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文檔簡介

學(xué)必求其心得,業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得,業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得,業(yè)必貴于專精第2課時新型無機(jī)非金屬材料課前自主預(yù)習(xí)一、硅1.物理性質(zhì)晶體硅是有金屬光澤的灰黑色固體,熔點高、硬度大、有脆性。晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間,是良好的半導(dǎo)體材料。2.化學(xué)性質(zhì)(1)穩(wěn)定性:常溫下硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑,只能與氟氣(F2)、氫氟酸(HF)和強(qiáng)堿溶液反應(yīng)。化學(xué)方程式分別為:Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4↑+2H2↑,Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。(2)還原性:在加熱條件下,硅能與一些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng):Si+2Cl2eq\o(=,\s\up17(高溫))SiCl4,Si+O2eq\o(=,\s\up17(△))SiO2,Si+Ceq\o(=,\s\up17(高溫))SiC。3.工業(yè)制法(1)制粗硅:SiO2+2Ceq\o(=,\s\up17(高溫))Si(粗)+2CO↑;(2)粗硅提純:Si+3HCleq\o(=,\s\up17(300℃))SiHCl3+H2,SiHCl3+H2eq\o(=,\s\up17(1100℃))Si+3HCl。4.用途(1)用做半導(dǎo)體材料,制造集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件。(2)制合金,如含硅4%的鋼可制成變壓器的鐵芯,含硅15%的鋼可制造耐酸設(shè)備等.(3)制造光電池,將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。二、二氧化硅1.硅元素的存在(1)存在在地殼中硅的含量為26。3%,僅次于氧;主要以氧化物及硅酸鹽的形式存在,因為硅是一種親氧元素。(2)原子結(jié)構(gòu)硅原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖最外層有4個電子,反應(yīng)中既不易失去電子也不易得到電子,能形成+4價的化合物.2.二氧化硅(1)存在SiO2的存在形態(tài)有結(jié)晶形和無定形兩大類,水晶、瑪瑙的主要成分是結(jié)晶的二氧化硅.(2)結(jié)構(gòu)SiO2晶體是由Si和O按原子數(shù)之比為12的比例組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。每個硅原子周圍結(jié)合4個O原子,每個O周圍結(jié)合2個Si原子。(3)物理性質(zhì)熔點高;硬度大;溶解性:不溶于水.(4)化學(xué)性質(zhì)(5)用途①沙子是基本的建筑材料。②純凈的SiO2是現(xiàn)代光學(xué)及光纖制品的基本原料,可以制作光導(dǎo)纖維。③石英和瑪瑙制作飾物和工藝品。④實驗室中使用石英坩堝。三、新型陶瓷和碳納米材料1.新型陶瓷(1)新型陶瓷在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面具有很多新的特性和功能.(2)碳化硅(如SiC)俗稱金剛砂,其中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接具有類似金剛石的結(jié)構(gòu),硬度很大,可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能,可作耐高溫結(jié)構(gòu)材料,耐高溫半導(dǎo)體材料等。2.碳納米材料(1)碳納米材料主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等,在能源信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.(2)富勒烯是由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱,其中的C60是富勒烯的代表物.3.碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大,有相當(dāng)高的強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能,可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器.4.石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨,其獨特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低,熱導(dǎo)率高。石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復(fù)合材料等方面的應(yīng)用研究正在不斷深入.