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1、第一节 无机非金属材料的主角硅 第四章 非金属及其化合物第一节 无机非金属材料的主角-硅（共2课时） 第1课时 硅和二氧化硅【教学目标】1了解硅在自然界中的含量、存在、用途2了解二氧化硅的物理性质，掌握二氧化硅的化学性质。【教学重难点】：二氧化硅的性质。【教学过程】【引入】材料是人类生活必不可少的物质基础，材料的发展史就是一部人类文明史。从20世纪中叶开始，硅成了信息技术的关键材料，仅半导体材料中占了95%以上。硅芯片的使用，使计算机的体积缩小到笔记本一样大小。我们生长的地球，它坚硬的地壳是由什么构成的？-岩石，构成岩石的主要成分是硅酸盐及硅的氧化物。通过下列图片你能总结归纳出硅元素在自然界中

2、的存在吗？【点拨】自然界硅元素主要存在于：岩石、沙子和土壤。硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的90%以上。从古至今，在无机非金属材料中，硅一直都在扮演着主要的角色。硅及化合物的作用很大，大到高科技领域，小到我们的周围，到处都有Si及其化合物的踪影，当今电子工业的飞速发展，更是人们对Si的性质的认识息息相关，本节我们首先来研究一下单质硅的性质和用途。一、硅单质1硅在地壳中的存在：自然界中，硅元素分布广泛，是构成矿物和岩石的基本元素。硅在地壳中的含量仅次于氧，居第二位，约占26.3%。硅属于亲氧元素，主要以氧化物或硅酸盐的形式存在，自然界中无游离态的硅。单质硅通

3、常以晶体硅和无定形硅两种形式存在。2硅原子的结构硅原子的原子结构示意图为，硅与碳相同，最外层有四个电子，既不易失去电子，也不易得到电子，所以其化学性质不活泼，主要形成四价化合物。碳统治了有机界：碳是构成有机物的主要元素。硅统治了无机矿物界：硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。【思考】常温下，单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质（金刚石）存在，而硅却没有，说明了什么？单质硅的化学性质虽然稳定，但硅是一种亲氧元素，硅原子和氧原子的结合非常牢固，形成的二氧化硅或硅酸盐中的硅氧化学键非常牢固，硅氧键一旦形成就很难被破坏，所以，自然界中硅都是以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，没有游离态

4、的硅。晶体Si的结构类似于金刚石的正四面体型，因此物理性质与金刚石类似。3硅的物理性质：灰黑色具有金属光泽的固体、熔点高、硬度大、质脆、导电性介于导体和绝缘体之间，是好的半导体材料。4硅的化学性质（1）稳定性：因为Si在元素周期表中的位置仅次于金属与非金属分界线附近，因此硅有些性质与金属相似。硅的化学性质不活泼，常温下硅的化学性质很稳定，除F2、HF和NaOH外，Si不跟其他物质起反应。常温下的反应： Si+2F2=SiF4 Si+4HF=SiF4+2H2 Si+2NaOH +H2O = Na2SiO3+2H2（2）还原性：在高温下，Si能与O2等非金属单质发生反应高温下的反应：Si+O2Si

5、O2 Si+2Cl2SiCl4 Si+CSiC5硅的工业制法： 在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，可以得到作半导体材料的高纯硅。（1）粗硅的制取 SiO2 + 2CSi+2CO（2）粗硅提纯 Si+2Cl2 SiCl4 SiCl4+2H2Si（纯）+4HCl 硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。半导体晶体管及芯片的出现，促进了信息技术革命。请大家阅读教材P79-80上的内容，了解一下硅的用途。6硅的用途信息技术的关健材料，半导体、晶体管、芯片。半导体性能将太阳能转换为光能的重要材料光电池 硅

