2018年高中化學(xué) 第四章 元素與材料世界 第1節(jié) 硅、無機(jī)非金屬材料學(xué)案 魯科版必修1.doc
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第4章 第1節(jié) 硅 無機(jī)非金屬材料 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容: 第4章 第1節(jié) 硅 無機(jī)非金屬材料 二. 教學(xué)目的 1、掌握硅及二氧化硅的重要性質(zhì),了解其應(yīng)用。 2、體會物質(zhì)的性質(zhì)與材料性能的密切關(guān)系。 3、認(rèn)識新材料的開發(fā)對人類生產(chǎn)、生活的重要影響。 三. 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 硅及二氧化硅的性質(zhì) 四. 知識分析 (一)導(dǎo)體材料與單質(zhì)硅 1、半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料特指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料。最早使用的半導(dǎo)體材料是鍺,但因其含量低,提煉工藝復(fù)雜,價格昂貴,而不適合廣泛使用。目前廣泛使用的半導(dǎo)體材料是硅元素,在地殼中含量居第二位,該元素全部以化合態(tài)存在于自然界中,儲量豐富。常見的有晶體硅和無定形硅等形式存在。 2、單質(zhì)硅 (1)物理性質(zhì):單質(zhì)硅有晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅呈灰黑色,有金屬光澤,硬而脆,熔點(diǎn)很高(1410℃),是良好的半導(dǎo)體材料。 (2)化學(xué)性質(zhì): 常溫下不活潑,只與F2 及HF 和強(qiáng)堿反應(yīng)。在加熱時純硅與某些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 Si + 2F2 =SiF4 Si + 4HF = SiF4 ↑+ 2H2 ↑ Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2 H2 ↑ Si+ O2 SiO2 Si + 2Cl2 SiCl4 (3)硅的制備 由于自然界中沒有單質(zhì)硅的存在,因此我們使用的硅,都是從它的化合物中提取的。在工業(yè)上,用碳在高溫下還原二氧化硅的方法可制得含有少量雜質(zhì)的粗硅,將粗硅提純后,可以得到半導(dǎo)體材料的高純硅。 制粗硅: SiO2 + 2C Si + 2CO ↑ 制高純硅: Si + 2Cl2 SiCl4 SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl (4)硅的用途: 硅可用來制造集成電路,太陽能電池,硅整流器等。硅合金可用來制造變壓器鐵芯,耐酸設(shè)備等。 思考:判斷下列說法是否正確: ① 非金屬單質(zhì)不能與堿液反應(yīng)放出氫氣 ② 非氧化性酸不能與非金屬單質(zhì)反應(yīng) ③ 自然界中含大量的硅單質(zhì),其含量僅次于氧 (解答:① ② ③ ) (二)二氧化硅與光導(dǎo)纖維 1、二氧化硅的存在 二氧化硅廣泛存在與自然界中,常見的有沙子石英和水晶,另外二氧化硅也是構(gòu)成巖石的重要成分。 2、二氧化硅的物理性質(zhì) 純凈的二氧化硅晶體呈無色,熔點(diǎn)高,硬度大,不溶于水,也不溶于其他一般的溶劑。 3、二氧化硅的化學(xué)性質(zhì) 二氧化硅化學(xué)性質(zhì)不活潑。是一種酸性氧化物。常溫下與氫氟酸反應(yīng),與堿溶液緩慢反應(yīng),高溫下與堿性氧化物反應(yīng)。 Si O2+ 4HF = SiF4 ↑+ 2H2O SiO2+ 2NaOH = Na2SiO3 + H2 O Si O2 + CaO CaSiO3 注意: ①氫氟酸不能保存在玻璃瓶中,應(yīng)保存在塑料瓶中。 ②NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中,應(yīng)保存在橡膠塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。 4、二氧化硅的用途 (1)石英可用于制作石英表和石英玻璃。 (2)石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。 (3)水晶常用來制造電子部件、光學(xué)儀器和工藝品等。 (4)SiO2 被用于制造高性能的現(xiàn)代通訊材料——光導(dǎo)纖維,光導(dǎo)纖維除用于通訊外,還可用于能量傳輸,信息處理遙測遙控和醫(yī)療器械(如光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡)制造等方面。 光導(dǎo)纖維作為通訊材料的優(yōu)點(diǎn)是克服了聲音信號和圖像信號在銅絲和鋁絲這兩種傳統(tǒng)媒介中傳播損耗大的缺點(diǎn),并節(jié)約了大量的金屬資源。 (三)硅酸鹽與無機(jī)非金屬材料 1、硅酸 硅酸為白色粉末狀固體,不溶于水,其酸性比碳酸還弱(也可由硅的非金屬性比碳弱推出),其化學(xué)式為H2SiO3。SiO2是硅酸的酸酐,但 SiO2 不溶于水,所以不能用 SiO2 與水直接反應(yīng)得到 H2SiO3而只能用可溶性硅酸鹽與酸反應(yīng)制得。 如: Na2SiO3 + CO2 + H2O = Na2CO3 + H2SiO3↓ H2SiO3 在加熱條件下失水變?yōu)镾iO2 : H2SiO3 SiO2 + H2O 2、硅酸鹽 (1)硅酸鹽在自然界中的存在 硅酸鹽是構(gòu)成地殼中巖石的主要成分,自然界中存在的各種天然硅酸鹽礦石,約占地殼的5%,粘土的主要成分也是硅酸鹽。粘土的種類很多,常見的有高嶺土和一般粘土,前者含雜質(zhì)較少,后者含雜質(zhì)較多。 (2)硅酸鹽組成的表示方法 硅酸鹽的種類很多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無論是天然的還是人工制成的硅酸鹽,其組成的表示方法有兩種。 ① 化學(xué)式法: 一般用于組成較簡單的硅酸鹽。如: 硅酸鈉 Na2SiO3; 硅酸鈣Ca2SiO3 ② 氧化物法:常用的表示方法。 如: 鎂橄欖石(Mg2SiO4) 2MgOSiO2 高嶺石〔Al2(Si2O5)(OH)4〕 Al2O32SiO22H2O 正長石(2KAlSi3O8 ) K2OAl2O36SiO2 說明:用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成時,各氧化物的排列順序?yàn)椋? 較活潑金屬氧化物→ 較不活潑金屬氧化物→ 二氧化硅→ 水 (3)硅酸鈉 硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃,它是一種礦物膠,具有粘合性。 3、無機(jī)非金屬材料 (1)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料 ① 玻璃 原料:生產(chǎn)普通玻璃的主要原料是純堿(Na2CO3),石灰石(CaCO3)和石英(SiO2 )。 主要設(shè)備:玻璃熔爐 反應(yīng)原理:將粉碎混勻的原料加強(qiáng)熱使之熔化,發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化,冷卻即成玻璃。其中主要化學(xué)反應(yīng)是: CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 ↑ Na2CO3 + SiO2Na2SiO3 + CO2 ↑ 主要成分: 制造玻璃的原料中,石英是過量的,所以,普通玻璃是CaSiO3,Na2SiO3和SiO2 熔化在一起得到的物質(zhì),其物質(zhì)的量之比為1:1:4,因此玻璃可表示為:Na2OCaO6SiO2。 主要性質(zhì):硬而脆,受熱時在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化,沒有一定的熔點(diǎn),故作玻璃態(tài)物質(zhì),耐酸腐蝕(HF除外)。 ②水泥 a. 普通水泥的主要成分為硅酸三鈣(3CaOSiO2),硅酸二鈣(2CaOSiO2)和鋁酸三鈣(3CaOAl2O3)等。 b. 水泥的特點(diǎn)是水泥具有水硬性,與水?dāng)v和攪拌并靜置后,很容易凝固變硬。 c. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物,混凝土常用鋼筋作結(jié)構(gòu),這就是通常所說的鋼筋混凝土。 (2)新型無機(jī)非金屬材料 類別 示例 特性 用途 高溫結(jié) 構(gòu)陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度極高,耐磨損,耐高溫,抗腐蝕,抗氧化能力強(qiáng),電絕緣性好 汽輪機(jī)葉片、軸承、發(fā)動機(jī)部件、永久性模具 碳化硅陶瓷 硬度僅次于金剛石,耐高溫,且在室溫下能導(dǎo)電 電熱元件 生物 陶瓷 氧化鋁陶瓷 氧化鋯陶瓷 強(qiáng)度高,耐磨,無毒,不溶于水,對人體組織有較好的適應(yīng)性,可直接植于人體 人造牙齒、人造骨骼 壓電 陶瓷 鈦酸鋇陶瓷 鈦酸鉛陶瓷 可將極其微弱的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成信號 聲吶系統(tǒng)、氣象檢測、遙控環(huán)境保護(hù)、家用電器、壓電地震儀 【典型例題】 例1. 有一粗硅,含鐵和硅兩種雜質(zhì),取等質(zhì)量的樣品分別投入足量的稀鹽酸和足量的稀氫氧化鈉溶液中,放出等量的氫氣,則該粗硅中鐵和硅的關(guān)系正確的是( ) A. 物質(zhì)的量之比為1:1 B. 物質(zhì)的量比為2:1 C. 質(zhì)量比為4:1 D. 質(zhì)量比為2:1 答案:B C 解析:粗硅與鹽酸反應(yīng)是鐵與鹽酸反應(yīng) Fe +2HCl === FeCl2 + H2 ↑ ;粗硅與堿反應(yīng)是硅與堿反應(yīng)Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 ↑因放出等量氫氣,則鐵與硅的物質(zhì)的量之比為2:1, 質(zhì)量比為4:1。 點(diǎn)評:本題綜合考查了鐵、硅的性質(zhì),是定性分析與簡單定量計算相結(jié)合的,解題要注意書寫化學(xué)方程式的準(zhǔn)確性。 例2. 下列說法不正確的是( ) A. 因?yàn)镾iO2 不溶于水,故H2SiO3不是SiO2 對應(yīng)的酸或者說SiO2 不是H2SiO3 對應(yīng)的酸酐 B. CO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀 C. SiO2 是一種空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體,熔點(diǎn)高、硬度大 D. 氫氟酸能夠雕刻玻璃,故不能用玻璃瓶來盛氫氟酸 答案: A 解析:SiO2 中 Si 呈+4價, H2SiO3中Si為+4價,且 H2SiO3(加熱)= SiO2 + H2O ,故A項錯誤,B項發(fā)生的反應(yīng):Na2SiO3 + CO2 (少量)+ H2O =H2SiO3↓ + Na2CO3 D項發(fā)生的反應(yīng)為:4HF+ SiO2 = SiF4↑+ 2H2O 點(diǎn)評:學(xué)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)既要注意共性,還要注意特性;既要知道一般規(guī)律,還要知道特殊規(guī)律。 例3. 下列溶液中加入氯化鋇溶液生成白色沉淀,在加入稀硝酸震蕩,白色沉淀不消失的是( ) A. Na2SiO3 B. Na2CO3 C. Na2SO3 D. Na3PO4 答案:A C 解析:BaCO3 和 Ba3(PO4 )2 均為白色沉淀,二者均溶于HNO3 ,BaSiO3 溶于HNO3 后又生成H2SiO3,BaSO3溶于硝酸后生成BaSO4。 點(diǎn)評:本題表面上是考查復(fù)分解反應(yīng),實(shí)際卻包含了氧化還原反應(yīng)的知識,解題要注意思維的全面性和靈活性。 例4. 三硅酸鎂晶體被用來治療胃潰瘍病患者的胃酸過多癥,是因?yàn)樵撐镔|(zhì)不溶于水,服用后能中和胃酸,作用持久。三硅酸鎂晶體化學(xué)式為 : Mg2Si3O8nH2O。 (1)用氧化物的形式表示三硅酸鎂的化學(xué)式。 (2)寫出該藥物中和胃酸的化學(xué)方程式。 答案:(1) 2MgO3SiO2nH2O (2)2MgO3SiO2 nH2O + 4HCl = 2MgCl2 + (n+2) H2O + 3SiO2 解析:用氧化物的形式表示硅酸鹽的時候,應(yīng)注意書寫原則: 活潑金屬氧化物、較活潑金屬氧化物、二氧化硅、水 第二問若直接寫三硅酸鎂與鹽酸反應(yīng),許多同學(xué)會感到無從下手。應(yīng)從氧化物形式書寫。堿性氧化物(MgO)能與鹽酸反應(yīng),而SiO2 不能與鹽酸反應(yīng)可當(dāng)成雜質(zhì),最后寫出正確的方程式。 評注:本題考查了將復(fù)雜的硅酸鹽用氧化物的形式表示這個知識點(diǎn),同時本題也涉及硅酸鹽在生活中的應(yīng)用。解題時應(yīng)注意只有堿性氧化物才能與酸反應(yīng)生成鹽和水。- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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