志鸿优化设计高考化学一轮复习 第四章 材料家族中的元素第一节硅无机非金属材料教学案 鲁科版.docx

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志鸿优化设计高考化学一轮复习第四章材料家族中的元素第一节硅无机非金属材料教学案鲁科版

第四章　材料家族中的元素

第一节　硅　无机非金属材料

考纲点击

1．了解硅元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。

2．硅元素单质及化合物的综合应用。

3．传统、新型无机非金属材料的区别、特性和主要应用。

4．以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。

一、硅和半导体材料

1．硅元素

（1）存在

硅元素在地壳中的含量居第____位，仅次于____，且自然界中没有游离态的硅，全部以____态存在，常见的化合态的硅有二氧化硅和硅酸盐等。

（2）硅在元素周期表中的位置

硅元素位于周期表的第3周期第ⅣA族，其原子结构示意图为__________。

2．单质硅

单质硅有________和________（非晶体硅）两种同素异形体，其晶体结构与________类似。

（1）物理性质

晶体硅是______的固体，有金属光泽，硬度大，熔点和沸点____，导电性介于____和______之间。

晶体硅是良好的______材料，在计算机等电子工业，可用作__________、大规模________等。

硅是人类将____能转化为____能的常用材料，所以硅还用于制造______。

（2）化学性质

在常温下只与F2、HF和强碱溶液反应，相关化学方程式分别为：

Si＋2F2===SiF4；__________________；Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

在加热时能与O2和Cl2等非金属单质反应，其化学反应方程式分别为：

____________________、__________________________。

（3）工业制法

用焦炭和二氧化硅在电炉中反应得到粗硅，反应的化学方程式为________________________。

制高纯硅：

Si（粗硅）＋2Cl2

SiCl4，SiCl4＋2H2

Si＋4HCl。

（4）用途

①作为半导体材料。

②生产硅合金。

特别提示：

中学化学中，与碱反应放出气体的非金属单质是硅（Si），与碱反应放出气体的金属单质是铝（Al）。

即时训练1在一定条件下，C与SiO2反应方程式为3C＋SiO2

SiC＋2CO↑，对于此反应，下列判断是否正确。

（填“√”或“×”）

（1）C既表现氧化性又表现还原性（　　）

（2）SiO2是氧化剂，C为还原剂（　　）

（3）被氧化的物质与被还原的物质的质量比为2∶1（　　）

（4）1molC完全反应转移的电子数为2NA（　　）

二、二氧化硅和光导纤维

1．二氧化硅（SiO2）

（1）自然界中的存在

SiO2主要存在于：

______________等物质中。

特别提示：

二氧化硅广泛存在于自然界中，天然二氧化硅叫硅石。

石英的主要成分为二氧化硅晶体，透明的石英晶体叫做水晶，含有有色杂质的石英晶体叫做玛瑙。

另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。

（2）SiO2的空间结构：

SiO2直接由原子构成，不存在单个SiO2分子。

（3）物理性质：

纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。

（4）化学性质：

SiO2常温下化学性质很不活泼，不与水、酸反应（氢氟酸除外），能与强碱溶液、氢氟酸反应，高温条件下可以与碱性氧化物反应：

①与强碱反应：

生成的硅酸钠具有黏性，所以不能用带磨口玻璃塞试剂瓶存放NaOH溶液和Na2SiO3溶液，避免Na2SiO3将瓶塞和试剂瓶黏住，打不开，应用______。

②与氢氟酸反应（SiO2的特性）：

利用此反应，氢氟酸能雕刻玻璃；氢氟酸不能用玻璃试剂瓶存放，应用______。

③高温下与碱性氧化物反应：

SiO2＋CaO

CaSiO3

特别提示：

（1）SiO2不溶于水，也不与水反应，所以不能通过SiO2与H2O反应的方法来制取其对应的水化物——硅酸（H2SiO3）。

制取H2SiO3的方法如下：

Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓或Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓[硅酸（H2SiO3）不溶于水，其酸性比H2CO3还弱]。

