟酸 Ｃ．氢氧化钠溶液 Ｄ．氯化钠溶液
３．下列各组物质中：
CI2O7，HCIO；
SO2，H2SO4；
NO2，HNO3；
SiO2，H2SiO3；
Mn2O7，HMnO4；前者是后者酸酐的是（）
A．
B．
C．
D．
４．若把4.2g的硅和9.2g的钠同时投入适量的水中，充分反应后，能收集到氢气（标准状况）的体积是（）
Ａ．22.4LＢ．11.2LＣ．5.6LＤ．2.8L
5．工业上由粗硅制取高纯硅有如下的反应：
①Si（s）+3HCl（g）△===SiHCl3（g）+H2（g）↑（放热381KJ）
②SiHCl3（g）+H2（g）Si（s）+3HCl（g）
对上述反应的说法正确的是：
（）
A．均为置换反应和氧化还原反应
B．反应①、②实际上互为可逆反应
C．由于反应①放热，则反应②一定吸热
D．反应①中硅被还原
6．下列说法不正确的是（ ）
Ａ．制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石
Ｂ．普通玻璃是电的绝缘体，这种透明的固体物质是晶体
Ｃ．等物质的量的SiO2与CaCO3在高温下煅烧，残留物质为一纯净物
Ｄ．石英玻璃能经受温度剧变且能抵抗酸碱的腐蚀
７．石灰是许多工业的原料之一，但生产下列物质时不需要石灰石的是（ ）
Ａ．硅酸 Ｂ．水泥 Ｃ．玻璃 Ｄ．生石灰
８．下列有关物质的用途（括号中为用途）错误的是（ ）
Ａ．锗和硅（半导体材料） Ｂ．二氧化硅（制光导纤维）
Ｃ．水玻璃（用作黏合剂） Ｄ．原硅酸（用作耐火材料）
９．（2005·福福州）．下列关于硅的说法中不正确的是（ ）
Ａ．硅是非金属元素，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反应
Ｄ．加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等反应
10．光纤通信是一种现代的通信手段，光纤是光导纤维的简称，制造光导纤维的主要原料是
（ ）
Ａ．铜Ｂ．铝Ｃ．石英砂Ｄ．水玻璃
11．将过量的CO2通入下列溶液中，最终出现浑浊的是（ ）
Ａ．CaCI2溶液 Ｂ．石灰水 Ｃ．饱和Na2CO3溶液 Ｄ．水玻璃
12．（2005北京西城区）高岭土的组成可表示为Al2Si2Ox（OH0）y其中x、y的数值分别为：
（）
Ａ．7、2 Ｂ．5、4 Ｃ．6、3 Ｄ．3、6
高温
【课后达标】
1．工业制造金刚砂（SiC）的化学方程式如下：
SiO2+3C======SiC+2CO。
在这个氧化还原反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比是（ ）
Ａ．1:
2Ｂ．2:
1Ｃ．1:
1Ｄ．3:
5
2．下列物质属于传统无机非金属材料的是（）
A．玻璃、水泥Ｂ．塑料、橡胶
C．液晶、纳米材料Ｄ．半导体材料、绝缘体材料
3．有一不纯的铝样品中含有硅和铁两种杂质，现取两分等质量的样品分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，充分反应生成等质量的气体，则此不纯的样品中含铁和硅的质量比为
（ ）
Ａ．1:
1Ｂ．2:
1Ｃ．3:
1Ｄ．4:
1
４．下列试剂的保存方法正确的是：
（）
A．氢氟酸保存在下班瓶中
B．烧碱溶液放在带有橡胶塞的玻璃瓶中
C．水玻璃放在滴瓶中
D．液溴直接存放在棕色滴瓶中
５．（2006·广东）下列表述正确的是：
（）
①人造刚玉熔点高，可用作高级耐火材料，主要成分是二氧化硅
②化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐材料
③提前建成的三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料。
④夏天到了，游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛。