6、合金【练习1】1硅元素在自然界中的主要存在形式是（ D ）A晶体硅 B二氧化硅 C硅酸 D硅酸盐【解析】硅元素的含量在地壳中占第二位，尽管自然界中有的以SiO2的形式存在，但绝大多数的硅是一硅酸盐的形式存在。答案选D。2我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是（ A ）A晶体硅和金刚石的物理性质相似 B硅在地壳中含量居第二位，可以以游离态存在于自然界中 C晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵 D晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电 【解析】：晶体硅的结构与金刚石相似，是具有空间立体网状

7、结构的原子晶体，所以物理性质与金刚石相似，熔、沸点高，硬度大；硅在地壳中含量居第二位，但在自然界中没有游离态的硅存在，主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛使用；晶体硅是一种非金属单质，虽然它具有金属光泽。3下列说法正确的是（ A ）A硅材料广泛应用于光纤通讯 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【解析】：B项，工艺师利用氢氟酸刻蚀石英制作艺术品；C项，水晶项链的成分是SiO2，餐桌上的瓷盘是硅酸盐制品；D项，粗硅制备单晶硅先用Cl2氧化粗硅，再用H2还原SiCl4，这两个反应都是氧化还原反

8、应。答案选A。二、二氧化硅和硅酸1二氧化硅（SiO2）（1）存在SiO2 是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。【讨论】阅读课本p74-75，试画出由硅石开始的树状分类图。 石英晶体是结晶的二氧化硅，水晶石英中无色透明的晶体；具有彩色环带状或层状的称为玛瑙。水晶是自然界中六方柱状的透明晶体，玛瑙的成分也是SiO2，它们除了一些常见的可作饰物等用途外，SiO2 在工业上用途也非学广泛，例如，以石英为材料而制成的纤维在电信行业的应用等。（2）用途制光导纤维 石英玻璃制化学仪器 石英表、石英钟 水晶制光学仪器和工艺品 玛瑙制精密轴承

9、和装饰品 【思考与交流】根据二氧化硅的存在及应用分析以下问题： 1二氧化硅的物理性质？ 2二氧化硅的化学稳定性？ 3你认为SiO2这些性质是由什么决定的？（3）物理性质：熔点高，硬度大的固体、不溶于水，纯净的SiO2 晶体无色透明。【思考】为什么SiO2与CO2的性质上有着这么大的差别呢？【点拨】主要取决于结构的不同。CO2是C与O通过化学键所连接的分子结构，而SiO2 是SiO四面体结构。 【科学视野】SiO4四面体结构 每1个Si原子周围结合4个O原子，Si在中心，O在四个顶角。同时每1个O原子周围结合2个Si原子相结合。二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用SiO2来表示二氧化硅的组

10、成，SiO2只是石英晶体的化学式，而不是分子式。【点拨】二氧化硅的网状结构决定了二氧化硅是坚硬、难熔的固体（硬度大、熔沸点高），不溶于水。我们说，结构决定性质，SiO2 的网状结构不仅决定了其物理性质的特殊性，还决定了其化学性质的稳定性。（4）二氧化硅的化学性质（通常很不活泼） 二氧化硅是一种酸性氧化物，是硅酸的酸酐，在一定条件下能与强碱、碱性氧化物和某些盐反应，但不能与水反应。具有酸性氧化物的性质：与强碱反应生成盐和水 ：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 与碱性氧化物反应：SiO2+CaOCaSiO3 SiO2除了具有酸性氧化物的通用性之外，还具有特性。比如酸性氧化物一般不与酸反

11、应，而SiO2却能与HF反应，这也是工业上雕刻玻璃的反应原理。与氢氟酸反应（特性） SiO2+4HF=SiF4+2H2O 除此之外，SiO2在制水泥、玻璃、纯硅时，还有一些特殊反应。弱氧化性： 二氧化硅中硅元素的化合价为+4价，是硅元素的最高价，因此具有一定的氧化性，能被C、Mg等还原剂还原。SiO2+2CSi +2CO (工业上制粗硅) SiO2+2MgSi +2MgO与某些盐反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2 (工业上制玻璃的主要反应)【思考与交流】（1）实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？【点拨】HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能

