硅无机非金属材料

【同步教育信息】一. 本周教学内容：第4章第1节硅无机非金属材料二. 教学目的1、掌握硅及二氧化硅的重要性质，了解其应用。

2、体会物质的性质与材料性能的密切关系。

3、认识新材料的开发对人类生产、生活的重要影响。

三. 教学重点、难点硅及二氧化硅的性质四. 知识分析（一）导体材料与单质硅1、半导体材料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，但因其含量低，提炼工艺复杂，价格昂贵，而不适合广泛使用。

目前广泛使用的半导体材料是硅元素，在地壳中含量居第二位，该元素全部以化合态存在于自然界中，储量丰富。

常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。

2、单质硅（1）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（1410℃），是良好的半导体材料。

（2）化学性质: 常温下不活泼，只与F2及HF 和强碱反应。

在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。

Si + 2F2＝SiF4Si + 4HF ＝SiF4↑+ 2H2↑Si+ 2NaOH + H2O ＝Na2SiO3 +2 H2 ↑Si+ O2 ∆SiO2 Si + 2Cl2∆SiCl4（3）硅的制备由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。

在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。

制粗硅：SiO2 + 2C 高温Si + 2CO ↑制高纯硅：Si + 2Cl2 ∆SiCl4 SiCl4 + 2H2∆Si + 4HCl（4）硅的用途：硅可用来制造集成电路，太阳能电池，硅整流器等。

硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。

思考：判断下列说法是否正确：①非金属单质不能与碱液反应放出氢气②非氧化性酸不能与非金属单质反应③自然界中含大量的硅单质，其含量仅次于氧（解答：①×②×③×）（二）二氧化硅与光导纤维1、二氧化硅的存在二氧化硅广泛存在与自然界中，常见的有沙子石英和水晶，另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。

2、二氧化硅的物理性质纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。

3、二氧化硅的化学性质二氧化硅化学性质不活泼。

是一种酸性氧化物。

常温下与氢氟酸反应，与碱溶液缓慢反应，高温下与碱性氧化物反应。

Si O2+ 4HF ＝SiF4↑+ 2H2OSiO2+ 2NaOH ＝Na2SiO3 + H2 OSi O2 + CaO 高温CaSiO3注意：①氢氟酸不能保存在玻璃瓶中，应保存在塑料瓶中。

②NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，应保存在橡胶塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。

4、二氧化硅的用途（1）石英可用于制作石英表和石英玻璃。

（2）石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。

（3）水晶常用来制造电子部件、光学仪器和工艺品等。

（4）SiO2被用于制造高性能的现代通讯材料——光导纤维，光导纤维除用于通讯外，还可用于能量传输，信息处理遥测遥控和医疗器械（如光导纤维内窥镜）制造等方面。

光导纤维作为通讯材料的优点是克服了声音信号和图像信号在铜丝和铝丝这两种传统媒介中传播损耗大的缺点，并节约了大量的金属资源。

（三）硅酸盐与无机非金属材料1、硅酸硅酸为白色粉末状固体，不溶于水，其酸性比碳酸还弱（也可由硅的非金属性比碳弱推出），其化学式为H2SiO3。

SiO2是硅酸的酸酐，但SiO2不溶于水，所以不能用SiO2与水直接反应得到H2SiO3而只能用可溶性硅酸盐与酸反应制得。

如：Na2SiO3 + CO2 + H2O ＝Na2CO3 + H2SiO3↓H2SiO3在加热条件下失水变为SiO2：H2SiO3 △SiO2 + H2O2、硅酸盐（1）硅酸盐在自然界中的存在硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿石，约占地壳的5％，粘土的主要成分也是硅酸盐。

粘土的种类很多，常见的有高岭土和一般粘土，前者含杂质较少，后者含杂质较多。

（2）硅酸盐组成的表示方法硅酸盐的种类很多，结构复杂，无论是天然的还是人工制成的硅酸盐，其组成的表示方法有两种。

①化学式法：一般用于组成较简单的硅酸盐。

如：硅酸钠Na2SiO3；硅酸钙Ca2SiO3②氧化物法：常用的表示方法。

如：镁橄榄石（Mg2SiO4）2MgO·SiO2高岭石〔Al2(Si2O5)(OH)4〕Al2O3·2SiO2·2H2O正长石(2KAlSi3O8 ) K2O·Al2O3·6SiO2说明：用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时，各氧化物的排列顺序为：较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→二氧化硅→水（3）硅酸钠硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。

3、无机非金属材料（1）传统无机非金属材料①玻璃原料：生产普通玻璃的主要原料是纯碱（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2）。

主要设备：玻璃熔炉反应原理：将粉碎混匀的原料加强热使之熔化，发生复杂的物理化学变化，冷却即成玻璃。

其中主要化学反应是：CaCO3 + SiO2高温CaSiO3 + CO2↑Na2CO3 + SiO2高温Na2SiO3 + CO2↑主要成分：制造玻璃的原料中，石英是过量的，所以，普通玻璃是CaSiO3，Na2SiO3和SiO2熔化在一起得到的物质，其物质的量之比为1：1：4，因此玻璃可表示为：Na2O·CaO·6SiO2。

主要性质：硬而脆，受热时在一定温度范围内逐渐软化，没有一定的熔点，故作玻璃态物质，耐酸腐蚀（HF除外）。

②水泥a. 普通水泥的主要成分为硅酸三钙（3CaO·SiO2），硅酸二钙（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3）等。

b. 水泥的特点是水泥具有水硬性，与水搀和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。

c. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用钢筋作结构，这就是通常所说的钢筋混凝土。

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1：1B. 物质的量比为2：1C. 质量比为4：1D. 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↓+ Na2CO3D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. Na2SiO3B. Na2CO3C. Na2SO3D. 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】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- +H2OB. 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. ①②③④B. ②④C. ①②③D. ②③7. 在反应SiO2 + 3C △SiC + 2 CO↑中，氧化剂与还原剂的质量比是（）A. 36: 60B. 60:36C. 1:2D. 1:38. 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。