⑤太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能。
A．①②③Ｂ．②④Ｃ．③④⑤Ｄ．③⑤
６．下列说法正确的是（ ）
Ａ．原硅酸是白色胶状物，失去部分水后变成白色粉末状硅酸
Ｂ．二氧化硅分子由一个硅原子和两个氧原子构成
Ｃ．二氧化硅又称硅酐，溶与水后则慢慢反应生成硅酸
Ｄ．二氧化硅既能与氢氟酸反应，又能与强碱反应，故它是两性氧化物
７．在无色的强碱性溶液中，能大量共存的是（ ）
Ａ．Na+、AI3+、NO3-、CI-
Ｂ．K+、Na+、CI-、SiO32-
Ｃ．Fe2+、K+、SO42-、CI-
Ｄ．Na+、HCO3-、K+、NO3-
８．在一定条件下，下列物质不能和二氧化硅反应的是（ ）
焦炭
纯碱
碳酸钙
氢氟酸
高氯酸
氢氧化钾
氧化钙
氮气
Ａ．
Ｂ．
Ｃ．
Ｄ．
９．下列物质放置在空气中（不考虑水分蒸发和吸收空气中的水分）变质，且能析出固体，加入盐酸时固体不溶解的是（ ）
Ａ．澄清石灰水 .Ｂ．水玻璃 Ｃ．氢硫酸 Ｄ．氯化钙溶液
10．X是核外电子数最少的元素，Y是地壳中含量最丰富的元素，Z在地壳中的含量仅次于
Y，W可以形成自然界最硬的原子晶体。
下列叙述错误的是（）
A．WX4是沼气的主要成分B．固态X2Y是分子晶体
C．ZW是原子晶体D．ZY2的水溶液俗称“水玻璃”
11.（2006·潍坊）现有下列五个转化，其中不可能通过一步反应实现的是：
（）
①SiO2→Na2SiO3②CuSO4→CuCl2③SiO2→H4SiO4④CuO→Cu（OH）2
⑤Na2O2→NaOH
A．①②B.③④C.②③④D.②③④⑤
12．根据下图中的变化关系写出Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ各物质的化学式。
煅烧
D（白色粉末）
E
A：
B：
C：
D：
E：
13．只用一种试剂即可将Na2SiO3、Na2CO3、Na2SO4、Na2S四种溶液鉴别出来。
这种试剂是_______________。
14．白云母的化学式为H4K2AI6Si6O24，改写成氧化物的形式___________________。
15．由铁、硅、铝组成的混合物9.7g，与足量稀硫酸反应，在标准状况下可生成5.6L氢气。
若将等质量上述混合物与足量氢氧化钠溶液反应，在标准状况下也产生同样多的氢气。
问该混合物中铁、硅、铝的质量各是多少？
【考题再现】
1．（2007·广东）下列说法正确的是（）
A硅材料广泛用于光纤通讯
B工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
C水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品
D粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
2.（实验区2007年高考试题——宁夏理综）
氮化硅（Si3N4）是一种新型陶瓷材料，它可由石英与焦炭在高温的氮气流中，通过以下反应制得：
⑴配平上述反应的化学方程式（将化学计量数填在方框内）
⑵该反应中的氧化剂是，其还原产物是；
⑶该反应的平衡常数表达式为K=；
⑷若知上述反应为放热反应，则其反应热为ΔH零（填“大于”、“小于”或“等于”）；升高温度，其平衡常数值（填“增大”、“减小”或“不变”）
⑸若使压强增大，则上述平衡向反应方向移动（填“正”或“逆”）；
⑹若已知CO生成速率为v（CO）=18mol/（L•min），
则N2的消耗速率为v（N2）=mol/（L•min）。
3、（2007·广东）
（10分）C、Si、Ge、Sn是同族元素，该族元素单质及其化合物在材料、医药等方面有重要应用。
请回答下列问题：
（1）Ge的原子核外电子排布式为
（2）C、Si、Sn三种元素的单质中，能够形成金属晶体的是
（3）按要求指出下列氧化物的空间构型、成键方式或性质
