第二单元 功能各异的无机非金属材料ppt专用说课稿内容

硅及无机非金属材料

1．了解硅元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。

2．了解硅元素单质及其重要化合物对环境的影响。

3．以上各部分知识的综合应用。

碳、硅单质及其重要化合物的性质

[知识梳理] 一、碳、硅的单质

1．存在：自然界中碳元素既有游离态，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．结构、物理性质与用途的比较

结构

碳

金刚石：空间网状结构；

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：与金刚石类似的空间网状结构

晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高

晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池

物理性质

用途

3.化学性质

碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。

CuO：2CuO＋C=====2Cu＋CO↑(冶炼金属)与氧化物反应SiO：SiO＋2C=====Si＋2CO↑(制取粗硅)碳

HO：C＋HO(g)=====CO＋H(制取水煤气)浓HSO：C＋2HSO(浓)=====CO↑＋与强氧化性酸反应

2SO↑＋2HO浓HNO：C＋4HNO(浓)=====CO↑＋

4NO↑＋2HO△2点燃O(足量)：C＋O=====CO222

与O2反应点燃O(不足)：2C＋O=====2CO22

高温22高温

222△2424222△33222

F：Si＋2F===SiF与非金属单质反应Cl：Si＋2Cl=====SiCl

硅与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF↑＋2H↑与氢氧化钠溶液反应：Si＋2NaOH＋HO===

NaSiO＋2H↑O2：Si＋O2=====SiO2

224△△

224422232二、碳、硅的氧化物

1．一氧化碳

(1)物理性质：无色无味的气体，难溶于水。能使人中毒的原因是其与人体中血红蛋白相结合，因缺氧而中毒。

(2)化学性质

①可燃性：2CO＋O2=====2CO2。

②还原性：CO还原Fe2O3的反应为Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2。

2．二氧化碳与二氧化硅

(1)物理性质

①熔、沸点：CO2的熔、沸点比SiO2的熔、沸点低。

②溶解性：CO2可溶于水，SiO2不溶于水。

(2)化学性质

物质

与水反应

与酸反应

二氧化碳

CO2＋H2O不反应

H2CO3

二氧化硅

不反应

氢氟酸用于刻蚀玻璃：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞)

高温点燃与碱反应

(如NaOH) 续

表

物质

与盐反应

(如Na2CO3) 与碱性氧

化物反应

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O或CO2＋NaOH===NaHCO3

二氧化碳

CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3

二氧化硅

SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑

与CaO反应：SiO2＋CaO=====CaSiO3

高温高温与Na2O反应：CO2＋Na2O===Na2CO3

与碳反应

(3)主要用途

C＋CO2=====2CO 高温2C＋SiO2=====Si＋2CO↑

高温CO2：化工原料、灭火剂。干冰用作制冷剂，人工降雨。

SiO2：制光学仪器、石英玻璃。水晶可制作饰品，常用来制造通讯材料光导纤维。

[自我检测] 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体。(

) (2)硅在自然界中只以化合态的形式存在。(

) (3)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。(

) (4)Si和SiO2都可用于制造光导纤维。(

) (5)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4。(

) (6)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸。(

) 答案：(1)×

(2)√

(3)×

(4)×

(5)√

(6)×

2．将碳、硅的单质和其物理性质或用途用短线连接起来。

答案：(1)—③

(2)—①

(3)—⑤

(4)—②

(5)—④

(1)硅单质的特殊性

①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si，且氧化产物为CO：2C＋SiO2=====Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，离开反应体系，促使反应向正反应方向进行；

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非金属单质跟碱溶液作用一般无H2产生，但Si能跟碱液作用放出H2，如Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

(2)含硅化合物的特殊性

①酸性氧化物一般和水反应生成相应的酸，SiO2虽然是H2SiO3的酸酐，但它不与水反应，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；

高温

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＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑也能发生。

(2018·湖北重点中学联考)往含有0.2 mol NaOH和0.1 mol Ba(OH)2的混合溶液中持续稳定地通入CO2气体，当通入气体为8.96 L(标准状况)时立即停止。则这一过程中，溶液中离子的物质的量与通入CO2气体的体积关系图像正确的是(气体的溶解和离子的水解忽略不计)(

) 高温

[解析]

本题涉及的化学反应有①Ba(OH)2＋CO2===BaCO3↓＋H2O、②2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O、③BaCO3＋CO2＋H2O===Ba(HCO3)2、④Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3。当未通入CO2气体时，溶液中的离子为0.2 mol Na、0.1 mol Ba2、0.4 ＋＋mol OH，共0.7 mol；当通入2.24 L CO2气体时，发生反应①，此时溶液中离子为0.2 mol Na、0.2 mol OH，共0.4 mol；当通入4.48 L CO2时，发生反应②，此时溶液中离子为0.2 mol Na、0.1 mol CO23，共0.3 mol；当通入6.72 L CO2时，发生反应④，此时溶液中离子＋－＋－－为0.2 mol Na、0.2 mol HCO3，共0.4 mol；当通入8.96 L CO2时，发生反应③，此时溶液中离子为0.2 mol Na、0.1 mol Ba2、0.4 mol HCO3，共0.7 mol，故C正确。

＋＋－＋－[答案]

C

标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L1 NaOH溶液中，充分反应后－2溶液中c(CO23)与c(HCO3) 的比值为(不考虑CO3、HCO3的水解)(

) －－－－A．1∶1

C．2∶1

B．1∶2 D．1∶3 3.36 L解析：选B。n(CO2)＝－＝0.15 mol，

22.4 L·mol1n(NaOH)＝0.2 L×1.00 mol·L1＝0.20 mol，

－n(NaOH)由于1<<2，故二者完全反应生成含Na2CO3和NaHCO3的混合溶液。

n(CO2)