（2）保存氢氟酸、NaOH溶液时应该注意：

氢氟酸不能保存在玻璃瓶中，应保存在塑料瓶中。

NaOH溶液不能保存在带玻璃塞的玻璃瓶中，应保存在带橡胶塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。

2．二氧化硅的用途

（1）石英可用于制作石英表和石英玻璃。

（2）石英砂常用作制玻璃和建筑材料。

（3）水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等。

（4）玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品。

（5）SiO2被用于制造高性能的现代通信材料——光导纤维。

3．SiO2与CO2的比较

（1）相同点（类似点）：

均是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应、都能与CaO反应，只是反应条件不同。

都能与单质C反应，但产物不相似（一是置换反应、一是化合反应）。

（2）不同点：

①存在形式不同；

②物理性质差异较大；

③CO2能与H2O反应而SiO2不能；

④SiO2能与HF反应；

⑤用途不同。

CO2

SiO2

存在

空气中

岩石中，硅石、石英、水晶、硅藻土中都含SiO2

物理性质

熔、沸点低，常温时是气体，能溶于水

坚硬难熔的固体，不溶于水

与碱性氧

化物反应

CaO＋CO2===CaCO3

CaO＋SiO2

CaSiO3

与碱液

的反应

2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

与盐反应

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

Ca（ClO）2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO

SiO2＋CaCO3

CaSiO3＋CO2↑

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑

与碳反应

C＋CO2

2CO

2C＋SiO2

Si＋2CO↑

与H2O作用

CO2＋H2O

H2CO3

不与水化合

与酸反应

不反应

只与HF反应

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

用途

饮料、制碱

光导纤维、化学仪器、光学仪器、钟表、电子部件

特别提示：

根据反应：

Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑，不能说明Si的非金属性比C的强，或者说H2CO3的酸性比H2SiO3的弱。

因为该反应条件是高温且不是在溶液中进行的，主要是利用了CO2与SiO2熔、沸点不同，生成的CO2脱离反应体系，致使反应向右进行。

4．光导纤维

（1）主要成分：

SiO2。

（2）用途：

用于通信、能量传输、信息处理、遥测遥控和医疗器械（如光导纤维内窥镜）制造等方面。

即时训练2指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～E选项中选择正确答案填入括号内。

①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（　　）

②SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑（　　）

③SiO2＋2C

Si＋2CO↑（　　）

④SiO2＋3C

SiC＋2CO↑（　　）

⑤SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（　　）

A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀

B．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

E．未参加氧化还原反应

三、硅酸及无机非金属材料

1．硅酸（H2SiO3）

（1）物理性质

硅酸是____溶于水的白色胶状物，能形成硅胶，吸附水分能力强，其酸性比碳酸____，硅酸____（填“能”或“不能”）使紫色石蕊试液变红。

（2）化学性质

①不稳定性：

硅酸不稳定，受热

易分解：

________________________。

②弱酸性——比碳酸的酸性还要____，但SiO2不溶于水，故不能直接由SiO2溶于水制得，常用可溶性硅酸盐与酸反应制取：

（强酸制弱酸原理）

与NaOH溶液反应的化学方程式为________________________________，向Na2SiO3溶液中通入少量CO2的反应方程式为____________________________________（较强酸制取较弱酸）。