①CO2分子的空间构型及碳氧之间的成键方式；
②SiO2晶体的空间构型及硅氧之间的成键方式；
③已知SnO2是离子晶体，写出其主要物理性质（写出2条即可）
CO可以和很多金属形成配合物，如Ni（CO）4，Ni与CO之间的键型为
（4）碳氧键的红外伸缩振动频率与键的强度成正比，已知Ni（CO）4中碳氧键的伸缩振动频率为2060cm－1，CO分子中碳氧键的伸缩振动频率为2143cm－1，则Ni（CO）4中碳氧键的强度比CO分子中碳氧键的强度（填字母）
A强B弱C相等D无法判断
【当堂检测】答案：
1．D2．AC3．C4．B5．AC6．BD7．A8．D9．C10．C11．CD12．B
【课后达标】答案：
1．A2．A3．D4．B5．D6．A7．A8．C9．B10.D
11.B12．A．SiB．Na2SiO3C．H4SiO4D．H2SiO3E．SiO2
13．盐酸或硫酸14．K2O·3AI2O3·6SiO2·2H2O
15．m（Fe）=5.6g,m（Si）=1.4g,m（AI）=2.7g
【考题再现】答案：
1．A2、⑴3、6、2、1、6⑵N2,Si3N4⑶K==〔CO〕6/〔N2〕2
⑷小于，减小⑸逆⑹6
3、
（1）1s22s22p63s23p63d104s24p2
（2）Sn
（3）①直线型共价键（或σ键与π键）
②Si－O通过共价键形成四面体结构，四面体之间通过共价键形成空间网状结构
共价键（或σ键）
③熔融时能导电、较高的熔点
（4）配位键
（5）B
第二节铝金属材料
【课标解读】
课标要求
学习目标
能根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究，了解铝及其重要化合物的主要性质。
1．了解铝、氧化铝、氢氧化铝、硫酸铝钾等铝盐的物理性质、化学性质及其应用。
2．了解铝与铝的化合物间的相互转化。
3、掌握几种重要的金属特别是铜的性质。
第1课时铝及其化合物
【知识再现】
一.单质铝
1．铝
（1）铝的物理性质
铝为色金属，熔点为，沸点为，密度为，仅为钢的1/3左右，导电性仅次于、和。
（2）铝的化学性质
①铝与非金属反应
铝是一种活泼金属，它很容易跟氧气发生反应。
常温下，铝被空气中的氧气氧化，在表面生成一层薄膜，阻止内部的金属继续跟氧气发生反应。
因此，铝在常温下，具有性。
根据P112【实验1】
观察到的现象：
请写出化学方程式
这个反应放出和，因此，铝可用于制造、、火箭推进剂等。
②铝跟酸反应
铝跟稀盐酸、稀硫酸等非氧化性酸反应，放出，常温下铝遇稀硝酸反应生成，铝遇浓硫酸、浓硝酸发生现象。
写出铝和稀盐酸反应的离子方程式：
铝与稀硝酸反应的离子反应方程式：
③铝与盐溶液的反应
写出铝和硫酸铜溶液反应的离子方程式：
④铝跟某些金属氧化物反应
根据P112【实验2】
I.观察到的现象：
II.反应原理：
请写出化学方程式：
在这个反应中，还原剂是、氧化剂是。
这个反应称为反应。
铝粉和氧化铁粉末的混合物称为。
III.铝热反应在生产上的应用
在生产上，如焊接钢轨（课本P113图4－2－4利用铝热反应焊接钢轨）等这种焊接不用电源，而且焊接速度快、设备简易，适合于。
用这种焊接方法可以把比较短的钢轨焊接成较长的钢轨。
此外在工业上，也利用铝热反应焊接大截面的钢材部件。
⑤铝与氢氧化钠溶液反应
写出铝与氢氧化钠溶液反应的化学方程式及离子方程式:
化学方程式：
离子方程式：
（3）铝的用途
①合金的优点：
将金属制成合金，可以长处，克服其，所以合金的性能一般纯金属。
②铝合金
铝合金具有特点，并且因表面易形成而具有。
铝合金主要用于，另外，铝合金还广泛的用于
二、氧化铝
1、氧化铝的物理性质：
氧化铝是一种色熔的物质，是一种较好的耐火材料，它可以用来制取。
常见的红宝石、蓝宝石的主要成分都是氧化铝（刚玉），红宝石的红色是由于其中混有少量含铬化合物，蓝宝石呈现蓝色是含有少量含钛化合物。
2、氧化铝的化学性质：
氧化铝是典型的两性氧化物。
既能与反应
升级会员 