12、用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。（2）实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？【点拨】NaOH溶液能与玻璃中的SiO2 反应生成Na2SiO3 ，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。【过度】刚才我们提到SiO2不能溶于H2O得到相应的酸，但它对应的酸叫硅酸，那么硅酸是一种怎样制得的酸呢？【练习2】1水泥路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（ C ）A B C D全部【解析】：中直接用到SiO2，而中Si来自于SiO2制备，是用SiO2作原料，而不是材料。答案选C。2指出下

13、列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在AD选项中选择正确答案填入括号内。SiO22NaOH=Na2SiO3H2O（ ）SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2（ ）SiO22CSi2CO（ ）SiO24HF=SiF42H2O（ ）A作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀B弱氧化性C酸性氧化物的通性 D将挥发性的酸酐从其盐中置换出来【解析】：本题全面考查SiO2的性质，将所给选项结合实际一一对应查找。A用来雕刻玻璃，应有氢氟酸(HF)参与反应；B中弱氧化性是指反应物SiO2中Si得电子，化合价降低；D是挥发性酸酐，应为CO2而不是CO；表现酸性氧化物的通性是指SiO2与碱的反应。答案：CDBA【

14、课堂小结】本节课我们知道了Si单质的重要用途。了解到Si是具发展前景的新能源材料。从结构上、从周期表的位置，进一步理解了Si的性质。学习了一种重要的非金属元素硅的化合物SiO2，了解了SiO2的重要性质及用途。知道了晶莹透明的水晶、五彩斑斓的玛瑙与普通沙子的化学成分并没有什么两样。知道了SiO2在当前信息时代、IT产业中的重要作用。【巩固练习】1据参考消息报道，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（ B ）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

15、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自然界中硅的贮量丰富【解析】：由于硅的亲氧性，自然界的硅都以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，无单质硅。答案选B。2地壳中含量第一和第二的两种元素所形成的化合物不具有的性质是（ B ）A熔点很高 B与水反应生成对应的酸 C可与烧碱反应生成盐 D坚硬3要除去SiO2中混有的少量CaO杂质，最适宜的试剂是（ B ）A纯碱溶液 B盐酸 C硫酸 D苛性钠溶液4下列试剂能贮存在磨口玻璃塞的试剂瓶里的是（ C ）AHF溶液 BKOH溶液 C盐酸 D水玻璃（硅酸钠溶液）5能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（ B ）ACO2溶于水形成碳酸，SiO2

16、难溶于水 BCO2通入可溶性硅酸盐中析出 C高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2D氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出气体，通入可溶性硅酸盐溶液中生成硅酸沉淀6能将Na2SiO3、CaCO3、SiO2三种白色粉末鉴别开来的试剂是（ D ）ANaOH溶液 B水 C氢氟酸 D稀盐酸7下列物质的变化，不能通过一步化学反应完成的是（ D ）ACO2H2CO3 BSiO2Na2SiO3 CNa2ONa2CO3 DSiO2H2SiO38素有“水晶之乡”美称的江苏东海县盛产水晶，现存于国家地质博物馆的水晶大王就出自东海县水晶是较纯净的透明的石英晶体，石英的主要成分是SiO2。下列有关石英的叙述不正确的是（ ）A

17、石英不一定是透明的晶体，可以做装饰品 B石英可以用来生产玻璃C石英晶体硬度最高，可以制取金刚砂 D石英可以用来制取高纯硅，也可以制光导纤维【解析】：金刚石是硬度最大的物质而不是石英，C项不正确。答案：C9下列说法正确的是（ C ）A二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟碱反应，但不能与任何酸反应B根据反应SiO2CaCO3CaSiO3CO2可推知硅酸酸性比碳酸强C二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸 D晶体硅常被用来制造光导纤维【解析】：二氧化硅是酸性氧化物，但它可以与氢氟酸发生反应SiO24HF=SiF42H2O；反应SiO2CaCO3CaSiO3CO2只有在高温下才能进行，由于CO2是气体，生成后

