2011—2012学年化学鲁科版必修1同步教学案：第4章 材料家族中的元素：4.1　硅　无机非金属材料

第1节　硅　无机非金属材料
第1课时　硅　二氧化硅
一、硅单质和半导体材料
1．种类
单质硅有________和____________两类。
2．结构
晶体硅的结构与__________相似。
3．性质
(1)物理性质
色、态 光泽 熔点 硬度 质地 导电性
灰黑色固体 金属光泽 高 大 脆 半导体
(2)化学性质：在常温下化学性质不活泼，但能与______、__________发生反应。
4．用途
(1)____________，如硅芯片等。
(2)__________，如光电池等。
二、二氧化硅与光导纤维
1．SiO2的存在形式
SiO2
2．SiO2的结构
每个Si原子与周围的____个O原子相结合，每个O原子与____个Si原子相结合。实际上，二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按______的比例所组成的__________结构的晶体，我们通常用“SiO2”表示二氧化硅的组成。
3．物理性质
二氧化硅是__________的固体，____于水。
4．化学性质
(1)与氢氟酸(HF)反应——HF是惟一可以与之发生反应的酸：_________(可用来雕刻玻璃)。
(2)SiO2作为酸性氧化物可以和____、__________反应，但与水______。
①和碱反应：____________________________________________________________；
②和碱性氧化物反应：___________________________________________________。
5．二氧化硅的用途
(1)以SiO2为主要成分的沙子仍然是基本的建筑材料；
(2)电子工业的重要部件、光学仪器；
(3)是信息高速公路的骨架——____________的主要成分；
(4)用石英、玛瑙制作______。
知识点1　硅单质的性质及用途
1．硅和碳的比较，正确的是(　　)
A．都是非金属，而硅的非金属性较强
B．硅和碳的最高正价都是＋4价
C．硅元素在地壳中的含量占第二位，碳占第一位
D．硅和碳在自然界中的存在形式都是既有游离态也有化合态
2．下列关于硅的说法中，不正确的是(　　)
A．硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应
D．当加热到一定温度时，硅能与氧气等非金属反应
知识点2　硅元素在自然界中的存在
3．硅在自然界中储量丰富，含量仅次于氧元素，硅存在于地壳的各种矿物和岩石中的形式是(　　)
A．单晶硅 B．二氧化硅
C．硅酸 D．无定形硅
知识点3　二氧化硅的结构与性质
4．关于二氧化硅，下列叙述不正确的是(　　)
A．水晶的成分是二氧化硅
B．二氧化硅晶体中不存在单个SiO2分子
C．二氧化硅溶于水且显酸性
D．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别
5．在一定条件下，下列不能与二氧化硅反应的物质是(　　)
①焦炭　②纯碱　③碳酸钙　④氢氟酸　⑤硝酸
⑥氢氧化钾　⑦氧化钙
A．只有③⑤⑦ B．只有⑤⑦
C．只有②⑤ D．只有⑤
练基础落实
1．在一定条件下，不能既与二氧化碳反应，又与二氧化硅反应的是(　　)
A．Na2CO3溶液 B．CaO
C．NaOH溶液 D．木炭
2．光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一，它使信息科学迅猛发展。光导纤维的主要成分是(　　)
A．CaCO3 B．SiO2
C．Na2SiO3 D．CaSiO3
3．SiO2属于酸性氧化物的主要理由是(　　)
A．硅是非金属元素
B．SiO2对应的水化物是可溶性酸
C．SiO2与强碱反应生成盐和水
D．SiO2不能与酸反应
4．下列对晶体硅的有关叙述正确的是(　　)
A．晶体硅和金刚石的物理性质相似
B．硅在地壳中含量居第二位，可以以游离态存在于自然界中
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但它的提炼工艺复杂，价格昂贵
D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电
练方法技巧
5．60 g石灰石在高温下与23 g石英反应产生的气体在标准状况下的体积是(　　)
A．5.6 L B．11.2 L
C．13.44 L D．6.72 L
6.化合物A、D、F是中学化学中常见的物质，化合物B、C、E中含有两种相同的元素。这些化合物之间存在下列关系。其中A和B的反应是一种重要的化工生产中的主要反应之一。
(1)在A、C、F中含有的相同元素是________。
(2)化合物C的化学式是________，化合物A的水溶液显________性(填“酸”、“碱”或“中”)。
(3)C的水溶液和D能否发生反应________(填“能”或“否”)，理由是________
________________________________________________________________________。
练综合拓展
7．获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。
(1)光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维，利用光缆通讯能同时传输大量信息。制造光纤电缆的主要原材料的化学式是______________，它属于_________材料。
(2)信息产业的核心材料是高纯度的硅，高纯度的单晶硅生产方法之一是：用金属硅化物(Mg2Si)与HCl作用得硅烷(SiH4)，再加热分解硅烷可得高纯硅。单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等，硅纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。写出上述方法中，生产高纯硅的两个化学方程式：____________________________________________，____________。