課堂互動探究硅的制備方法1.工業(yè)制備純硅的基本流程及方程式:(1)SiO2+2Ceq\o(=,\s\up17(高溫))Si(粗)+2CO↑(2)Si(粗)+2Cl2eq\o(=,\s\up17(△))SiCl4,Si(粗)+3HCleq\o(=,\s\up17(△))SiHCl3+H2(3)SiCl4+2H2eq\o(=,\s\up17(高溫))Si(純)+4HCl,SiHCl3+H2eq\o(=,\s\up17(高溫))Si(純)+3HCl.2.實驗室制硅:(1)將細(xì)砂(SiO2)和鎂粉混合加熱,制得粗硅:SiO2+2Mgeq\o(=,\s\up17(高溫))2MgO+Si(粗);(2)制得的粗硅中往往含有鎂、氧化鎂,可以用鹽酸除去:Mg+2HCl=MgCl2+H2↑,MgO+2HCl=MgCl2+H2O;(3)過濾,濾渣即為純硅.二氧化硅與二氧化碳的比較硅及其化合物的特殊性質(zhì)典例題組訓(xùn)練題組一粗硅的制備和提純1.硅單質(zhì)及其化合物應(yīng)用范圍廣。請回答下列問題:(1)制備硅半導(dǎo)體材料必須先得到高純度硅。三氯硅烷(SiHCl3,可燃)還原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法,生產(chǎn)過程如圖所示:①由純SiHCl3制備高純硅的化學(xué)方程式為SiHCl3+H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si(純)+3HCl.②整個制備過程中必須嚴(yán)格控制無水無氧。SiHCl3遇H2O劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì),寫出發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式SiHCl3+3H2O=H2SiO3(膠體)+3HCl↑+H2↑.H2還原SiHCl3過程中若混入O2,可能造成的后果是O2與SiHCl3、H2混合引起爆炸。(2)光伏產(chǎn)業(yè)需二氧化硅作為原料生成晶體硅,下列說法正確的是C(填字母)。A.利用二氧化硅可開發(fā)導(dǎo)電材料B.芯片的主要成分是二氧化硅C.二氧化硅與氧化鈣的反應(yīng)產(chǎn)物為玻璃的主要成分之一D.二氧化硅能與水反應(yīng)生成硅酸解析:(1)①反應(yīng)物為SiHCl3、H2,生成物為Si(純)、HCl:SiHCl3+H2eq\o(=,\s\up17(1357K))Si(純)+3HCl。②SiHCl3和H2O發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成H2:SiHCl3+3H2O=H2SiO3(膠體)+3HCl↑+H2↑.因SiHCl3、H2在O2中都能燃燒,所以混有O2時可能引起爆炸。(2)SiO2不導(dǎo)電,不可能利用SiO2開發(fā)導(dǎo)電材料;芯片的主要成分是晶體硅;SiO2與CaO在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成CaSiO3,CaSiO3為玻璃的主要成分之一;SiO2不溶于水,也不與H2O反應(yīng)。題組二硅、二氧化硅2.(雙選)下列關(guān)于硅的說法錯誤的是(CD)A.硅是非金屬,但它的單質(zhì)是灰黑色且有金屬光澤的固體B.硅的導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間,是良好的半導(dǎo)體材料C.硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑,常溫下不與任何物質(zhì)起反應(yīng)D.當(dāng)加熱到一定溫度時,硅能與氧氣、氯氣、稀H2SO4等反應(yīng)解析:硅是一種具有金屬光澤的灰黑色固體,A項正確;硅是良好的半導(dǎo)體材料,B項正確;硅在常溫下可與氟氣、強(qiáng)堿溶液反應(yīng),C項錯誤;在加熱時,硅與氧氣、氯氣等反應(yīng),但不能與稀硫酸反應(yīng),D項錯誤。3.下列說法正確的是(D)A.硅的氧化物及硅酸鹽是構(gòu)成地殼的主要物質(zhì),硅是地殼中含量最多的非金屬元素B.硅和碳都是不活潑非金屬,在自然界中大多以游離態(tài)的形式存在C.碳和硅為同主族元素,所以它們的單質(zhì)、氧化物均有相似的組成和結(jié)構(gòu)D.硅是構(gòu)成巖石及礦物的基本元素解析:地殼中含量最多的非金屬元素是氧元素,A項錯誤;自然界中不存在游離態(tài)的硅,B項錯誤;CO2與SiO2的組成結(jié)構(gòu)不同,C項錯誤。4.(雙選)下列關(guān)于二氧化硅的敘述不正確的是(CD)A.導(dǎo)電性很差B.能與強(qiáng)堿反應(yīng),但不能與水反應(yīng)C.SiO2的物理性質(zhì)與CO2的類似D.既不是酸性氧化物,也不是堿性氧化物解析:SiO2與CO2的物理性質(zhì)差異很大;雖然SiO2不能與水反應(yīng)生成酸,但它仍然是酸性氧化物,是H2SiO3的酸酐。5.下列說法不正確的是(C)A.SiO2不溶于水,也不能跟水反應(yīng)生成硅酸B.