设n(Na2CO3)＝x，n(NaHCO3)＝y

x＋y＝0.15 mol(根据碳元素守恒)则有

2x＋y＝0.20 mol(根据钠元素守恒)解得x＝0.05 mol，y＝0.10 mol。

根据同一溶液中浓度之比等于物质的量之比，知c(CO23)∶c(HCO3)＝0.05∶0.10＝－－1∶2。

CO2与碱反应产物的定量判断

CO2通入NaOH、Ca(OH)2等强碱溶液的反应产物与CO2气体的通入量有关，当通入少量CO2时生成碳酸盐，当通入过量CO2时生成碳酸氢盐；当CO2的通入量介于两者之间时，既有正盐又有酸式盐生成，因此推断时一定要注意CO2与碱之间量的关系。以CO2与NaOH溶液反应为例，将CO2通入NaOH溶液中，可能发生的反应为

①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O；

②CO2＋NaOH===NaHCO3。

当n(OH)∶n(CO2)的值不同时产物如下：

－

硅酸盐及无机非金属材料

[知识梳理] 一、硅酸和硅酸钠

1．硅酸(H2SiO3)

硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊试液变红色。

(1)硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3=====SiO2＋H2O。

(2)硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。

(3)硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。

2．硅酸钠(Na2SiO3) (1)白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃(或泡花碱)，有黏性，水溶液显碱性。

(2)它能与酸性较硅酸强的酸反应，Na2SiO3溶液与下列两种物质反应的化学方程式分别为

与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。

与CO2(少量)反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

△

(3)用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。

二、硅酸盐和无机非金属材料

1．硅酸盐

(1)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)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硅酸盐的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，钾长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

2．无机非金属材料

(1)传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。

①常见硅酸盐材料比较

生产原料

主要设备

水泥

石灰石、黏土

水泥回转窑

玻璃

纯碱、石灰石、石英砂

玻璃窑

高温陶瓷

黏土

陶瓷窑

②玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑。

(2)新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。

[自我检测] 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)(2016·高考海南卷)石英砂可用于生产单晶硅。(

) (2)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱。(

) (3)玻璃是一种晶体，有较高的熔点。(

) (4)传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料。(

) (5)新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点。(

) (6)高温结构陶瓷材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点。(

) (7)光导纤维、碳纳米管、氮化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料。(

) 答案：(1)√

(2)×

(3)×

(4)√

(5)√

(6)√

(7)√

2．下列关于材料的叙述中正确的是(

) A．氮化硅陶瓷耐高温，可用来制造汽车发动机

B．钢化玻璃属于新型无机非金属材料

C．水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料都不溶于水，所以所有的硅酸盐都不溶于水

D．新型陶瓷材料种类很多，其中高温结构陶瓷具有耐高温、耐氧化、不耐腐蚀等特点

高温

解析：选A。钢化玻璃是把普通玻璃高温软化，迅速降温获得的机械强度增大的玻璃，成分还是硅酸盐，属于传统无机非金属材料，所以B错误；大多数硅酸盐都难溶于水，但是Na2SiO3是可溶的，所以C错误；高温结构陶瓷具有耐腐蚀的优良特性，所以D错误。

(1)不要混淆硅和二氧化硅的用途：用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2，用于制作光导纤维的是SiO2而不是晶体硅。

(2)不要混淆常见含硅物质的类别

①计算机芯片的成分是晶体硅，而不是SiO2。

②水晶、石英、玛瑙等主要成分是SiO2，而不是硅酸盐。

③光导纤维的主要成分是SiO2，也不属于硅酸盐材料。

④传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃主要成分是硅酸盐。

(3)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。

氮化硅可用作高温陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示：

石英砂――——→粗硅―————―→SiCl4(粗)――→SiCl4(精)――→Si(NH2)4――→①②③④⑤氮化硅

其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。请回答下列问题：

(1)石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH为例，用化学反应方程式表示其原因：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)图示①～⑤的变化中，属于氧化还原反应的是________________________________。

(3)SiCl4在潮湿的空气中剧烈水解，产生白雾，军事工业中用于制造烟雾剂。SiCl4水解的化学反应方程式为___________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(4)在反应⑤中，3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol 氮化硅粉末和8 mol A气体，则氮化硅的化学式为________。

(5)在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式：________________________________________________________________________。

[解析]

(1)石英砂不能与碱性物质共同存放的实质是SiO2与碱性物质可以发生反应。(2)反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应，反应②是硅单质与Cl2反应，也是氧化还原焦炭/高温Cl2/723～773 K精馏NH3高温

反应。(3)SiCl4水解可以看作Si结合四个OH生成H4SiO4，H4SiO4不稳定失水生成H2SiO3，Cl结合H生成HCl。(4)氮化硅的化学式可通过题目信息运用质量守恒求得。(5)结合题给信息，SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。

[答案]

(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (2)①②

(3)SiCl4＋3H2O===4HCl↑＋H2SiO3↓

(4)Si3N4

(5)3SiCl4＋2N2＋6H2=====Si3N4＋12HCl

(1)与SiCl4水解原理类似，试写出PCl5水解反应的化学方程式：_________________。

(2)在反应⑤中，3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol 氮化硅粉末和8 mol A气体，该反应的化学方程式为_________________________________________________________。

答案：(1)PCl5＋4H2O===5HCl＋H3PO4

(2)3Si(NH2)4=====Si3N4＋8NH3↑

1.无机非金属材料分类

高温高温－＋－

2.硅酸盐改写成氧化物形式的方法

(1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。

(2)氧化物前计量数的配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。

11(3)当计量数配置出现分数时应化为整数，如钾长石：,KAlSi3O8不能写成K2O·22Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。