推荐K12高中化学第三单元化学与材料的发展课题1无机非金属材料教案新人教版选修2.docx

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推荐K12高中化学第三单元化学与材料的发展课题1无机非金属材料教案新人教版选修2

专题4.1无机非金属材料的主角-硅

复习目标：

1、掌握碳、硅及其化合物的性质、转化关系。

2、了解硅酸盐工业，新型无机非金属材料的特性及其应用。

基础知识回顾：

一、碳、硅元素的存在及单质的性质和用途

1、存在形态

自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态。

碳单质主要有金刚石、石墨等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。

2、单质的性质与用途比较

碳

硅

结构

金刚石：

空间网状结构

石墨：

层状结构的晶体

晶体硅：

空间网状结构

物理性质

金刚石熔点高、硬度大

石墨熔点高、质软，有滑腻感

晶体硅硬度大、熔点高

化

学

性

质

与非金属

单质反应

与O2反应：

C＋O2=CO2（完全燃烧）,

2C＋O2=2CO（不完全燃烧）

与O2、Cl2反应：

Si+O2=SiO2

Si+2Cl2=SiCl4

与氧化物

反应

与CuO,SiO2反应C＋2CuO=2Cu＋CO2↑

C+SiO2=Si+2CO↑

与酸反应

与浓H2SO4、浓HNO3反应：

与氢氟酸的反应：

C＋2H2SO4（浓）=CO2↑＋2SO2↑＋2H2O，

C＋4HNO3（浓）=CO2↑＋4NO2↑＋2H2O

Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑

与碱反应

Si+2OH-+H2O=SiO

+2H2↑

3、碳、硅元素的单质及其化合物的特殊性

①一般情况，非金属元素单质熔沸点低，硬度小，但硅、金刚石熔沸点高，硬度大，其中金刚石为硬度最大的物质。

②一般情况，非金属元素单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。

③一般情况，较强氧化剂＋较强还原剂===较弱氧化剂＋较弱还原剂，而碳却还原出比它更强的还原剂：

SiO2＋2C=Si＋2CO↑，FeO＋C=Fe＋CO↑。

④硅为非金属，却可以和强碱反应，放出氢气：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

⑤一般情况，较活泼金属＋酸===盐＋氢气，然而Si是非金属，却能与氢氟酸发生反应：

Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。

⑥一般情况，碱性氧化物＋酸=盐＋水，SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸发生反应：

SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。

⑦一般情况，非常活泼金属（Na、K等）才能够置换出H2O中的氢，但C＋H2O（g）=CO+H2↑。

⑧一般情况，非金属氧化物与水反应生成相应的酸，如CO2＋H2O=H2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。

4、硅与铝的相似性及区别

（1）与强碱溶液反应时相似

①Si、Al均与NaOH溶液反应生成盐和H2。

②SiO2、Al2O3、H2SiO3、H3AlO3Al（OH）3］均与NaOH溶液反应生成盐和水。

③Na2SiO3、NaAlO2溶液通入过量CO2均生成白色沉淀。

（2）区别

①除氢氟酸外，Si、SiO2、H2SiO3不与其它酸反应。

②Al2O3、Al（OH）3属两性化合物。

③Na2SiO3溶液、NaAlO2溶液与过量盐酸反应时现象不同。

【典型例题1】

【2008年全国卷Ⅱ】对于ⅣA族元素，下列叙述中不正确的是（　　）

A．SiO2和CO2中Si和O，C和O之间都是共价键

B．C、Si、Ge的最外层电子数都是4，次外层电子数都是8

C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应

D．该族元素的主要化合价是＋4和＋2

【迁移训练1】【陕西省岐山县2013-2014学年高三第一学期期中质量检测试题】下列说法正确的是

A．高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维

B．化工生产时将氯气通入到饱和的石灰水中可制得大量漂粉精

C．SO2被氧气氧化的条件一般选择高温、高压、催化剂

D．矿青石棉的化学式为：

Na2Fe5Si8O22（OH）2改写成氧化物的形式则为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O

