第三单元　含硅矿物与信息材料教学实录与评析

安宜高级中学高一化学导学案

主备：詹澜

试做人

审核：吴学群

含硅物质与信息材料

考纲要求

1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。3.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。

考点一

碳、硅单质及氧化物

1．C、Si单质的存在形态、物理性质及用途

(1)自然界中的碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有化合态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。

(2)单质的结构、物理性质与用途比较

结构

物理

性质

用途

碳

金刚石：

结构；

石墨：层状结构

金刚石熔点高、硬度大

石墨熔点高、质软，有滑腻感

金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯

硅

晶体硅：与金刚石类似的

结构

晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高

晶体硅用作

材料、硅芯片和硅太阳能电池

2.碳、硅单质的化学性质——还原性

碳、硅的最外层都是4个电子，位于元素周期表的第ⅣA族，不容易失也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应，一般表现为还原性(如图)。

(1)碳的还原性

碳有重要的用途，除了在氧气中燃烧利用其热能外，还能用于金属冶炼(如铜)、制取粗硅、生产水煤气等，完成上图转化关系中①～④的化学方程式（写在图旁边）。

碳的还原性还表现为可将强氧化性的浓硫酸、浓硝酸还原。

化学方程式：

(2)硅的化学性质不活泼，在常温下只能与氟气(F2)、氢氟酸(HF)、强碱反应，不能与氢气、氧气、氯气、硫酸、硝酸反应，加热时能与氧气、氯气反应。

完成上图转化关系中⑥～⑧的化学方程式。

3．二氧化硅和二氧化碳的比较

物质

结构

主要物理性质

化

学

性

与水反应

与酸反应

二氧化硅

立体网状结构，不存在单个分子

硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水

不反应

只与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋二氧化碳

存在单个CO2分子

熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水

CO2＋H2O===H2CO3

不反应

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试做人

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质

与碱(NaOH) 反应

2H2O SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞) CO2少量：

；

CO2过量：

如与Na2SiO3反应：Na2SiO3＋H2O＋CO2(不足)===H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(足量)===H2SiO3↓＋2NaHCO3

如与Na2O反应：Na2O＋CO2===Na2CO3

制饮料、制碳酸盐

化

学

性

质

与盐反应

如与Na2CO3反应：

如与CaO反应：

与碱性氧

化物反应

用途

光导纤维、光学仪器、电子部件

深度思考

1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”

(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在( ) (2)晶体硅熔点高硬度大，故可用于制作半导体材料( ) (3)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4( ) (4)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸( ) 2．写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法：

(1)CO(CO2)：______________。(2)CO2(CO)：______________。(3)CO2(HCl)：_______________。

3．写出除去下列固体粉末中混有杂质(括号内为杂质)可采取的方法，写出有关反应的方程式。

(1)CaCO3(SiO2)__________________________________________________。

(2)SiO2(CaCO3)__________________________________________________。

(3)SiO2(NH4Cl)__________________________________________________。

题组一

碳及氧化物的性质及应用

1．近年来科学家制造出大量的新物质，对下列三种物质的相关说法错误的是(

)

石墨烯：从石墨中分离出来，是最薄、最坚硬的纳米材料

纳米碳管：具有优良的场发射石墨炔：平面网状结构的全碳性能，制作阴极显像管、储氢分子，具有优良的化学稳定性

材料

A.石墨烯具有良好的导电性

B．上述三种物质与金刚石互为同素异形体

C．石墨炔孔径略大于H2分子的直径，可作H2的提纯薄膜

D．上述三种物质与浓硫酸都能发生反应，但反应产物不同

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2．(2017·宿迁质检)下列关于碳和碳的化合物的说法不正确的是(

) A．过多CO2排放会导致“温室效应”，应提倡“低碳生活”

B．一氧化碳易与血液中的血红蛋白结合

C．金刚石和石墨都是碳单质，但原子排列方式不同，物理性质差别很大

D．石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应

3．(2016·镇江模拟)硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是(

) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料

B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应

C．反应Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂

D．硅能与氢氟酸反应但不与盐酸反应

4．(2016·徐州一模)由下列实验事实得出的结论正确的是(

) A．由SiO2不能与水反应生成H2SiO3，可知SiO2不是H2SiO3的酸酐

高温B．由SiO2＋2C=====Si＋2CO↑，可知碳的非金属性大于硅

C．CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀，可知酸性H2CO3＞H2SiO3

D．SiO2可与NaOH溶液反应，也可与氢氟酸反应，可知SiO2为两性氧化物

5．二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断，其中正确的是(

) 高温①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O ②SiO2＋2C=====Si＋2CO↑

高温③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O ④Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑

高温⑤SiO2＋3C=====SiC＋2CO↑

a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃

b．反应②中SiO2表现出氧化性

c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性

d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理

e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应

A．ace B．bde C．cde D．ab

熟记硅及其化合物的特殊性质

(1)硅单质的特殊性

高温①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑；

②非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；

③非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。

(2)含硅化合物的特殊性

①SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3；

②酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能跟HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；

③无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水；

④因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应：Na2SiO3高温＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑也能发生。

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6．从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：

高温△①SiO2＋2C=====Si(粗)＋2CO↑ ②Si(粗)＋2Cl2=====SiCl4

高温③SiCl4＋2H2=====Si(纯)＋4HCl 关于上述反应的叙述不正确的是(

) A．①③是置换反应，②是化合反应 B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅

C．任一反应中，每消耗或生成28 g硅，均转移4 mol电子

D．高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅

7．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(SiHCl3)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：

焦炭HCl石英砂――→粗硅――→SiHCl3粗高温573 K以上粗馏――→SiHCl3纯H2――→高纯硅

1 357 K①写出由纯SiHCl3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。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式：______________________________________________；

H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是__________________________________。

(2)化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料查阅到下列信息：

Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；

Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；

Ⅲ.SiH4在空气中自燃。

他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第①步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。

①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是________________________________________。

②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是

______________________________________________________________________。

在设计制备纯硅的实验题中，常遇到的知识点有：

高温(1)高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅：SiO2＋2C=====Si(粗)＋2CO↑

300 ℃(2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCl=====SiHCl3＋H2

高温(3)粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4：Si(粗)＋2Cl2=====SiCl4

高温(4)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiHCl3＋H2=====Si(纯)＋3HCl 高温(5)SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiCl4＋2H2=====Si(纯)＋4HCl 高温(6)SiO2＋2Mg=====2MgO＋Si (7)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应：

SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑

SiCl4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HCl (8)SiH4在空气中易自燃： SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O