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1、第一节 无机非金属材料的主角硅,【学习目标】 1.了解SiO2的结构、性质和用途。 2.了解硅酸的制备和化学性质。 3.了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。 4.了解硅的性质和用途。 5.了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。,【新知预习】 一、硅元素的存在及原子结构 (1)硅元素在自然界中以何种形态存在？ (2)硅原子的原子结构有何特点？ 1.存在 硅元素在地壳中的含量为26.3%，仅次于氧；它在自然界中主 要以_及_的形式存在，存在形态全部是_。,氧化物,硅酸盐,化合态,2.原子结构 硅的原子结构示意图为_,最外层有_个电子，反应 中既不易失去电子也不易得到电子，主要形成_价的化合物。,4
2、,+4,二、二氧化硅的结构与性质 SiO2的组成及结构有何特点？ SiO2有哪些重要的物理性质和化学性质？ 1.存在,存在形态,结晶形，如_,石英,无定形，如_,硅藻土,统称硅石,石英、水晶、玛瑙、光导纤维、沙子的主要成分是_。,SiO2,2.结构 SiO2晶体是由Si和O按_的比例组成的_结构的晶 体，每个Si与_个O结合，每个O与_个Si结合。 3.物理性质 SiO2硬度大，熔点_，_于水。,12,立体网状,4,2,高,难溶,4.化学性质,SiO2+4HF=SiF4+2H2O,_,_,SiO2+CaO CaSiO3,SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,_,三、硅酸 硅酸的酸性比碳
3、酸的酸性强还是弱？有哪些主要的化学性质？ 实验室中如何制备硅酸？,1.制备,红,无,白色胶状沉淀,碱,Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3,2.物理性质 H2SiO3是一种_于水的白色胶状物质。 3.化学性质 (1)弱酸性。 硅酸酸性比碳酸弱，向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，反应的 化学方程式为_。 硅酸只与强碱反应，与NaOH溶液反应的化学方程式为_。 (2)不稳定性。 硅酸受热易分解，化学方程式为H2SiO3 SiO2+H2O。,难溶,Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3,H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O,4.硅胶,四、硅酸盐 (
4、1)什么是硅酸盐？如何用氧化物形式表示其组成？ (2)你知道玻璃、水泥、陶瓷的制作原料及主要成分吗？ 1.硅酸盐：由硅、_和_组成的化合物的总称。 2.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其组成。例如： 硅酸钠(Na2SiO3)：_。 长石(KAlSi3O8)：_。,氧,金属,Na2OSiO2,K2OAl2O36SiO2,3.性质 硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，大多不溶于水，化学性质很稳定。 4.最简单的硅酸盐Na2SiO3,Na2SiO3,物理性质,白色固体，易溶于水,俗名泡花碱，水溶液称_,化学性质,与酸(盐酸、碳酸等)反应，生成硅 酸凝胶,用途,能制备硅胶和木材防火剂
5、,水玻璃,5.三种常见的硅酸盐产品,石灰石、黏土,水泥回转窑,纯碱、石灰石 和石英,玻璃窑,黏土,硅酸二钙 2CaOSiO2 硅酸三钙 3CaOSiO2 铝酸三钙 3CaOAl2O3,Na2OCaO6SiO2,6.其他含硅的物质,金刚砂,导磁性,吸附剂,五、硅单质的结构及性质 单质Si的结构有何特点？有哪些重要的物理性质？有何重要应 用？ 1.形态及结构,形态,有晶体硅和无定形硅两大类,结构,具有正四面体构型的空间立体网状结构，与 金刚石结构类似,2.主要性质 晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，熔点_、硬度_，有脆 性、导电性，是良好的_材料。常温下化学性质稳定， 除氢氟酸和强碱外，不与其他物质
6、发生反应。 3.重要用途 (1)半导体材料，如硅芯片等。 (2)新型能源，如光电池等。,高,大,半导体,【正误立判】 1.硅原子既不易失去电子，也不易得到电子，所以在自然界中 有大量的单质存在，如水晶。( ) 分析：错误。硅原子虽然不易失去和得到电子，但硅是亲氧元 素，所以硅主要是以氧化物或硅酸盐的形式存在，自然界中不 存在单质硅。水晶是SiO2,不是单质硅。 2.石英是SiO2分子直接构成的。( ) 分析：错误。二氧化硅由Si、O原子按12比例构成，晶体中 不存在SiO2分子。,3.SiO2是酸性氧化物，可与H2O直接化合生成H2SiO3。( ) 分析：错误。SiO2不溶于水，不能与H2O直
7、接反应生成H2SiO3。 制取H2SiO3应用Na2SiO3和酸反应。 4.Na2OCaO6SiO2是一种硅酸盐，由Na2O和CaO及SiO2混合 而成。( ) 分析：错误。Na2OCaO6SiO2是一种硅酸盐，属于纯净物， 上述形式只是该硅酸盐的一种氧化物表示形式。,5.制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。( ) 分析：正确。制水泥的原料是石灰石和黏土，制玻璃的原料是石灰石、石英和纯碱，二者的共同原料是石灰石。 6.硅是半导体材料，可用于制备光导纤维。( ) 分析：错误。硅是半导体材料，但不能用于制备光导纤维，SiO2才是制备光导纤维的主要原料。,【课堂探究】 一、CO2、SiO2结构与性质的比
