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第4章元素与材料世界
第一节硅无机非金属材料（第一课时）
一、教材分析
（一）知识脉络
本节教材以无机非金属材料和硅单质及其化合物的性质两条线索相互交叉而展开，介绍了硅、二氧化硅的性质，硅单质的制法，硅、二氧化硅在计算机及通信等高技术领域的应用。
（二）内容框架
二、教学目标
1．知识技能目标
掌握硅、二氧化硅的物理化学性质，粗硅的制法。
认识硅、二氧化硅作为无机非金属材料的特性及其用途。
2．方法与过程目标
学习从不同的角度出发对常见材料进行分类的方法，能根据同一类别不同物质的性质归纳出该类物质的通性，并能运用通性简单预测其他物质的性质。
3．情感态度与价值观目标
通过对作为计算机、光通信等高科技关键材料的硅、二氧化硅等无机非金属材料的学习，利用学生对高科技的浓烈兴趣，激发学生对化学的兴趣。
三、重点、难点
硅二氧化硅的主要性质，硅的制法
四、教学过程。
鲁科版高中化学必修第一册《1、硅无机非金属材》优质课公开课课件、教案第4章元素与材料世界第1节硅无机非金属材料一、【教学目标】（一）、知识与技能1、了解硅和二氧化硅在自然界中的物理性质和存在，用途。
2、掌握硅和二氧化硅的化学性质。
（二）、过程与方法1、自主学习，培养学生自学能力。
2、活动探究，通过硅与碳、二氧化硅与二氧化碳的比较，培养学生的归纳能力、比较能力。
（三）、情感、态度与价值观1、培养学生学习元素化合物的正确方法：结构决定性质、性质决定用途。
2、通过对硅及其用途的学习使学生热爱自然、热爱化学。
3、联系生产生活及新科技，学以致用，培养学生对化学学习的兴趣。
二、【教学重点】１、硅和二氧化硅的物理、化学性质２、硅和二氧化硅的特殊性质三、【教学难点】硅和二氧化硅的性质、结构四、【教学准备】1．查阅相关资料，常见半导体材料有哪些？硅有哪些主要用途？2．光导纤维的主要成分是什么？光通信比普通电缆通信有哪些优点？光纤除用于通信外，还可用于哪些领域？3．查阅有关资料，说明消防员穿的棉布衣服为什么比普通棉布衣服不易着火燃烧？五、【学法指导】学习从不同的角度出发对常见材料进行分类的方法，能根据同一类别不同物质的性质归纳出该类物质的通性，并能运用通性简单预测其他物质的性质。
六、【教学过程】第1课时硅和二氧化硅一、半导体材料和单质硅导入新课: 计算机的芯片，传导电话、电视的光缆，化学实验室里的玻璃仪器，你能想像的出它们都是以硅或硅的化合物为材料制成的吗？质疑：除了以硅酸盐为主要成分的传统无机非金属材料外，你还知道其他无机非金属材料吗？自然界中的岩石、沙子、土壤是由什么构成？1. 存在半导体材料硅。
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位于金属和非金属的交界线上。
2、硅的物理性质：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。
晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬而脆，熔点很高，是良好的半导体材料。
高中化学学习材料第1节硅无机非金属材料(1)碳的同素异形体有金刚石、石墨和C60，它们都与O2充分反应生成CO2。
(2)CO2是酸性氧化物，少量或足量CO2分别通入NaOH溶液中反应的离子方程式为：CO2＋2OH－===CO2－3＋H2O、CO2＋OH－===HCO－3。
(3)由反应CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑可知酸性强弱顺序是HCl＞H2CO3。
(4)地壳中含量最多的元素是氧、第二位是硅，硅原子结构示意图是○＋142 8 4 。
一、单质硅与半导体材料1．半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料，最早使用的半导体材料是锗，现在使用最广泛的半导体材料是硅。
2．硅的存在在地壳里，硅的含量仅次于氧，全部以化合态存在，主要存在形式为二氧化硅和硅酸盐。
硅单质存在同素异形体是晶体硅和无定形硅。
3．单质硅 (1)物理性质：(2)化学性质：常温下，硅的化学性质不活泼，但在加热条件下和某些非金属单质(如O 2、Cl 2)反应。
Si ＋O 2=====△SiO 2。
(3)工业制取⎩⎪⎨⎪⎧①原料：二氧化硅和焦炭②原理：SiO 2＋2C 高温Si ＋2CO ↑(4)用途：用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等，其合金用于制造变压器铁芯和耐酸设备等。
二、二氧化硅和光导纤维 1．二氧化硅(1)存在：二氧化硅广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。
纯净的二氧化硅又称水晶。
(2)物理性质：(3)化学性质：①具有酸性氧化物的通性：a ．常温下SiO 2与 NaOH 溶液反应生成盐和水： SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O 。
