人教版高中化学必修一4.1《无机非金属材料的主角——硅》ppt课件.ppt

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 学习目标 1. 了解 SiO 2 、 H 2 SiO 3 的主要性质。 2. 了解硅、硅酸盐的主要性质。 3. 了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。 4. 了解晶体硅的重要用途。 硅在地壳中的含量仅次于 ，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的 90% 以上；硅原子最外层有 个电子，主要形成 价的化合物。 氧 4 ＋ 4 一、二氧化硅 1 ．存在 存在形态有 形和 形两大类，水晶、玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。 2 ．物理性质 熔点 硬度 溶解性 高 大 不溶于水 无定 结晶 3. 化学性质 4 ．用途 (1) 沙子是基本的建筑材料。 (2) 纯净的 SiO 2 是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。 (3) 和玛瑙制作饰物和工艺品。 石英 保存 NaOH 溶液时能使用玻璃塞吗？为什么？ 【 思考 · 提示 】 　不能。因 NaOH 会与玻璃的主要成分 SiO 2 反应，生成的 Na 2 SiO 3 溶液会使瓶塞与瓶壁粘连在一起。 思考 二、硅酸 1 ．硅酸的性质 (1) 弱酸性 向 Na 2 SiO 3 溶液中通入 CO 2 ，反应的化学方程式为 Na 2 SiO 3 ＋ CO 2 ＋ H 2 O===H 2 SiO 3 ↓ ＋ Na 2 CO 3 。 结论： H 2 SiO 3 酸性比 H 2 CO 3 酸性 。 (2) 不稳定性 弱 2 ．硅酸的制备 可溶的硅酸盐与较强的酸反应可制得硅酸， Na 2 SiO 3 与盐酸反应的化学方程式为 Na 2 SiO 3 ＋ 2HCl===H 2 SiO 3 ↓ ＋ 2NaCl 。 3 ．硅酸的存在及用途 (1) 浓度小时：形成硅酸溶胶； (2) 浓度大时：形成 。 (3) 硅胶 硅酸凝胶经干燥脱水得到的硅酸干凝胶称为 “ ” ，具有强的 ，常用作干燥剂或催化剂的载体。 硅胶 吸水性 硅酸凝胶 三、硅酸盐 1 ．概念：硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。 2 ．硅酸盐的性质 硅酸盐是一类结构复杂的固态物质，大多 不溶 于水，化学性质很 。 稳定 3 ．硅酸盐组成的表示 通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。 例如： Na 2 SiO 3 ： ； 长石 KAlSi 3 O 8 ： ； 4 ．最常见的硅酸盐 ——Na 2 SiO 3 Na 2 SiO 3 的水溶液俗称 ，能制备硅胶和木材防火剂。 水玻璃 Na 2 O·SiO 2 K 2 O·Al 2 O 3 ·6SiO 2 5 ．三种常见的硅酸盐产品 硅酸盐产品 原料 主要设备 主要成分 水泥 石灰石、黏土 水泥回转窑 硅酸二钙　 2CaO·SiO 2 硅酸三钙　 3CaO·SiO 2 铝酸三钙　 3CaO·Al 2 O 3 玻璃 纯碱、石灰石、石英 玻璃窑 Na 2 O·CaO·6SiO 2 陶瓷 黏土 6. 其他含硅的物质 物质 性质 用途 SiC 俗称金刚砂，具有 结构，硬度很大 砂纸、砂轮的磨料 含 4% 硅的硅钢 很高的导磁性 变压器铁芯 硅橡胶 既耐 ，又耐 ，在－ 60 ℃ ～ 250 ℃ 保持良好的弹性 制火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料 人工制造分子筛 ( 铝硅酸盐 ) 有均匀微孔结构 作吸附剂和催化剂 金刚石 低温 高温 四、硅单质 1 ．种类：单质硅有 和 两类。 2 ．结构：晶体硅的结构与金刚石相似。 3 ．性质 (1) 物理性质： 晶体 无定形 色、态 光泽 熔点 硬度 质地 导电性 灰黑色固体 金属光泽 高 大 脆 半导体 (2) 化学性质：在常温下化学性质不活泼，但能与 、 发生反应。 4 ．用途 (1) 半导体材料，如硅芯片等。 (2) 新型能源，如光电池等。 氢氟酸 强碱 要点一 CO 2 和 SiO 2 的比较 CO 2 SiO 2 不同点 熔、沸点 低 高 状态 气态 无色晶体 与水反应 CO 2 ＋ H 2 OH 2 CO 3 不反应 与酸反应 不反应 只与氢氟酸反应 SiO 2 ＋ 4HF===SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 O 　虽然 SiO 2 既能与 NaOH 溶液反应，也能与氢氟酸反应，但 SiO 2 却不属于两性氧化物而属于酸性氧化物。 