③用途：

硅酸在水中易聚合形成胶体，固化、水洗、干燥后可得硅胶。

硅胶吸附水分能力强，常用做______、催化剂的载体。

④制备：

Na2SiO3与盐酸反应，离子方程式为__________________________。

2．硅酸钠

（1）物理性质

白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称______，有黏性。

（2）化学性质

①水解显____性。

②与酸性较硅酸强的酸反应，例如：

与盐酸反应：

Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。

与CO2水溶液反应：

____________________________（此反应证明酸性：

H2SiO3＜H2CO3），因此硅酸钠水溶液久置在空气中容易变质（有白色沉淀生成）。

（3）用途：

黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。

3．硅酸盐

（1）概念：

由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

（2）表示方法

硅酸盐矿物的成分复杂，常用氧化物的形式表示。

如硅酸钠（Na2SiO3）写成__________

，钾云母（KH2Al3Si3O12）写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。

4．传统无机非金属材料

如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。

（1）普通玻璃

①主要原料：

______________。

②生产中主要化学反应为Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑。

③主要成分：

Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。

（2）普通硅酸盐水泥

①主要原料：

____________。

②主要成分

硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）。

③主要性质：

______。

5．新型无机非金属材料

（1）高温结构陶瓷

如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。

（2）生物陶瓷

对机体无排异性，不会引起代谢作用异常。

（3）压电陶瓷：

具有压电效应。

特别提示：

雕刻玻璃用氢氟酸而不用强碱溶液的原因：

氢氟酸与玻璃中的SiO2反应生成的SiF4易挥发，而强碱与SiO2反应生成的Na2SiO3具有黏性。

即时训练3下列说法是否正确（填“√”或“×”）

（1）SiO2是沙子、石英、玛瑙的主要成分（　　）

（2）玻璃、石英玻璃、水泥均是硅酸盐材料（　　）

（3）SiO2是酸性氧化物，不能与任何酸反应（　　）

（4）SiO2与CO2是同族元素的氧化物，化学性质相同（　　）

（5）CO2通入硅酸钠溶液中，有白色沉淀生成，说明酸性H2CO3＞H2SiO3（　　）

一、硅及其化合物的特性和应用

1．硅及其化合物的特性

（1）Si的还原性强于C，但C却能在高温下还原出Si。

（2）非金属单质跟碱作用一般无H2放出，但Si能跟强碱溶液作用放出H2。

（3）非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能跟氢氟酸作用且放出氢气。

（4）非金属单质一般为非导体，但Si可以做半导体。

（5）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能与氢氟酸作用。

（6）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，也不能直接与水反应制备H2SiO3。

（7）无机酸一般易溶于水，但H2SiO3和H4SiO4均难溶于水。

（8）硅酸钠俗称泡花碱（纯净物），但却是盐，其水溶液俗称水玻璃（混合物）。

（9）H2CO3的酸性强于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑，原因是：

在高温下反应生成的CO2是气体，生成后离开反应体系使反应向右进行。

特别提示：

SiO2作为酸性氧化物的特性

（1）一般情况下，只有碱性氧化物与酸反应，酸性氧化物只与碱反应，不与酸反应，但SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸，

常用氢氟酸刻蚀玻璃。

（2）一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的酸，如CO2＋H2O

H2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。

（3）一般情况下，因为碳酸的酸性比硅酸强，可发生反应，如Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，即符合“较强酸制较弱酸”的复分解反应规律。

而SiO2与Na2CO3、CaCO3高温下可以发生反应：

Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑

2．H2CO3与H2SiO3性质的比较

H2CO3

H2SiO3

酸性

均为弱酸，且酸性：

H2CO3＞H2SiO3

水溶性

能溶于水

不溶于水

稳定性

常温下易分解生成CO2和H2O

受热时易分解，化学方程式为H2SiO3

SiO2＋H2O

转化关系

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

或Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑

3．硅酸和硅酸盐的溶解性

一般情况下，大多数酸溶于水，如盐酸、醋酸、碳酸，但硅酸却不溶于水。

硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是Na2SiO3，其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂的原料。

【例1－1】（2012新课标全国理综）下列说法中正确的是（　　）

。

A．医用酒精的浓度通常为95%

B．单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料

C．淀粉、纤维素和油脂都属于天然高分子化合物

D．合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料

【例1－2】（2012重庆理

综）金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。

（1）碳与短周期元素Q的单质化合仅能生成两种常见气态化合物，其中一种化合物R为非极性分子。

碳元素在周期表中的位置是______，Q是______，R的电子式为______。

（2）一定条件下，Na还原CCl4可制备金刚石，反应结束冷却至室温后，回收其中的CCl4的实验操作名称为______，除去粗产品中少量钠的试剂为______。

（3）碳还原SiO2制SiC，其粗产品中杂质为Si和SiO2，现将20.0gSiC粗产品加入到过量的NaOH溶液中充分反应，收集到0.1mol氢气，过滤得SiC固体11.4g，滤液稀释到1L。