b ．高温下SiO 2与碱性氧化物(如 CaO)反应生成盐： SiO 2 ＋CaO 高温,CaSiO 3。
②特性：与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
③弱氧化性：高温下与C反应：SiO2＋2C△,Si＋2CO↑。
高中化学学习材料
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第4章第1节硅无机非金属材料
【典型例题】
例1. 有一粗硅，含铁和硅两种杂质，取等质量的样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的氢气，则该粗硅中铁和硅的关系正确的是（）
A. 物质的量之比为1：1
B. 物质的量比为2：1
C. 质量比为4：1
D. 质量比为2：1
答案：B C
解析：粗硅与盐酸反应是铁与盐酸反应Fe +2HCl ＝＝＝FeCl2 + H2 ↑；粗硅与碱反应是硅与碱反应Si + 2NaOH + H2O ＝Na2SiO3 + 2H2 ↑因放出等量氢气，则铁与硅的物质的量之比为2：1，质量比为4：1。
点评：本题综合考查了铁、硅的性质，是定性分析与简单定量计算相结合的，解题要注意书写化学方程式的准确性。
例2. 下列说法不正确的是（）
A. 因为SiO2 不溶于水，故H2SiO3不是SiO2 对应的酸或者说SiO2 不是H2SiO3 对应的酸酐
B. CO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀
C. SiO2 是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大
D. 氢氟酸能够雕刻玻璃，故不能用玻璃瓶来盛氢氟酸
答案：A
解析：SiO2 中Si 呈＋4价，H2SiO3中Si为＋4价，且H2SiO3（加热）＝SiO2 ＋H2O ,故A项错误，B项发生的反应：Na2SiO3 + CO2 (少量)＋H2O ＝H2SiO3↓+ Na2CO3 D项发生的反应为：4HF+ SiO2 ＝SiF4↑+ 2H2O
点评：学习物质的性质既要注意共性，还要注意特性；既要知道一般规律，还要知道特殊规律。
例3. 下列溶液中加入氯化钡溶液生成白色沉淀，在加入稀硝酸震荡，白色沉淀不消失的是（）
A. Na2SiO3
B. Na2CO3
C. Na2SO3
D. Na3PO4
答案：A C
解析：BaCO3 和Ba3(PO4 )2 均为白色沉淀，二者均溶于HNO3 ,BaSiO3 溶于HNO3 后又生成H2SiO3，BaSO3溶于硝酸后生成BaSO4。
点评：本题表面上是考查复分解反应，实际却包含了氧化还原反应的知识，解题要注意思维的全面性和灵活性。
例4. 三硅酸镁晶体被用来治疗胃溃疡病患者的胃酸过多症，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。
三硅酸镁晶体化学式为：Mg2Si3O8·nH2O。
（1）用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式。
（2）写出该药物中和胃酸的化学方程式。
答案：（1）2MgO·3SiO2·nH2O
（2）2MgO·3SiO2 ·nH2O + 4HCl ＝2MgCl2 + (n+2) H2O + 3SiO2
解析：用氧化物的形式表示硅酸盐的时候，应注意书写原则：
活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水
第二问若直接写三硅酸镁与盐酸反应，许多同学会感到无从下手。
应从氧化物形式书写。
碱性氧化物（MgO）能与盐酸反应，而SiO2 不能与盐酸反应可当成杂质，最后写出正确的方程式。
评注：本题考查了将复杂的硅酸盐用氧化物的形式表示这个知识点，同时本题也涉及硅酸盐在生活中的应用。
解题时应注意只有碱性氧化物才能与酸反应生成盐和水。
【模拟试题】（答题时间：40分钟）
一、选择题（每题有1或2个正确答案）
1. 下列叙述正确的是（）
A. 自然界中存在大量单质硅
B. 石英、水晶、硅石的主要成分是二氧化硅
C. 二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸碱发生化学反应
D. 自然界中二氧化硅都存在于石英矿中
2. 可制造熔化烧碱的坩锅材料是（）
A. 铁
B. 陶瓷
C. 氧化铝
D. 石英
3. 磷酸钙陶瓷也是一种新型无机材料，它可用于制造人造骨骼，这是利用了这种材料的（）
A. 耐高温特性
B. 电学特性
C. 光学特性
D. 生物功能
4. 硅酸铜钡是当今最新科学技术合成的一种物质，然而科学家却惊奇的发现，我国秦朝兵马俑的一种颜料竟是硅酸铜钡。
由以上事实推测关于硅酸铜钡的说法错误的是（）
A. 易溶于水
B. 难溶于水
C. 属于硅酸盐
D. 属于混合物
5. 下列离子方程式不正确的是（）
A. 向烧碱溶液中通入过量的二氧化碳2OH- +CO2 ＝CO32- +H2O