8、较,酸性氧化物,酸性氧化物,可表示CO2分子的组成,不能表示SiO2的分子组成，仅表示SiO2中硅原子和氧原子个数之比为12,通常状况下为气体，熔、沸点低，可溶于水，比空气密度大,坚硬，不溶于水，熔、沸点高,不反应,CO2+H2O H2CO3,不反应,只与HF反应 4HF+SiO2=SiF4+2H2O,CO2+Na2CO3+H2O= 2NaHCO3,CO2+2NaOH= Na2CO3+H2O,SiO2+2NaOH= Na2SiO3+H2O,CO2+CaO=CaCO3,【特别提醒】(1)CO2由分子直接构成，SiO2由Si、O原子直接构成。 (2)CO2可与碱反应，SiO2只与强碱反应。 (3)
9、氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于刻蚀玻璃。,【典例1】被誉为“光纤之父”的华人科学家高锟曾荣获诺贝尔化学奖。下列叙述正确的是( ) A.CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸 B.SiO2与CO2都属于酸性氧化物，都不能与酸反应 C.SiO2与CO2(干冰)都能够与氢氧化钠溶液反应 D.水晶的主要成分是SiC,【思路点拨】解答本题应注意以下两点： (1)SiO2不与水反应，也难溶于水。 (2)SiO2与氢氟酸和NaOH溶液均能反应。 【解析】选C。A项，CO2与水反应，SiO2不与水反应，也不溶于 水；B项，SiO2为酸性氧化物，能与HF反应，但CO2不与酸反 应；C项，SiO2能与NaOH溶液
10、反应，SiO2+2NaOH=Na2SiO3+ H2O；D项，水晶是纯净的SiO2，SiC俗称金刚砂。,【警示钟】碳和硅原子结构相似，但CO2和SiO2在结构性质上却有很大差异。解答此类问题时应注意SiO2的特性，避免机械套用CO2的性质。,【拓展延伸】二氧化硅与碳酸盐反应的原理 以SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2为例： 该反应之所以能够发生，是因为该反应产生CO2气体，能脱离反应体系，从而使反应能继续进行，并不是因为H2SiO3的酸性比H2CO3强，事实上H2CO3的酸性比H2SiO3强，因为该反应不是溶液中进行的复分解反应，而是高温条件下固体间的反应，不能用复分解反应原理来解释
11、。,【变式备选】下列叙述正确的是( ) A.CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似 B.因为CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2，所以硅酸的酸性比碳 酸强 C.CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂 D.SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两 性氧化物,【解析】选C。CO2的熔沸点低，溶于水，SiO2的熔沸点高，硬度大，不溶于水，两者都是酸性氧化物和其物理性质没有因果关系，A错；CaCO3和SiO2反应是SiO2的特殊性质，不能说明H2CO3的酸性比H2SiO3的弱，B错；SiO2和HF反应也是SiO2的特殊性质，不能说明SiO2是两性氧化物，D
12、错。,二、硅的制取及含硅化合物的转化 1.单质硅的制取 (1)粗硅的制取。 2C+SiO2 2CO+Si(粗硅) (2)纯硅的制取。 Si(粗硅)+2Cl2 SiCl4 SiCl42H2 Si(纯硅)+4HCl,2.硅及其化合物的转化 发生反应的化学方程式为： Si+O2 SiO2 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O CO2+H2O+Na2SiO3=Na2CO3+H2SiO3 H2SiO3 SiO2+H2O SiO2+2C Si+2CO,【特别提醒】(1)硅在高温时能与O2发生反应，粗硅制备时，用焦炭在电炉中隔绝空气还原SiO2，且生成CO，而不是CO2。 (2)常见单质中，与NaO
13、H溶液反应生成H2的有金属Al、非金属Si。,【典例2】晶体硅是一种重要的非金属材料。制备纯硅的主要步骤如下： 高温下用焦炭还原二氧化硅制得粗硅； 粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3: Si+3HCl SiHCl3+H2; SiHCl3与过量H2在1 000 1 100 条件下反应制得纯硅。已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。,300 ,=,请回答下列问题： (1)第步制备纯硅的化学反应方程式为 _。 (2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0)中含有少量SiCl4(沸点57.6)和HCl(沸点-84.7)，提纯SiHCl3的方法为_。,(3)用
14、SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去)： 装置B中的试剂是_。 装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_。,【思路点拨】解答本题应注意以下两点： (1)SiHCl3沸点低，容易汽化。 (2)SiHCl3与H2反应制备纯硅时，必须在干燥环境中进行。,【解析】(2)根据SiHCl3、SiCl4、HCl沸点不同，可用蒸馏法分离出SiHCl3。 (3)SiHCl3能与H2O剧烈反应，所以要进行干燥，根据装置应选择液态干燥剂浓硫酸。C装置用水浴加热SiHCl3，使其汽化，和H2进入D装置反应。 答案：(1)SiHCl3+H2 Si+3HCl (2)蒸馏 (3)浓硫酸 使进入烧瓶中的SiHCl3汽化,【警示钟】(1)石英和焦炭在高温下反应生成CO，而不是CO2。 (2)粗硅中杂质不是碳单质，而是SiC，因为发生反应C+Si SiC。 (3)制备纯硅时，石英管不能更换为玻璃管。因为高温条件下 玻璃会软化。,【变式训练】单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，对硅的 纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为： SiO2+2C Si+2CO Si+2Cl2 SiCl4 SiCl4+2H2 Si+4HCl