將CO2通入Na2SiO3溶液中可制得硅酸C.SiO2是酸性氧化物,它不溶于任何酸D.SiO2晶體中不存在單個的SiO2分子解析:SiO2不溶于水,也不能與水反應(yīng)生成H2SiO3,H2SiO3是利用可溶性硅酸鹽與其他酸反應(yīng)制得的;SiO2雖然是酸性氧化物,但它可以與氫氟酸發(fā)生反應(yīng):SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O,氫氟酸用于刻蝕玻璃就是利用了SiO2的這一性質(zhì);SiO2晶體是一種空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體,不存在單個的SiO2分子。6.硅是無機(jī)非金屬材料的主角,硅的氧化物和硅酸鹽約占地殼質(zhì)量的90%以上.請回答下列問題:(1)下列物質(zhì)不屬于硅酸鹽的是D(填標(biāo)號).A.陶瓷 B.玻璃C.水泥 D.生石灰(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,工藝師常用氫氟酸(填物質(zhì)名稱)來雕刻玻璃.(3)用Na2SiO3溶液浸泡過的棉花不易燃燒,說明Na2SiO3可用作阻燃劑,Na2SiO3可通過SiO2與純堿混合高溫熔融反應(yīng)制得,高溫熔融純堿時下列坩堝可選用的是D(填標(biāo)號).A.普通玻璃坩堝 B.石英玻璃坩堝C.氧化鋁坩堝 D.鐵坩堝(4)工業(yè)上常用2C+SiO2eq\o(=,\s\up17(高溫))Si+2CO↑制備硅單質(zhì),該反應(yīng)中有元素化合價升高的物質(zhì)是C(填化學(xué)式,下同),氧化劑是SiO2.解析:(1)陶瓷、玻璃、水泥都屬于硅酸鹽,生石灰是氧化鈣,不屬于硅酸鹽。(2)二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)生成硅酸鈉和水,化學(xué)方程式為SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O;氫氟酸能夠與二氧化硅反應(yīng)生成四氟化硅和水,可用來雕刻玻璃。(3)硅酸鈉不能燃燒,可以用作阻燃劑;普通玻璃坩堝、石英坩堝都含有二氧化硅,能夠與純堿發(fā)生反應(yīng),氧化鋁與純堿也能夠發(fā)生反應(yīng),所以高溫熔融純堿時應(yīng)選用鐵坩堝。(4)該反應(yīng)中SiO2作氧化劑,C作還原劑.(1)要清楚含硅材料的成分是硅單質(zhì)、二氧化硅還是硅酸鹽。如:硅計算機(jī)芯片、太陽能電池(光電池)等二氧化硅水晶鏡片、瑪瑙飾物、光導(dǎo)纖維等硅酸鹽陶瓷、水泥、玻璃等(2)熔融燒堿、純堿等固體時,不能選用瓷坩堝,因為陶瓷中含SiO2,會與NaOH、Na2CO3發(fā)生反應(yīng)。同理,也不能用玻璃坩堝、石英坩堝等,但可以使用鐵坩堝。題組三新型無機(jī)非金屬材料7.(雙選)碳及其化合物與科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境密切相關(guān).下列有關(guān)說法中正確的是(BC)A.12C、13C、14CB.用二氧化碳合成可降解的聚碳酸酯塑料,可以實現(xiàn)“碳”的循環(huán)利用C.石墨烯和碳纖維都是新型無機(jī)非金屬材料D.碳納米管是一種有機(jī)合成纖維,其比表面積大,可用作新型儲氫材料解析:A項,12C、13C、14C8.平昌冬奧會“北京8分鐘”主創(chuàng)團(tuán)隊用石墨烯制作了-20℃時能發(fā)熱4h的智能服飾;用鋁合金管材和碳纖維制作了高2。35m、重量僅為10kg的熊貓木偶,向世界展現(xiàn)了新時代的中國形象.下列說法不正確的是(A)A.石墨烯是能導(dǎo)熱的金屬材料B.鋁合金是密度較低的金屬材料C.碳纖維是耐低溫的無機(jī)非金屬材料D.新型材料種類多、用途廣解析:A項,石墨烯是碳的一種單質(zhì),屬于無機(jī)非金屬材料,故A錯誤;B項,鋁合金的密度小,硬度大,屬于金屬材料,故B正確;C項,碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料,屬于無機(jī)非金屬材料,故C正確。D項,人們依據(jù)生產(chǎn)生活的需要研制出很多種用途不同的新型材料,如功能新型材料,新的合金材料等,故D正確,故選A。核心素養(yǎng)新型無機(jī)非金屬材料材料類別主要特性示例用途高溫結(jié)構(gòu)陶瓷能承受高溫,強(qiáng)度高氮化硅陶瓷汽輪機(jī)葉片、軸承、永久性模具等半導(dǎo)體陶瓷具有電學(xué)特性二氧化錫陶瓷集成電路中的半導(dǎo)體光學(xué)材料具有光學(xué)特性光導(dǎo)纖維光纜通訊、醫(yī)療、照明等生物陶瓷具有生物功能氧化鋁陶瓷人造骨骼、人造關(guān)節(jié)、接骨螺釘【例1】(雙選)硅及其化合物的應(yīng)用范圍很廣。下列說法錯誤的是()A.二氧化硅是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的常用材料B.氮化硅陶瓷能承受高溫、高壓,所以用于制造汽輪機(jī)葉片、軸承等C.碳化硅硬度大、又稱“金剛砂”用于制作砂紙、砂輪D.二氧化硅為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)其中硅原子與硅氧鍵數(shù)目比為12【解析】硅單質(zhì)是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的常用材料,A錯誤;二氧化硅是由硅氧原子通過共價鍵形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),每個硅原子連結(jié)四個

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