8．把河沙(主要成分是SiO2)跟镁粉按一定质量比(质量比约大于15∶24)混合均匀，装入试管中加热大约一分钟后发生剧烈反应，生成一种白色固体化合物和一种硅化物，待生成的混合物冷却后放入盛有稀硫酸的烧杯中，立即产生气泡并伴有爆炸声，产生的气体是一种能在空气中自燃的硅的气态氢化物。
(1)写出河沙与镁粉在加热时反应的化学方程式：__________________________，该反应是________(填“放热”或“吸热”)反应。
(2)生成的混合物放入稀硫酸中，产生的气体是(填化学式)____________；
(3)写出产生“爆炸声”的化学方程式：____________________________________
________________________________________________________________________。
9．有三种透明、不溶于水的坚硬固体，A固体在氧气中完全燃烧只得到一种无色气体，此气体能使澄清石灰水变浑浊，标准状况下测得此气体的密度为氧气密度的1.375倍。B固体可溶于热的苛性钠溶液，再往该溶液中加入过量酸时，析出白色胶状沉淀，此沉淀干燥后，为不溶于水的白色粉末，它是一种比碳酸还弱的酸。将B与石灰石、纯碱按比例混合加热后得到C，C在高温时软化，无固定熔点。
(1)A为__________，有关反应的化学方程式：________________________________
________________________________________________________________________；
(2)B为__________，有关反应的化学方程式：_______________________________
________________________________________________________________________；(3)C为____________________。
第4章　材料家族中的元素
第1节　硅　无机非金属材料
第1课时　硅　二氧化硅
基础落实
一、
1．晶体硅　无定形硅
2．金刚石
3．(2)强碱　氢氟酸
4．(1)半导体材料　(2)新能源
二、
1．天然　结晶　水晶　玛瑙　小粒
2．4　2　1∶2　立体网状
3．坚硬难熔　不溶
4．(1)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O　(2)碱　碱性氧化物　不反应　①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　②SiO2＋CaOCaSiO3
5．(3)光导纤维　(4)首饰
对点训练
1．B　2.C　3.B
4．C　[CO2通常状况下为气体，与SiO2物理性质相差很大；SiO2晶体不溶于水，也不能与水反应生成H2SiO3；SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体，不存在单个SiO2分子。]
5．D
课后作业
练基础落实
1．A
2．B　[光导纤维可以用SiO2来制造。]
3．C
4．A　[晶体硅的结构与金刚石相似，具有空间立体网状结构，所以物理性质相似；硅在地壳中含量居第二位，但在自然界中没有游离态的硅存在，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛使用；晶体硅是一种非金属单质，虽然它具有金属光泽。]
练方法技巧
5．C　[石灰石在高温下，即使不与SiO2反应，也可完全把CO2释放出来，故存在CaCO3～CO2。]
6．(1)Na　(2)Na2SiO3　碱　(3)能　硅酸盐能在水溶液中与CO2反应生成比碳酸酸性更弱的硅酸
解析　此题突破点为A＋BC＋D，A、D是常见物质且该反应为一种重要的化工生产的主要反应之一，即Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，然后再根据其他关系推出。
练综合拓展
7．(1)SiO2　新型无机非金属
(2)Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑　SiH4Si＋2H2
8．(1)SiO2＋4Mg2MgO＋Mg2Si　放热
(2)SiH4
(3)SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O
解析　在做此题时首先应注意河沙和镁粉的质量比和物质的量之比的关系以及按此物质的量比例应发生何种反应。其次应注意，一些反应产物的信息，如在空气中能自燃的硅的气态氢化物等信息。另外要注意对实验的一些现象描述的特殊含义，如爆炸声应为剧烈的放热反应。
(1)河沙和镁粉的质量比约大于15∶24时，因河沙中还含有除SiO2之外的物质，故此时SiO2和Mg的质量比约为15∶24，则二者的物质的量之比为∶＝1∶4，即在反应中SiO2和Mg应按1∶4的物质的量之比进行反应，故方程式为：SiO2＋4Mg2MgO＋Mg2Si，因为加热一分钟后即发生剧烈反应，故此反应应为放热反应。(2)MgO和稀H2SO4反应：MgO＋H2SO4===MgSO4＋H2O，此反应为碱性氧化物和强酸的反应，不剧烈，不可能产生爆炸声。所以应是Mg2Si和H2SO4反应的结果，结合题意，再根据Mg2Si中各元素的化合价可推测反应产物为MgSO4和SiH4，SiH4在空气中自燃发出爆炸声。
9．(1)金刚石　C＋O2CO2
(2)石英　SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(3)普通玻璃
解析　解答本题应从A的燃烧产物入手，该气体的相对分子质量为：32×1.375＝44。该气体无色，且能使澄清石灰水变浑浊，应为二氧化碳。因为A为透明、不溶于水、坚硬的固体，由此推断A为金刚石。B同样为透明、不溶于水的坚硬固体，但可溶于热的苛性钠溶液，所得溶液中加入过量的酸时可析出白色固体，最终得到一种比碳酸还弱的酸，因此B为石英。C物质由石灰石、纯碱和B物质(石英)混合加热反应而制得的，在高温时软化，无固定熔点，这符合玻璃的性质特点，故C为普通玻璃。