生成氢气的离子方程式为________________________，硅酸盐的物质的量浓度为______。

（4）下列叙述正确的有______（填序号）。

①Na还原CCl4的反应、Cl2与H2O的反应均是置换反应

②水晶、干冰熔化时克服粒子间作用力的类型相同

③Na2SiO3溶液与SO3的反应可用于推断Si与S的非金属性强弱

④钠、锂分别在空气中燃烧，生成的氧化物中阴阳离子数目比均为1∶2

二、无机非金属材料与硅酸盐

1．无机非金属材料

2．硅酸盐工业简介

特别提示：

传统无机非金属材料均由硅酸盐构成，而大部分新型无机非金属材料虽不是硅酸盐，但都是与硅酸盐相关的一些新物质。

3．硅酸盐组成的表示方法

硅酸盐的种类多、结构复杂，其组成的表示方法有两种：

（1）盐化学式法

如：

硅酸钠：

Na2SiO3，硅酸钙：

CaSiO3等。

此法一般用于组成较简单的硅酸盐。

（2）氧化物法

如：

黏土：

Al2O3·2SiO2·2H2O

石棉：

Ca

O·3MgO·4SiO2

沸石：

Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O

云母：

K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O

滑石：

3MgO·4SiO2·H2O

钾长石：

K2O·Al2O3·6SiO2

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原子个数守恒原则

配置系数。

①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，常采用氧化物法。

实际上硅酸盐不是以简单氧化物的形式存在，而是以多种结构复杂的盐的形式存在的。

②以氧化物的形式来表示硅酸盐的组成，要注意掌握书写原则；而且写成氧化物后，原化学式中各元素的原子的个数比应保持不变。

特别提示：

①氧化物之间以“·”隔开；②系数配置出现分数应化为整数。

例如：

钾长石KAlSi3O8不能写成

K2O·

Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

【例2－1】

（1）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个词中选出一个与它们同类的物质（　　）。

A．光导纤维B．有机陶瓷

C．人造纤维D．砖瓦

（2）下列物质中，属于新型无机非金属材料的是（　　）。

A．钢化玻璃B．碳化硼陶瓷

C．光导纤维D．硼酸盐玻璃

（3）人造骨是一种新型无机非金属材料，它类似于人骨和天然骨的性质结构，这是利用了这类材料的______特性，人造骨骼可以依靠从人体体液中补充某些离子形成新骨，可在骨骼界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨髓的牢固结合。

