《無機(jī)非金屬材料》傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料——硅酸鹽材料CHUANTONGWUJIFEIJINSHUCAILIAO——GUISUANYANCAILIAO011.硅酸鹽及其結(jié)構(gòu)(1)硅酸鹽的概念硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。它們種類繁多、組成各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在自然界中廣泛存在。(2)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)知識(shí)梳理在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體，其結(jié)構(gòu)如圖所示。每個(gè)Si結(jié)合

個(gè)O，Si在中心，O在四面體的4個(gè)頂角；許多這樣的四面體還可以通過頂角的

相互連接，每個(gè)

為兩個(gè)四面體所共有，與

個(gè)Si相結(jié)合。4OO2(3)硅酸鹽的特性硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)。2.常見的硅酸鹽材料

陶瓷普通玻璃普通水泥原料_______________________________________________________主要原料：_____________輔助原料：適量的石膏設(shè)備—__________________主要成分成分復(fù)雜硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)黏土純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)石灰石、黏土玻璃窯水泥回轉(zhuǎn)窯特點(diǎn)抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣玻璃是非晶體，稱為玻璃態(tài)物質(zhì)，無固定熔點(diǎn)，在某一溫度范圍內(nèi)軟化可加工成制品具有水硬性，與水摻和攪拌并靜置后，很容易凝固變硬用途建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿、制造玻璃纖維大量用于建筑和水利工程(1)硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的混合物(

)(2)硅酸鹽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，大多不溶于水，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定(

)(3)硅氧四面體中，硅原子與氧原子都是以共價(jià)鍵結(jié)合(

)(4)水泥與玻璃的共同原料是石灰石，水泥與陶瓷的共同原料是黏土(

)(5)陶瓷、玻璃、水泥的生產(chǎn)都需要在高溫下進(jìn)行(

)(6)玻璃和水泥生產(chǎn)中都發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化(

)判斷正誤×√√√√√1.傳統(tǒng)的玻璃、陶瓷都是硅酸鹽產(chǎn)品，根據(jù)你的觀察和使用經(jīng)驗(yàn)，將它們的主要物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)填入下表。理解應(yīng)用材料物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)玻璃

陶瓷

硬度大、耐磨損、耐高溫、較脆很穩(wěn)定硬度大、耐磨損、耐高溫很穩(wěn)定2.硅酸鈉(俗名泡花堿)是一種最簡(jiǎn)單的硅酸鹽。(1)硅酸鈉易溶于水，其水溶液俗稱

，具有

強(qiáng)、耐

等特性，常用作黏合劑和防火劑。水玻璃黏結(jié)力高溫(2)硅酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其離子方程式是

。(3)少量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中，反應(yīng)的離子方程式是

。2H＋===H2SiO3↓H2O===H2SiO3↓＋CO相關(guān)鏈接硅酸鹽的豐富性和多樣性由于鋁與硅在元素周期表中位置相鄰、粒子大小相近，＋3價(jià)的鋁?；蚨嗷蛏俚刂脫Q硅酸鹽中＋4價(jià)的硅而形成鋁硅酸鹽。為了保持電中性，會(huì)伴隨引入其他正離子，從而大大增加了硅酸鹽品種的多樣性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)也為應(yīng)用硅酸鹽材料提供了更廣闊的選擇。硅酸鹽巖石長(zhǎng)期在水和大氣中二氧化碳的侵蝕下，風(fēng)化為黏土，并且形成土壤膠體。土壤膠體粒子表面積巨大且?guī)ж?fù)電，能與NH、K＋等數(shù)十種生物所需的營(yíng)養(yǎng)離子相互作用，使土壤具有保肥能力。這是大自然對(duì)人類及地球生物的饋贈(zèng)，我們應(yīng)該愛護(hù)大地母親。保持土壤的良好結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，就是保證農(nóng)業(yè)、牧業(yè)和林業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。解析普通玻璃主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。1.下列關(guān)于硅酸鹽材料的說法錯(cuò)誤的是A.生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為主要原料跟蹤強(qiáng)化123√2.下列關(guān)于水玻璃的性質(zhì)和用途的敘述中不正確的是A.這是一種礦物膠，既不燃燒也不受腐蝕B.在建筑工業(yè)上可以作黏合劑、耐酸水泥摻料C.木材、織物浸過水玻璃后具有防腐性能且不易燃燒D.水玻璃的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中不易變質(zhì)解析水玻璃為硅酸鈉溶液，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但可與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成硅酸沉淀。123√3.某博物館陳列著大量明清磚瓦和精美瓷器(婺州窯)，婺州窯瓷器胎體的原料為高嶺土[AlnSi2O5(OH)4]。下列說法不正確的是A.古代的陶瓷、磚瓦都是硅酸鹽產(chǎn)品B.高嶺土為含水的鋁硅酸鹽C.n＝3D.我國(guó)在新石器時(shí)代已能燒制陶器解析根據(jù)化合物中正負(fù)化合價(jià)代數(shù)和為0的規(guī)則：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。123√返回02新型無機(jī)非金屬材料XINXINGWUJIFEIJINSHUCAILIAO1.硅和二氧化硅(1)硅的存在與性質(zhì)①硅在自然界主要以