第2课时　硅酸盐与无机非金属材料
一、硅酸盐
1．概念
硅酸盐是由____________组成的化合物的总称。
2．硅酸盐的性质
硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，大多____于水，化学性质很______。
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其组成。
例如：Na2SiO3：__________________；
长石KAlSi3O8：________________________________________________________。
4．最常见的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称__________，能制备______和____________。
二、无机非金属材料
1．传统的无机非金属材料——硅酸盐产品
(1)玻璃
①原料：________________、__________________和________________。
②设备：____________。
③反应：_______________________________________________________________、
________________________________________________________________________
④主要成分：________________、______________和__________。
(2)水泥
①原料：________和________。
②主要成分：__________、__________和________等。
③特点：水泥具有________。
(3)陶瓷
①原料：____等天然________。
②分类
陶器：疏松多孔有________，有色，施釉。
瓷器：原料____________，烧结温度也______。因此组织______，几乎__________，色白，耐__________。
2．新型无机非金属材料
(1)____________陶瓷：如氮化硅(Si3N4)陶瓷、碳化硅(SiC)陶瓷等。
(2)______陶瓷：如氧化铝(Al2O3)陶瓷、氧化硅(ZrO2)陶瓷等。
(3)______陶瓷：以钛酸钡(BaTiO3)和钛酸铅(PbTiO3)等为主要成分。
知识点1　硅酸盐的表示方法
1．用二氧化硅和金属氧化物的形式表示硅酸盐的组成，不正确的是(　　)
A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10·3H2O)]　CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
B．镁橄榄石(Mg2SiO4)　2MgO·SiO2
C．长石(KAlSi3O8)　K2O·Al2O3·3SiO2
D．高岭石[Al2Si2O5(OH)4]　Al2O3·2SiO2·2H2O
2．高岭土的组成可表示为Al2Si2Ox(OH)y，其中x、y的数值分别是(　　)
A．7、2 B．5、4
C．6、3 D．3、6
知识点2　玻璃、水泥、陶瓷
3．在炼铁、制玻璃、制水泥三种工业生产中，都需要的原料是(　　)
A．纯碱 B．石灰石
C．石英 D．黏土
4．下列各项叙述中，错误的是(　　)
A．普通水泥的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙等
B．水泥是一种纯净物
C．混凝土常以钢筋做骨架，而不用其他金属，是因为钢筋的硬度大且热膨胀系数和混凝土相差不大
D．水泥具有水硬性，在水中也能硬化，可进行水下施工
知识点3　新型无机非金属材料
5．据报道我国科学家研制出一种新型的“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的。下列相关叙述不正确的是(　　)
A．它耐高温，抗氧化
B．它比钢铁轻、硬，但质地较脆
C．它没有固定的熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
6．氮化硅(N显－3价，Si显＋4价)是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高，化学性质稳定，工业上曾普遍采用纯硅与纯N2在1 300℃时反应获得。
(1)画出N的原子结构示意图________________，氮化硅的化学式为________________。
(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方程式：________________________________________________________。
(3)现用四氯化硅与氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为________________________________________________________。
练基础落实
1．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是(　　)
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C．木材、织物浸过水玻璃后，具有防腐蚀性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
2．材料与化学密切相关，下表中对应关系错误的是(　　)
材料 主要化学成分
A 刚玉、金刚石 三氧化二铝
B 大理石、石灰石 碳酸钙
C 普通水泥、普通玻璃 硅酸盐
D 沙子、石英 二氧化硅
3.光纤通信是以光作为信息的载体，让光在光导纤维中传播，制造光导纤维的基本原料是(　　)
A．氧化钙 B．铜 C．石英砂 D．硅
4．下列变化，不能一步实现的是(　　)