B. 向纯碱溶液中通入足量的二氧化碳CO32- + CO2 + H2O ＝2HCO3-
C. 向水玻璃中通入少量二氧化碳SiO32- + CO2 + H2O ＝H2SiO3 ↓+ CO32-
D. 向次氯酸钠溶液中通入少量的二氧化碳2ClO- + CO2 + H2O ＝2HClO + CO32-
6. 将过量的二氧化碳分别通入①CaCl2 溶液；②Na2SiO3 溶液；③C a(C l O)2溶液；④饱和Na2CO3 溶液。
最终溶液中有白色沉淀析出的是（）
A. ①②③④
B. ②④
C. ①②③
D. ②③
7. 在反应SiO2 + 3C △
SiC + 2 CO↑中，氧化剂与还原剂的质量比是（）
A. 36: 60
B. 60:36
C. 1:2
D. 1:3
8. 下列物质放置在空气中（不考虑水份蒸发和吸收空气中的水份）变质，且能析出固体，加入盐酸时固体不溶解的是（）
A. 澄清石灰水
B. 水玻璃（Na2SiO3）
C. 过氧化氢
D. 氧化钙
9. 下列物品或设备：①水泥路桥；②门窗玻璃；③水晶镜片；④石英钟表；⑤玛瑙手镯；⑥硅太阳能电池；⑦光导纤维；⑧计算机芯片。
其中所用材料为SiO2 或用到SiO2 的是（）
A. ①②③④⑤⑦
B. 全部
C. ⑥⑧
D. ①②⑦⑧
10. 有关硅元素的下列叙述中正确的是（）
A. 常温时硅可和强碱溶液反应
B. 硅与任何酸都不反应
C. 硅是构成矿物岩石的主要原料，其化合态硅几乎全部是硅石和硅酸盐
D. 硅的性质很稳定，能以游离态存在于自然界
二、填空题
11. 物质的组成可用不同形式表示:
（1）将下列硅酸盐改写成氧化物的形式（改写时注意金属氧化物在前，非金属氧化物在后，低价在前，高价在后）
①镁橄榄石（Mg2SiO4）_____________________
②高岭石Al2(Si2O5)(OH)4_______________________
（2）许多含氧酸及其盐类均可以类似硅酸盐的改写为氧化物形式，请继续改写下列物质：
2HNO3 _________,
HCOOH_________________________,
2KAl(SO4)2·12H2O _________________,
通过以上改写可知，HNO3 的酸酐为_________________,HCOOH与浓H2SO4 反应可制成_______________气体。
12. 氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定。
工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应获得。
（1）写出氮原子的结构示意图：_____________,根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式__________________；
（2）氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。
试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学式为_____________________；
（3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅。
反应的化学方程式为：_______________________。
13. 常用的干燥剂硅胶，是网状多孔物质，主要成分为SiO2，其中含水约为4％，制法是将硅酸减压条件下加热到300℃，使之分解。
现以石英、纯碱、盐酸为原料，生产硅胶，试按生产顺序写出各步反应的化学方程式。
三、计算题
14. 已知硅和铝都能与碱溶液反应，反应的离子方程式分别为：
Si+ 2OH- +H2O ＝SiO32- +2H2 ↑
2Al + 2OH- + 6H2O ＝2〔Al(OH)4〕- + 3H2↑
现有铁、硅、铝的混合物13g，当与足量的盐酸反应时，生成标准状况下的氢气的体积为11.2L；若将等质量的混合物与足量的氢氧化钠溶液反应时生成的氢气在标准状况下也是11.2L。
求原混合物中各成分的质量。
【试题答案】
一、选择题（每题有1或2个正确答案）
1. B
2. A
3. D
4. AD
5. A
6. B
7. C
8. B
9. A 10. AC
二、填空题
11. （1）①2MgO·SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O
（2）N2O5·H2O；CO·H2O ；K2O·Al2O3·4SO3·24H2O；N2O5；CO
12. （1）；Si3N4
（2）Si3N4 + 12HF + 4H2O ＝3SiF4 ↑+ 4NH3·H2O （3）3SiCl4 +2N2 +6H2 (强热)＝Si3N4 + 12HCl
13. ①SiO2 + Na2CO3 （高温）＝Na2SiO3 +CO2 ↑
②Na2SiO3 + 2HCl ＝H2SiO3 ↓+ 2NaCl
③H2SiO3 （加热）＝SiO2 + H2O
三、计算题
14. 混合物中铁、硅、铝的质量分别为：5.6g；5.6g；1.8g。