和

的形式存在；②單質(zhì)硅是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料；③高溫下，硅能與氧氣反應(yīng)生成

，與氯氣反應(yīng)生成

。(2)二氧化硅的性質(zhì)①二氧化硅硬度大、熔點(diǎn)高，不溶于水；②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH===

；③具有氧化性：SiO2＋2C

；④特性：SiO2＋4HF===

。知識(shí)梳理硅酸鹽氧化物SiO2SiCl4Na2SiO3＋H2OSi＋2CO↑SiF4↑＋2H2O2.新型陶瓷(1)新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷相比，在

上有很大的變化，在

等方面具有很多新的特性和功能。(2)常見新型陶瓷及其用途(連線)成分光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)(3)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷——碳化硅(SiC)碳化硅俗稱

，它是由碳原子和硅原子通過

連接而形成，與

的結(jié)構(gòu)類似，具有硬度大和優(yōu)異的

性能。金剛砂共價(jià)鍵金剛石高溫抗氧化3.碳納米材料(1)富勒烯是由

構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是

。(2)碳納米管是由

卷成的管狀物，具有

尺度的直徑。比表面積大，具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能。(3)石墨烯是只有一個(gè)

直徑厚度的單層石墨，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度。碳原子C60石墨片層納米碳原子特別提示碳納米材料(富勒烯、石墨烯等)、金剛石、石墨都是碳的同素異形體，它們具有不同的結(jié)構(gòu)(碳原子排列方式不同)和性質(zhì)。(1)硅晶片是生產(chǎn)芯片的基礎(chǔ)材料(

)(2)生產(chǎn)光導(dǎo)纖維的原料是二氧化硅(

)(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能與堿反應(yīng)，不能與酸反應(yīng)(

)(4)磨口玻璃塞試劑瓶不能盛放燒堿溶液，但能盛放氫氟酸(

)(5)金剛砂和金剛石結(jié)構(gòu)類似，互為同素異形體(

)(6)富勒烯和石墨烯完全燃燒的產(chǎn)物都是二氧化碳(

)判斷正誤√√×××√1.工業(yè)制備高純硅的原理如圖所示：深度思考(1)寫出工業(yè)制備高純硅反應(yīng)的化學(xué)方程式：①

；②

；③

。(2)上述反應(yīng)共同的反應(yīng)類型是

，反應(yīng)①中焦炭的作用是

，反應(yīng)③中氫氣的作用是

。(3)在半導(dǎo)體工業(yè)中有這樣一句行話：“從沙灘到用戶”，你是如何理解的？氧化還原反應(yīng)(或置換反應(yīng))還原劑還原劑提示沙子的主要成分是SiO2，作為半導(dǎo)體材料的硅單質(zhì)是用焦炭還原SiO2制得的。2.回答下列問題。(1)碳和硅的原子結(jié)構(gòu)有何異同？從二者在元素周期表中的位置能獲得什么信息？提示原子的最外層電子數(shù)相同，電子層數(shù)不同。不在同一周期，位于同一族。從二者在周期表中的位置可知碳的非金屬性強(qiáng)于硅。(2)碳和硅單質(zhì)的存在形式有何相似之處？其性質(zhì)有何不同？提示