18、脱离反应体系使反应得以继续进行，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强；要比较硅酸和碳酸的酸性强弱就是要比较它们在水溶液中电离出H的难易程度，如CO2H2ONa2SiO3=Na2CO3H2SiO3，符合强酸制弱酸的规律，也可说明碳酸的酸性比硅酸的强；SiO2是光导纤维的主要成分。10下列物质：氢氟酸；浓H2SO4；烧碱溶液；Na2CO3固体；氧化钙；浓HNO3，其中在一定条件下能与SiO2反应的有（ C）A B全部 C D【解析】：SiO2只能与酸类物质中的氢氟酸反应；SiO2为酸性氧化物，与能反应；Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2是制取玻璃时发生的一个反应答案选C。11用地壳中某主要元

19、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）光导纤维的主要成分是 ：（3）目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是 ；（4）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；【解答】（1）硅（或Si或单晶硅）（2）二氧化硅（或SiO2）（3）硅（或Si）（4）铝硅酸盐（或硅铝酸盐）12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_。【解答】ASiO2；BNa

20、2SiO3；CCO2；DH4SiO4；EH2SiO3。13A元素的一种单质是一种重要的半导体材料，含A元素的一种化合物C可用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维，C与烧碱反应生成含A元素的化合物D。（1）在元素周期表中，A位于_族，与A同族但相对原子质量比A小的元素B的原子结构示意图为_，A与B在原子的电子层结构上的相同点是_。（2）易与C发生化学反应的酸是_（填名称），反应的化学方程式是_（3）将C与纯碱混合高温熔融时也发生化学反应生成D，同时还生成B的最高价氧化物E；将全部的E与全部的D在足量的水中混合后，又发生化学反应生成含A的化合物F。写出生成D和F的化学反应方程式：_。要将NaOH高温

21、熔化，下列坩埚中不可选用的是_。A普通玻璃坩埚 B石英玻璃坩埚 C氧化铝坩埚 D铁坩埚【解析】：（1）A元素单质可做半导体材料，含A元素的某化合物是制造光导纤维的原料，可知A为硅元素，比硅相对原子质量小的同族元素为碳。(2)C为SiO2，能与SiO2反应的酸只有氢氟酸。(3)SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3和H2O，故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与NaOH在高温下反应，故不能用以上材质的坩埚熔融NaOH。【答案】：（1）A最外层均有4个电子，最内层均有2个电子（2）氢氟酸SiO24HF=SiF42H2O（3）SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2； Na

22、2SiO3CO2H2O=Na2CO3H2SiO3 A、B、C【课后作业】1下列物质中主要成分不是二氧化硅的是（ A ）A硅胶 B水晶 C玛瑙 D硅石2NaOH、KOH等碱性溶液可以贮存在下列哪种试剂瓶中（ D ）A具有玻璃塞的细口瓶 B具有玻璃塞的广口瓶 C带滴管的滴瓶 D具有橡胶塞的细口瓶3可以用来制取半导体材料（如大规模集成电路）的是（ C ）A二氧化硅 B粗硅 C高纯硅 D硅酸盐4二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 （ D ）A浓盐酸 B硫酸 C硝酸 D氢氟酸5能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（ B ）ACO2溶于水形

23、成碳酸，SiO2难溶于水 BCO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀C高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2D氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出气体，通入可溶性硅酸盐溶液中生成沉淀6二氧化硅属于酸性氧化物，理由是（ C ）ASi是非金属元素 BSiO2对应的水化物是可溶性弱酸CSiO2与强碱反应生成盐和水 DSiO2不能与酸反应 7下列说法中，不正确的是（ B ）ASiO2和CO2都是酸性氧化物，均可与NaOH溶液反应 BSiO2不能与任何酸发生反应CSiO2和CO2在一定条件下，均可与CaO发生反应 DSiO2不溶于水，而CO2可与水反应，生成H2CO3【解析】：SiO2是一种酸性氧化物，但是可与H