特别提醒 下列关于 SiO 2 和 CO 2 的说法中正确的是 ( 　　 ) A ． CO 2 、 SiO 2 分别是碳酸和硅酸的酸酐 B ． CO 2 和 SiO 2 与水反应分别生成相应的酸 C ． CO 2 是酸性氧化物， SiO 2 是两性氧化物 D ． CO 2 和 SiO 2 都是由相应的分子组成的 例 1 【 解析 】 　虽然 SiO 2 是 H 2 SiO 3 的酸酐，但 CO 2 可溶于水生成 H 2 CO 3 ， SiO 2 却不能溶于水生成 H 2 SiO 3 ， B 错误； SiO 2 与 CO 2 都是酸酐，都是酸性氧化物， A 正确， C 错误； CO 2 是由 CO 2 分子构成的，而 SiO 2 则是由硅原子和氧原子构成的， SiO 2 中不存在分子， D 错误。 【 答案 】 　 A 1 ．下列关于二氧化硅的说法中正确的是 ( 　　 ) A ．二氧化硅分子由一个硅原子和两个氧原子构成 B ．在二氧化硅晶体中，每个硅原子周围结合 4 个氧原子 C ．二氧化硅可用来制作干燥剂 D ．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸 变式训练 解析 ： 选 B 。 SiO 2 晶体中不存在单个分子，其结构中每个硅原子周围结合 4 个氧原子，每个氧原子周围结合 2 个硅原子，所以硅原子与氧原子的个数比为 1∶2 ，化学式写作 SiO 2 ，故 A 错误， B 正确；硅酸在一定条件下制得硅胶，硅胶可用作干燥剂， C 错误。 SiO 2 是酸性氧化物，但常温下可与氢氟酸反应， D 错误。 1 ．硅酸 二氧化硅对应的水化物是硅酸。 (1) 性质 ①硅酸为白色固体，难溶于水。 ②酸性极弱，比碳酸还弱，不能使指示剂发生变色，只能与强碱反应，例如： H 2 SiO 3 ＋ 2NaOH===Na 2 SiO 3 ＋ 2H 2 O ③ 硅酸不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为： 要点二 硅酸与碳酸的对比 (2) 制备 由于二氧化硅不能与水化合，所以制备硅酸时只能使用间接的方法，如向 Na 2 SiO 3 溶液中滴加盐酸或通入 CO 2 气体等，利用的原理都是：强酸＋弱酸盐 ―→ 弱酸＋强酸盐。如： CO 2 ＋ Na 2 SiO 3 ＋ H 2 O===H 2 SiO 3 ↓ ＋ Na 2 CO 3 2 ．碳酸 二氧化碳对应的水化物是碳酸 (H 2 CO 3 ) ，碳酸的酸性很弱 ( 但比 H 2 SiO 3 强 ) ，且很不稳定。 H 2 CO 3 ===H 2 O ＋ CO 2 ↑ 因此，有关碳酸的化学反应通常用二氧化碳和水来代替。 为确认 HCl 、 H 2 CO 3 、 H 2 SiO 3 的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的 ( 不必选其他酸性物质 ) 。请据此回答： 例 2 (1) 锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为 ________ 。 (2) 装置 B 所盛的试剂是 _______________ ________________________________________________________ ， 其作用是 ___________________________ ______________________________________ 。 (3) 装置 C 所盛试剂是 __________________ ______________________________________ ， C 中反应的离子方程式是 ______________ ______________________________________ 。 (4) 由此得到的结论是：酸性： ____ ＞ ____ ＞ ____ 。 【 思路点拨 】 　解答本题要注意以下两点： (1) 酸性强弱关系比较可利用 “ 强酸＋弱酸盐 ―→ 弱酸＋强酸盐 ” 。 (2) 可先制备 CO 2 ，再制备 H 2 SiO 3 ，由此选择合适的药品。 【 解析 】 　根据强酸＋弱酸盐 ―→ 弱酸＋强酸盐分析可知，分液漏斗中盛装盐酸， A 中盛放 Na 2 CO 3 ，根据 Na 2 CO 3 ＋ 2HCl===2NaCl ＋ H 2 O ＋ CO 2 ↑ 可以知道酸性 HCl 强于 H 2 CO 3 ，然后将生成的 CO 2 通入 Na 2 SiO 3 溶液中，反应为 Na 2 SiO 3 ＋ CO 2 ＋ H 2 O===H 2 SiO 3 ↓ ＋ Na 2 CO 3 ，由此判断酸性 H 2 CO 3 ＞ H 2 SiO 3 ，但需注意的是 A 中反应会有 HCl 气体逸出，故通入 Na 2 SiO 3 溶液前需将 HCl 吸收，但不能吸收 CO 2 ，故可选用饱和 NaHCO 3 溶液。 