二、CO2和SiO2的比较

物质

二氧化硅

二氧化碳

化学式

SiO2

CO2

晶体类型

原子晶体

分子晶体

主要物理性质

硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水

熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水

化学性质

与水反应

不反应

CO2＋H2O=H2CO3

与酸反应

SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O

不反应

与碱反应

SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O

（盛碱液的试剂瓶用橡皮塞）

CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O

CO2＋NaOH=NaHCO3

与盐反应

SiO2＋Na2CO3=Na2SiO3＋CO2↑

Ca（ClO）2＋CO2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO

CO2＋Na2CO3＋H2O=2NaHCO3

与碱性氧化物反应

SiO2＋CaO=CaSiO3

CO2＋Na2O=Na2CO3

【典型例题2】指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～E选项中选择正确答案填入括号内。

（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（　　）

（2）SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑（　　）

（3）SiO2＋2C

Si＋2CO↑（　　）

（4）SiO2＋3C

SiC＋2CO↑（　　）

（5）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（　　）

A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀

B．氧化性

C．酸性氧化物的通性

D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来

E．未参加氧化还原反应

【迁移训练2】下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是（　　）

A．都是共价化合物

B．都是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应

C．都能溶于水且与水反应生成相应的酸

D．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨

三、硅酸和硅酸盐、传统无机非金属材料

1、硅酸

（1）溶解性：

溶解度很小。

（2）化学性质——弱酸性：

酸性比碳酸还弱。

Na2SiO3＋CO2+H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓。

（3）制备：

可用硅酸钠与盐酸反应制得：

Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓

2、硅酸盐

（1）硅酸盐：

是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的重要成分。

（2）硅酸钠：

硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。

（3）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，长石（KAlSi3O8）可表示为：

K2O·Al2O3·6SiO2。

注意事项：

氧化物的顺序：

活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。

氧化物前系数配置原则：

除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。

①氧化物之间以“·”隔开；②系数配置出现分数应化为整数。

例如：

长石：

KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

3、传统无机非金属材料

（1）普通玻璃

①主要原料：

纯碱、石灰石、石英。

②主要成分：

Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。

（2）普通硅酸盐水泥

①主要原料：

石灰石、黏土。

②主要成分（写出名称和化学式）：

硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）

【典型例题3】世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：

“中国至少在距今3000年以前，就已经使用玻璃了。

”下列有关玻璃的说法不正确的是（　　）

A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土

B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点

C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅

D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起

【迁移训练3】【贵州省铜仁市第一2014届高三第四次月考】用4种溶液进行实验，下表中“操作及现

象”与“溶液”对应关系错误的是（）

选项

操作及现象

溶液

A

通入CO2，溶液变浑浊。

再升高至65℃以上，溶液变澄清。

C6H5ONa溶液

B

通入CO2，溶液变浑浊。

继续通CO2至过量，浑浊消失。

Na2SiO3溶液

C

通入CO2，溶液变浑浊。

再加入品红溶液，红色褪去。

Ca（ClO）2溶液

D

通入CO2，溶液变浑浊。

继续通CO2至过量，浑浊消失,再加入足量NaOH溶液，又变浑浊。

Ca（OH）2溶液

考点详析：

考点一：

硅的性质及高纯硅的制备方法

1、硅的性质

硅的性质在考查要注意的是其性质稳定，但能与发生一些比较特别的反应，如

Si

2、高纯硅在信息产业中的应用越来越广泛，故其制取也就成了热点题型。

其制取过程一般为：

SiO2

粗硅

SiCl4

高纯硅

【典型例题4】（2009浙江理综）单晶硅是信息产业中重要的基础材料。

通常用碳在高温下还原二氧化硅制

得粗硅（含铁、铝、硼、磷等杂质），粗硅与氯气反应生成四氯化硅（反应温度为450℃~500℃），四氯化硅

经提纯后用氢气还原可得高纯硅。

以下是实验室制备四氯化硅的装置图：

相关信息如下：

①四氯化硅遇水极易水解

②硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物

③有关物质的物理常数见下表：

.