單質(zhì)都有晶體和無定形兩種。硅晶體是良好的半導(dǎo)體材料，而石墨是良導(dǎo)體，金剛石、C60不導(dǎo)電。(3)碳和硅的氧化物有何異同？提示硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2兩種。SiO2、CO2均屬于酸性氧化物，CO屬于不成鹽氧化物。SiO2為固態(tài)，存在于地表及地殼中；CO2、CO為氣態(tài)，存在于大氣中；SiO2的性質(zhì)比CO2更穩(wěn)定等。3.氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1300℃時(shí)反應(yīng)獲得。(1)根據(jù)性質(zhì)，推測(cè)氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。A.制汽輪機(jī)葉片 B.制有色金屬C.制永久性模具 D.制造柴油機(jī)(2)寫出氮原子結(jié)構(gòu)示意圖________，根據(jù)元素周期律知識(shí)，請(qǐng)寫出氮化硅的化學(xué)式______。ACDSi3N4(3)氮化硅陶瓷抗腐蝕能力強(qiáng)，除氫氟酸外，它不與其他無機(jī)酸反應(yīng)，試推測(cè)該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學(xué)方程式：______________________________。(4)現(xiàn)用四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥毡Ｗo(hù)下，加強(qiáng)熱發(fā)生反應(yīng)，可得較高純度的氮化硅，反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________________。Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl相關(guān)鏈接近幾年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速發(fā)展。例如硅與碳的化合物碳化硅(SiC，俗稱金剛砂)，具有金剛石結(jié)構(gòu)，硬度很大，可用作砂紙、砂輪的磨料；含4%硅的硅鋼具有很高的導(dǎo)磁性，主要用作變壓器鐵芯；人工合成的硅橡膠是目前最好的既耐高溫又耐低溫的橡膠，在－60～250℃仍能保持良好的彈性，用于制造火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)的零件和絕緣材料等；人工制造的分子篩(一種具有均勻微孔結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽)，主要用作吸附劑和催化劑；等等。1.下列物品或設(shè)備的成分中含有二氧化硅的是①門窗玻璃②水晶鏡片③石英鐘表④瑪瑙首飾⑤硅太陽能電池⑥光導(dǎo)纖維⑦計(jì)算機(jī)芯片A.①②③④⑥

B.全部C.⑤⑦

D.①②⑥⑦123跟蹤強(qiáng)化解析玻璃、石英、水晶、瑪瑙和光導(dǎo)纖維的成分中都含有二氧化硅，計(jì)算機(jī)芯片、硅太陽能電池的主要成分是單質(zhì)硅?！?.(2018·三門峽高一期末)高純度晶硅是典型的無機(jī)非金屬材料，又稱“半導(dǎo)體”材料。它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計(jì)算機(jī)的一場(chǎng)“革命”。它可以按下列方法制備：123下列說法不正確的是A.步驟①的化學(xué)方程式：SiO2＋CSi＋CO2↑B.步驟①中每生成1molSi，轉(zhuǎn)移4mol電子C.步驟③中的反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)D.高純硅是制造太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導(dǎo)纖維的基本原料√3.下列物質(zhì)與其對(duì)應(yīng)的用途搭配不正確的是A.高能燃料——火箭動(dòng)力B.石英砂——制造光導(dǎo)纖維C.半導(dǎo)體硅晶片——制造計(jì)算機(jī)芯片D.高強(qiáng)度耐火陶瓷——制造輪船√123解析制造輪船材料為鋼鐵，不能選用高強(qiáng)度耐火陶瓷。返回任務(wù)一晶體硅的制備【問題探究】中國(guó)5G芯片崛起,技術(shù)再獲新突破,成為全球5G市場(chǎng)巨頭。(1)光導(dǎo)纖維的主要成分是什么?利用光導(dǎo)纖維傳輸信號(hào)是利用了其導(dǎo)電性嗎?5G芯片的主要成分是什么?提示

光導(dǎo)纖維的主要成分是SiO2;SiO2不具有導(dǎo)電性,利用光導(dǎo)纖維傳輸信號(hào)是利用了其對(duì)光的全反射現(xiàn)象;5G芯片的主要成分是高純硅。(2)工業(yè)上可以通過如圖所示的流程制取純硅:②整個(gè)制備過程中必須嚴(yán)格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì),寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。提示

SiHCl3+3H2O===H2SiO3↓+3HCl+H2↑?！旧罨卣埂?.硅的制備與提純2.硅及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系【素能應(yīng)用】典例在無機(jī)非金屬材料中,硅一直扮演著主要的角色。制備純硅的主要步驟如下:①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅;②粗硅與干燥的HCl氣體反應(yīng)制得SiHCl3:Si+3HClSiHCl3+H2;③SiHCl3與過量H2在1100℃反應(yīng)制得純硅。請(qǐng)回答下列問題:(1)第①步制備粗硅反應(yīng)的化學(xué)方程式為

。

(2)粗硅與HCl反應(yīng)完全后,經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點(diǎn)33.0℃)中含有少量SiCl4(沸點(diǎn)57.6℃)和HCl(沸點(diǎn)-84.7℃),提純SiHCl3采用的方法為