人造骨植入人体内需要吸收人体中的______形成新骨。

A．Ca2＋B．Cl－

C．Na＋D．PO

【例2－2】（2012甘肃银川模拟）化学与人类生产、生活、社会可持续发展密切相关，下列说法正确的是（　　）。

A．“天宫一号”中使用的碳纤维，是一种新型有机高分子材料

B．为改善食品的色、香、味并防止变质，可加入大量食品添加剂

C．用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料，实现“碳”的循环利用

D．大量使用化肥和农药，以提高农作物产量

Mg与某些酸性氧化物的反应

【实验目的】Mg与CO2反应是中学教材中涉及的内容，SO2、SiO2都为酸性氧化物，与金属Mg也应发生类似的反应，此类探究实验主要考查学生的信息迁移能力。

【实验典例】已知Mg与CO2可反应生成MgO与C；SiO2、SO2和CO2都是酸性氧化物，化学性质具有一定的相似性；镁和钠的化学性质也有一定的相似性。

两个研究性学习小组分别根据不同的微型课题进行研究，其方案如下：

（实验方案Ⅰ）第一个研究性学习小组用如图所示的装置进行镁与二氧化硫反应的实验。

实验药品：

实验室制取二氧化硫类似于制取二氧化碳，在下列物质中选择合适的试剂制取二氧化硫______。

A．80%的硫酸B．浓盐酸

C．浓硝酸D．亚硫酸钠固体

E．亚硫酸钙固体F．饱和亚硫酸钠溶液

实验现象：

反应后，发现B管壁有淡黄色粉末产生，取反应后B中固体溶于稀盐酸中产生具有臭鸡蛋气味的气体，写出B管中发生的有关反应的化学方程式：

________________________。

实验改进：

你认为该装置是否有不足之处？

______。

如果有，请写出改进方法：

________________________________________________________________________。

（实验方案Ⅱ）第二个研究性学习小组进行了“实验室制硅”的研究，他们以课本为基础，查阅资料得到以下可供参考的信息：

①镁在点燃条件下即可与二氧化硅反应制取硅

②金属硅化物与稀硫酸反应生成硫酸盐与硅烷

③硅烷在空气中能自燃

他们在研究报告中记载着“……用Mg和SiO2在适宜的条件下充分反应；再用足量稀硫酸溶解固体产物；然后过滤、洗涤、干燥、最后称量……在用稀硫酸溶解固体产物时，发现有爆鸣声和火花，其产率也只有预期值的63%左右”。

实验探究：

（1）该小组“实验室制硅”的化学方程式是_____________________________________。

（2）你估计“用稀硫酸溶解固体产物时，发现有爆鸣声和火花”的原因是__________________________________________________

______________________。

1．（高考组合题）判断下列说法是否正确：

（填“√”或“×”）

A．（2012广东理综改编）因为SiO2有导电性，故SiO2可用于制备光导纤维。

（　　）

B．（2012山东理综）盛放NaOH溶液时，使用带玻璃塞的磨口瓶。

（　　）

C．（2012江苏化学改编）向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2气体，出现白色沉淀，H2SiO3的酸性比H2CO3的酸性强。

（　　）

D．（2012福建理综改编）二氧化硅与水作用形成的溶液能与NH4Cl反应生成NH3。

（　　）

2．下列说法正确的是（　　）。

A．用催化法处理汽车尾气中的CO和NO的化学方程式为CO＋NO

C＋NO2

B．对滴有酚酞试液的小苏打溶液中加入少量的NaCl固体，颜色变深

C．除去干燥CO2中混有的少量SO2，可将混合气体依次通过盛有酸性KMnO4溶液、浓硫酸的洗气瓶

D．二氧化硅不与任何酸反应，可用石英制造耐酸容器

3．将足量CO2通入下列各溶液中，所含离子还能大量共存的是（　　）。

A．K＋、SiO

、Cl－、NO

B．H＋、NH

、Al3＋、SO

C．Na＋、S2－、OH－、SO

D．Na＋、CO

、CH3COO－、HCO

4．某短周期非金属元素的原子核外最外层电子数是次外层电子数的一半，该元素（　　）。

A．在自然界中只以化合态的形式存在

B．单质常用作半导体材料和光导纤维

C．最高价氧化物不与酸反应

D．气态氢化物比甲烷稳定

5．（双选）下列实验方案叙述正确的是（　　）。

A．利用SiO2与水反应制备H2SiO3

B．SiO2（含杂质Fe2O3）

滤液

制备H2SiO3

C．同浓度的Na2CO3溶液的碱性比Na2SiO3溶液的强，说明酸性H2CO3＞H2SiO3

D．将CO2通入Na2SiO3溶液中，根据现象可说明酸性H2CO3＞H2SiO3

6．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是（　　）。

①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素　②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸

盐制品　③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维　④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料

A．①②B．②③C．①④D．③④

7．（2012山东潍坊质检）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少量的二氧化碳：

CO2＋OH－===HCO

B．单质硅与氢氟酸反应：

Si＋4HF===2H2↑＋SiF4↑

C．石英砂与烧碱反应生成水玻璃：

SiO2＋

2OH－===SiO

＋H2O

D．向水玻璃中通入少量二氧化碳：

SiO

＋2H2O＋CO2===H4SiO4↓＋CO

8．在下列物质的转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色沉淀。

据此填写：

（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）A和a溶液反应的离子方程式是____________________________________________。

（4）C和过量盐酸反应的离子方程式是__________________________________________。

参考答案

基础梳理整合

一、1．

（1）二　氧　化合　

（2）

2．晶体硅　无定形硅　金刚石

（1）灰黑色　高　导体　绝缘体　半导体　半导体芯片　集成电路

太阳　电　光电池　

（2）Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑　Si＋O2

SiO2　Si＋2Cl2

SiCl4

（3）SiO2＋2C

Si＋2CO↑

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