物质

SiCl4

BCl3

AlCl3

FeCl3

PCl5

沸点/℃

57.7

12.8

—

315

—

熔点/℃

-70.0

-107.2

—

—

—

升华温度/℃

—

—

180

300

162

请回答下列问题：

（1）装置A中g管的作用是；装置C中的试剂是。

（2）甲方案：

f接装置Ⅰ；乙方案：

f接装置Ⅱ。

但是装置Ⅰ、Ⅱ都有不足之处，请你评价后填写下表。

方案

优点

缺点

甲

乙

（3）在上述

（2）的评价基础上，请你设计一个合理方案并用文字表述：

。

（4）SiCl4与H2反应的化学方程式为。

【答案】

（1）平衡压强，使液体从分液漏斗中顺利流下浓硫酸

（2）

方案

优点

缺点

甲

①收集产品的导管粗，不会堵塞导管

②冷凝产品，减少产品损失

①空气中的水蒸气进入产品收集装置，使SiCl4水解

②尾气没有处理，污染环境

乙

①有尾气处理装置，注重环保

②避免空气中的水蒸气进入装置

①产品易堵塞导管

②没有冷凝装置，产品易损失

（3）在装置Ⅰ的i处接干燥管j

（4）SiCl4+2H2=Si+4HCl

【迁移训练4】有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。

下列有关硅的说法中，不正确的是（　　）

A．高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片

B．硅可由二氧化硅还原制得

C．低温时，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应

D．自然界中硅的储量丰富，自然界中存在大量的单质硅

考点二：

CO2的相关性质

1、二氧化碳与弱酸盐溶液反应（强酸制弱酸）

碳酸酸性比硅酸、次氯酸、苯酚、偏铝酸等强，将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、

、NaAlO2盐溶液中，均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸（氢）盐，这是“强酸制弱酸”原理的应用。

如：

CO2—

CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

（或CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H4SiO4↓＋Na2CO3）

CO2＋Ca（ClO）2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO

CO2＋

＋H2O―→

＋NaHCO3

CO2（过量）＋NaAlO2＋2H2O===Al（OH）3↓＋NaHCO3

CO2（少量）＋2NaAlO2＋3H2O===2Al（OH）3↓＋Na2CO3

易错警示：

CO2通入CaCl2或BaCl2溶液不会产生白色沉淀，因为碳酸的酸性弱于盐酸。

2、二氧化碳反应先后关系

当有多种组分与一种物质反应时，判断反应顺序的方法：

先假设与其中的一种组分反应，若产物还能与另一种组分反应，则假设错误。

如将CO2通入KOH、Ba（OH）2混合溶液中，假设CO2先与KOH反应，则生成的K2CO3会与Ba（OH）2继续反应生成BaCO3，故假设错误，应该是CO2先与Ba（OH）2反应。

3、CO2与碱反应产物的定量判断

CO2通入NaOH、Ca（OH）2等强碱溶液的反应与CO2气体的通入量有关，当CO2通入少量时生成碳酸盐，当CO2通入过量时生成碳酸氢盐；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：

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O

CO2＋NaOH===NaHCO3

当n（OH－）∶n（CO2）的值不同时产物如下：

【典型例题5】【湖南长沙雅礼2014第二次月考】在下列各溶液中通入足量CO2气体，最终有浑浊产生的（）

①饱和Na2CO3溶液②澄清石灰水③Ca（ClO）2溶液④CaCl2溶液

⑤Na2SiO3溶液⑥NaAlO2溶液

A．全部B．除①④外C．除①②③④外D．除②③④外

【迁移训练5】向含有0.2molNaOH和0.1molBa（OH）2的溶液中持续稳定地通入CO2气体，当通入气体为8.96L（0℃，1.01×105Pa）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）（　　）

考点三：

碳、硅及其化合物之间综合转化关系

1、知识网络

2、推断中常用题眼

解答硅及其化合物的推断题，高温反应条件、特征反应、单质与碱反应、盐溶液与过量盐酸反应产生白色沉淀等往往是推断题的“突破口”。

.

【典型例题6】A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种非金属元素，它们能发生如图所示的转化关系，

该元素（用R表示）的单质能与NaOH溶液反应生成盐（Na2RO3）和氢气。

请回答下列问题：

（1）写出各物质的化学式：

A__________；B__________；C__________；D__________；E__________。

（2）写出反应①的化学方程式：

__________________________________________，

该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为________。

（3）写出反应④的离子方程式：

_________________________________________。

（4）写出反应⑤的离子方程式：

__________________________________________。

（5）H2CO3的酸性强于E的，请用离子方程式予以证明：

_____________________________________________________________________。