24、F溶液发生反应。答案选B。8对于A族元素，下列叙述中不正确的是（ B ）ASiO2和CO2中Si和O，C和O之间都是共价键 BC、Si和Ge的最外层电子数都是4，次外层电子数都是8CCO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应 D该族元素的主要化合价是4和2【解析】：一般金属与非金属原子之间以共价键结合；C、Si、Ge为同主族元素，最外层电子数相等均为4，但核电荷数依次增多，次外层电子数依次为2、8、18；大多数非金属氧化物是酸性氧化物，如CO2、SiO2，酸性氧化物在一定条件下能够与碱性氧化物(如CaO)反应；最高正化合价数等于最外层电子数，A族元素的主要化合价是4和2。9氮

25、化硅(Si3N4)是一种具有耐高温、硬度大等优异性能的新型陶瓷工业上可用下列方法制取：3SiO26C2N2Si3N46CO。下列说法正确的是（ B ）A氮化硅晶体属于分子晶体 B氮化硅中氮元素的化合价为3C上述反应中，N2是还原剂，SiO2是氧化剂 D上述反应中，每生成1 mol Si3N4，N2得到6 mol电子【解析】：Si3N4具有耐高温、硬度大的特点，应为原子晶体；C是还原剂，N2是氧化剂每生成1 mol Si3N4，有2 mol N2被还原，得到12 mol电子。答案选B。10在SiO2+3CSiC+2CO反应中，氧化剂和还原剂的质量比为（ D ）A3630 B6036 C21 D1

26、211可以用来制取半导体材料（如大规模集成电路）的是（ C ） A二氧化硅 B粗硅 C高纯硅 D硅酸盐12下面关于硅的叙述中，正确的是（D）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13下列说法中，错误的是（D）ASiO2晶体中不存在单个SiO2分子 BCO2通入水玻璃可得硅酸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14二氧化硅属于酸性氧化物，理由是（ C ） ASi是非

27、金属元素 BSiO2对应的水化物是可溶性弱酸CSiO2与强碱反应生成盐和水 DSiO2不能与酸反应 15有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于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列关于硅的说法不正确的是（ ）A高纯度的单质硅被广泛用于制作计算机芯片B硅可由二氧化硅还原制得C常温时硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应D自然界硅元素的贮量丰富，并存在大量的单质硅【解析】：自然界中无单质硅存在答案选D。16下列关于碳和硅的叙述中，正确的是（ B ）A其氧化物都能与NaOH溶液反应 B其单质在加热时都能跟O2反应C其氧化物都能溶于水生成相应的酸 D碳和硅两种元素共有两种

28、单质【解析】：CO不能与NaOH溶液反应；SiO2不能溶于水，也不生成相应的酸；碳有金刚石、石墨等同素异形体，硅有晶体硅和无定形硅，所以有多种单质。答案选B。17如图所示物质的转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色沉淀。请回答下列问题：（1）B的化学式是_，目前B已被用作_的主要原料。（2）B和a溶液反应的离子方程式是_。（3）C和过量的盐酸反应的离子方程式是_。【解析】：C与过量的盐酸反应生成白色沉淀E，则E可能是硅酸或氯化银，若E是氯化银，则C是硝酸银，A为银，则根据已有知识，银可以与硝酸反应生成硝酸银，而银与硝酸反应能生成三种产物，不符合框图中物质间的转化关系则E只能为硅酸，则C为硅

29、酸盐，A为硅，a溶液为强碱的水溶液，进一步推出B为二氧化硅。【答案】：（1）SiO2光导纤维 （2）SiO22OH=SiOH2O （3）SiO2H=H2SiO318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：高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si3HClSiHCl3H2；SiHCl3与过量的H2在1 0001 100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_