。

(3)從基本反應(yīng)類型角度分類,步驟③中發(fā)生的反應(yīng)屬于

。

(4)為鑒定產(chǎn)品硅中是否含微量鐵單質(zhì),將試樣用稀鹽酸溶解,取上層清液后需再加入的試劑是

(填字母)。

A.氯水

B.NaOH溶液C.KSCN溶液 D.Na2SO3溶液答案

(1)SiO2+2CSi+2CO↑(2)蒸餾(或分餾)

(3)置換反應(yīng)(4)AC解析

(1)高溫下用碳還原二氧化硅可制得粗硅,同時(shí)生成一氧化碳。(2)分離沸點(diǎn)不同的液體應(yīng)用蒸餾(或分餾)的方法。(3)步驟③中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiHCl3+H2

Si+3HCl,屬于置換反應(yīng)。(4)鑒定產(chǎn)品中是否含鐵單質(zhì),用稀鹽酸溶解后生成Fe2+,因含量少,應(yīng)將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+后再檢驗(yàn),故選AC?！咀兪皆O(shè)問】從元素化合價(jià)角度分析,上述步驟中,硅及含硅化合物發(fā)生了怎樣的變化?提示

步驟①中SiO2發(fā)生還原反應(yīng),步驟②中Si發(fā)生氧化反應(yīng),步驟③中SiHCl3發(fā)生還原反應(yīng)。變式訓(xùn)練已知:SiHCl3與過量H2在1100℃反應(yīng)制得高純硅,且SiHCl3能與水劇烈反應(yīng),在空氣中易自燃。用SiHCl3與過量H2反應(yīng)制備純硅的裝置如圖所示(熱源及夾持裝置均已略去):請(qǐng)回答下列問題:(1)裝置B中的試劑是

,裝置C中的燒瓶需要加熱,其目的是

。

(2)反應(yīng)一段時(shí)間后,裝置D中觀察到的現(xiàn)象是

,裝置D不能采用普通玻璃管的原因是

,裝置D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為

。

(3)為保證制備純硅實(shí)驗(yàn)的成功,操作的關(guān)鍵是檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性,控制好反應(yīng)溫度以及

。

答案

(1)濃硫酸使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化(2)有固體物質(zhì)生成在此反應(yīng)溫度下,普通玻璃會(huì)軟化SiHCl3+H2

Si+3HCl(3)排盡裝置中的空氣解析

用Zn、稀硫酸反應(yīng)制得的H2會(huì)混有少量H2O,而SiHCl3能與H2O發(fā)生劇烈反應(yīng),所以要進(jìn)行干燥,根據(jù)裝置應(yīng)選擇液態(tài)干燥劑濃硫酸。裝置C用水浴加熱,使SiHCl3汽化,再和H2進(jìn)入裝置D反應(yīng),因?yàn)镾iHCl3與H2在1

100

℃時(shí)反應(yīng),溫度很高,普通玻璃會(huì)軟化,因此不能使用普通玻璃管。因?yàn)镾iHCl3在空氣中易自燃,實(shí)驗(yàn)中還要注意先通一段時(shí)間的H2以排盡裝置中的空氣。

隨堂檢測(cè)1.(2021遼寧大連金州高級(jí)中學(xué)高一檢測(cè))《天工開物》記載:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,擇取無砂粘土而為之”,“凡坯既成,干燥之后,則堆積窖中燃薪舉火”,“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色),與造磚同法”。下列說法錯(cuò)誤的是(

)A.沙子和粘土主要成分為硅酸鹽B.“燃薪舉火”使粘土發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化C.燒制后自然冷卻成紅瓦,澆水冷卻成青瓦D.粘土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料答案

A解析

沙子的主要成分是SiO2,粘土的主要成分是硅酸鹽,A錯(cuò)誤;“燃薪舉火”燒制粘土,發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化,可制得磚、瓦等硅酸鹽產(chǎn)品,B正確;據(jù)“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色),與造磚同法”可知,燒制后澆水冷卻成青瓦,C正確;粘土是制造磚瓦、陶瓷的主要原料,在燒制過程中發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化,D正確。2.硅被譽(yù)為無機(jī)非金屬材料的主角。有科學(xué)家提出硅是“21世紀(jì)的能源”“未來的石油”。下列有關(guān)說法正確的是(

)A.硅的含量居第二位,在地球上有豐富的單質(zhì)硅資源,如石英、水晶、瑪瑙的主要成分都是單質(zhì)硅B.硅相對(duì)于氫氣而言便于運(yùn)輸、貯存,從安全角度考慮,硅是有開發(fā)價(jià)值的燃料C.存放NaOH溶液的試劑瓶能用玻璃塞D.硅是一種良好的半導(dǎo)