【 答案 】 　 (1) 盐酸　 (2) 饱和 NaHCO 3 溶液　吸收 HCl 气体　 (3)Na 2 SiO 3 溶液　 SiO 3 2 － ＋ CO 2 ＋ H 2 O===H 2 SiO 3 ↓ ＋ CO 3 2 － 　 (4)HCl 　 H 2 CO 3 　 H 2 SiO 3 2 ．下列离子方程式书写不正确的是 ( 　　 ) A ．往 NaOH 溶液中通入少量 CO 2 ： CO 2 ＋ OH － ===HCO 3 － B ． H 2 SiO 3 与 NaOH 溶液混合： 2OH － ＋ H 2 SiO 3 ===2H 2 O ＋ SiO 3 2 － C ．石英砂与烧碱反应制水玻璃： SiO 2 ＋ 2OH － ===SiO 3 2 － ＋ H 2 O D ．往水玻璃中通入二氧化碳： Na 2 SiO 3 ＋ H 2 O ＋ CO 2 ===H 2 SiO 3 ↓ ＋ 2Na ＋ ＋ CO 3 2 － 变式训练 解析 ： 选 AD 。 A 项中通入少量 CO 2 ，应生成 Na 2 CO 3 ，而不是 NaHCO 3 ，故错误。 B 项中 H 2 SiO 3 是难溶性酸，在离子方程式中应写化学式，正确。 C 、 D 中 Na 2 SiO 3 为钠盐，溶于水，写离子形式，所以 C 项正确， D 项错误。 1 ．硅的化学性质 常温下，硅的化学性质不活泼。加热时可与一些非金属及其他物质反应。 (1) 常温下，除能与氟气、氢氟酸和强碱反应外，硅不与氧气、氯气、硫酸、硝酸、盐酸等其他物质发生反应。 ①与氟气反应： Si ＋ 2F 2 ===SiF 4 ； ②与氢氟酸反应： Si ＋ 4HF===SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 ↑ ； ③与 NaOH 溶液反应： Si ＋ 2NaOH ＋ H 2 O===Na 2 SiO 3 ＋ 2H 2 ↑ 。 要点三 单质硅的化学性质及制备 (2) 加热时，硅能与氧气、氯气等反应，也能与碳反应。 2 ．硅的制备 硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个阶段： 1 ． Si 是能与 NaOH 溶液反应放出 H 2 的非金属单质， Al 是能与 NaOH 溶液反应放出 H 2 的金属单质，推断题中常以此点作为突破口。 特别提醒 (2008 年高考广东卷改编题 ) 硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题： (1) 制备硅半导体材料必须先得到高纯硅，三氯甲硅烷 (SiHCl 3 ) 还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下： 例 3 ① 写出由纯 SiHCl 3 制备高纯硅的化学反应方程式 __________________________________ _______________________________________________________________________________ 。 ②整个制备过程必须严格控制无水无氧。 SiHCl 3 遇水剧烈反应生成 H 2 SiO 3 、 HCl 和另一种物质，写出配平的化学反应方程式 ________ ____________________ ； H 2 还原 SiHCl 3 过程中若混入 O 2 ，可能引起的后果是 ______________ __________________________________________________________ 。 (2) 下列有关硅材料的说法正确的是 ________( 填字母 ) 。 A ．碳化硅化学性质稳定，可用于生产砂纸、砂轮等 B ．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承 C ．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料 —— 光导纤维 D ．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高 E ．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅 【 思路点拨 】 　解答本题要注意以下三点： (1) 注意化学反应发生的条件。 (2) 分析题目所给信息：无水无氧。 (3) 根据性质分析用途。 ②SiHCl 3 与 H 2 O 反应生成 H 2 SiO 3 、 HCl 和 H 2 ；用 H 2 还原 SiHCl 3 过程中若混入 O 2 ，则高温下 H 2 与 O 2 反应发生爆炸。 (2)A 项，碳化硅硬度很大，可用于生产砂纸、砂轮等， B 项，氮化硅熔点高，硬度大，可用于制作高温陶瓷或轴承。 ②SiHCl 3 ＋ 3H 2 O===H 2 SiO 3 ↓ ＋ 3HCl ＋ H 2 ↑ 高温下 H 2 与 O 2 混合发生爆炸　 (2)ABC 3 ．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 ．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，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 变式训练 解析 ： 选 C 。 常温下，硅可与氟气、氢氟酸、强碱溶液等反应；加热和高温条件下，硅能与氧气、氢气起反应。 硅酸盐由于组成比较复杂，通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为： 1 ．氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物 → 较活泼金属氧化物 → 二氧化硅 → 水。 2 ．氧化物之间以 “ ·” 隔开。 3 ．氧化物前的化学计量数配置原则：各元素原子总个数比符合原来的组成。 要点四 硅酸盐的氧化物形式的改写 4 ．化学计量数配置出现分数时应化为整数。 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，采用了氧化物法，实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而是以种种结构复杂的盐的形式存在的。　 特别提醒 用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是 ( 　　 ) A ．钙沸石 [Ca(Al 2 Si 3 O 10 )·3H 2 O] ，表示为 Al 2 O 3 ·CaO·3SiO 2 ·3H 2 O 例 4 C ．钾云母 (K 2 Al 6 Si 6 H 4 O 24 ) ，表示为 K 2 O·2H 2 O·3Al 2 O 3 ·6SiO 2 D ．石棉 [CaMg 3 Si 4 O 12 ] ，表示为 CaO·3MgO·4SiO 2 【 答案 】 　 D 4 ．钾长石 (KAlSi 3 O 8 ) 风化生成高岭土 [Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ] 时反应的离子方程式为： 2KAlSi 3 O 8 ＋ 2H 2 CO 3 ＋ 5H 2 O===2K ＋ ＋ 2HCO 3 － ＋ 4H 2 SiO 3 ＋ Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (1) 将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式： ① KAlSi 3 O 8 _______________________ ； ② Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ______________________ 。 (2) 上述反应能够发生的原因是 __________ ________________________________________ 。 变式训练 解析 ： (1) 将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物时，只需将除 O 以外所有的元素写成其常见氧化物，并用 “ ·” 将它们合起来，但需注意各种原子个数比符合原来的组成，并在某种 ( 或几种 ) 氧化物前加合适系数。 ① KAlSi 3 O 8 ： K 2 O·Al 2 O 3 ·6SiO 2 ②Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ： Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O (2) 分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的复分解反应，由于 H 2 CO 3 酸性强于 H 2 SiO 3 ，发生了较强的酸制较弱的酸的反应。 答案 ： (1)①K 2 O·Al 2 O 3 ·6SiO 2 ②Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O (2)H 2 CO 3 的酸性比 H 2 SiO 3 的酸性强