A．Na2SiO3→H2SiO3 B．H2SiO3→SiO2
C．SiO2→H2SiO3 D．SiO2→Na2SiO3
练方法技巧
5．月球上有丰富的绿柱石(绿宝石)矿藏，其主要化学成分为BenAl2Si6O18。也可用氧化物形式表示为nBeO·Al2O3·6SiO2，其n值为(　　)
A．1 B．2 C．3 D．4
规律　将硅酸盐改写时，各氧化物按如下顺序书写：按金属的活泼性顺序写出各氧化物→二氧化硅→H2O；改写过程中应遵守元素守恒。
练综合拓展
6．在下图所示的物质相互转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色不溶于水的物质。据此填空。
(1)写出各物质的化学式：
A：______、B：______、C：__________、D：__________、E：____________、F：______。
(2)B与a溶液反应的离子方程式是_________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)A与a溶液反应的离子方程式是________________________________________
________________________________________________________________________。
7．某科研小组，用含有少量的CaO和Fe2O3的高岭土(主要成分：Al2O3·2SiO2·2H2O)试验新型的净水剂。试验程序如下：
已知：Al2O3与纯碱反应的产物是Na[Al(OH)4]和CO2。试回答下列问题：
(1)写出混合物A、B、滤液C、沉淀D的主要成分：
A．___________；B.___________；C._____________；D.__________。
(2)写出高岭土与纯碱熔融的两个化学方程式______________________________，______________________________________。
(3)沉淀D的化学式是________，生成该沉淀的离子方程式为__________。
(4)该试验中，熔融高岭土可以选用的坩埚有______。
A．玻璃坩埚 B．瓷坩埚
C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚
第2课时　硅酸盐与无机非金属材料
基础落实
一、
1．硅、氧和金属
2．不溶　稳定
3．Na2O·SiO2　K2O·Al2O3·6SiO2
4．水玻璃　硅胶　木材防火剂
二、
1．(1)①纯碱(Na2CO3)　石灰石(CaCO3)　石英(SiO2)　②玻璃熔炉　③CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑　Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑　④Na2SiO3　CaSiO3　SiO2　(2)①石灰石　黏土　②硅酸三钙　硅酸二钙　铝酸三钙　③水硬性　(3)①黏土　硅酸盐　②吸水性　纯度较高　较高　致密　不吸水　酸碱侵蚀
2．(1)高温结构　(2)生物　(3)压电
对点训练
1．C
2．B　[依据在化合物中正、负化合价的代数和为零，代入数值验证即可。]
3．B　4.B
5．B　[对新情境、新材料的信息题，关键是对信息的解读，弄清材料的性质、特点，再结合所学知识解答。航空材料的特点是轻质、高强度、高可靠性，故A正确，B错；复合材料属于混合物，没有固定的熔点，碳化硅陶瓷、碳纤维复合而成的材料属于新型无机非金属材料，C、D正确。]
6．(1)　Si3N4
(2)Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
(3)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl
解析　由N显－3价，Si显＋4价，可写出氮化硅的化学式为Si3N4；联想SiO2与HF的反应，可知该陶瓷与HF反应可生成SiF4，另外H和N结合成NH3。SiCl4和N2在H2气氛中反应，除生成Si3N4外还有HCl。
课后作业
练基础落实
1．D　[Na2SiO3的水溶液叫水玻璃，是一种矿物胶，通常用作耐火材料，硅酸的酸性比碳酸弱，所以在空气中易变质生成硅酸：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，故D不正确。]
2．A　[刚玉的成分是Al2O3，金刚石的成分是C；大理石、石灰石的成分均是CaCO3；普通玻璃和普通水泥均是硅酸盐产品；沙子、石英的成分是二氧化硅。]
3．C
4．C　[C项由于SiO2既不溶于水也不与水反应，故不能一步实现。]
练方法技巧
5．C　[据氧原子守恒得：
18＝n＋3＋6×2解得n＝3。]
练综合拓展
6．(1)Si　SiO2　Na2SiO3　H2O　H2SiO3　H2
(2)SiO2＋2OH－===SiO＋H2O　(3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑
解析　本题“突破口”是C中加入过量HCl产生不溶于盐酸的白色沉淀，推知E可能是硅酸。A可能是Si，代入题目验证，B为SiO2，能与Si和SiO2反应的溶液可能为HF溶液或NaOH溶液，结合题目知a溶液为NaOH溶液，C为Na2SiO3，D为H2O，F为H2。
7．(1)Na[Al(OH)4]和Na2SiO3　AlCl3和H2SiO3
AlCl3　H2SiO3
(2)Al2O3＋Na2CO3高温,2NaAlO2＋CO2↑
SiO2＋Na2CO3高温,Na2SiO3＋CO2↑
(3)H2SiO3　SiO＋2H＋===H2SiO3↓
(4)D
解析　将土样和纯碱混匀，加热熔融时，土样中的Al2O3和SiO2将与纯碱发生反应，生成偏铝酸盐和硅酸盐，并溶于水中；而CaO、Fe2O3不与纯碱反应而成为残渣。滤液中的偏铝酸盐和硅酸盐与盐酸反应，得到溶于水的铝盐和不溶于水的硅酸。由于陶瓷的成分是硅酸盐，它和氧化铝都会与纯碱反应，因此，在熔融土样时只能选用铁坩埚。