鲁科版化学必修一第4章第一节硅

化学必修一 HUAXUEBIXIUYI 第四章第一节 硅 无机非金属材料 一、单质硅与半导体材料 1、单质硅 （1 )硅的存在 硅在地壳中的含量仅次于氧，居第二位。自然界中无单质硅，硅元素全部以化合态存在，如 二氧化硅、硅酸盐等，它们广泛存在于地壳的各种矿物和岩石里。化合态的硅是构成 矿物和岩石的主要成分。 一、单质硅与半导体材料 1、单质硅 （2 )硅的性质 ①硅的物理性质 单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，它的晶体 结构类似于金刚石，熔点、沸点都很高，硬度较大。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间。 注意说明 从碳原子和硅原子的结构示意图可以看出，碳、硅两种原子的最外层都有4个电子，因此其原 子既不易失去电子又不易得到电子，主要形成+4价的化合物；晶体硅的空间结构跟金刚石相似， 都是正四面体形的空间网状结构，因此晶体硅和金刚石在物理性质上有相似之处，如硬度很大、 熔沸点很高等。 ②硅的化学性质 硅作为一种非金属，跟其他非金属在性质上具有相似之处，但硅在结构上与其他非金属有差异， 其性质必然有不同的地方。 a.稳定性：在常温下，硅的化学性质不活泼，不易与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等发生反应，但易 与F2 、HF和强碱反应。 Si+2F2 ===SiF4 Si+4HF ===SiF4↑ +2H2↑ Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑ 注意说明 硅能与氢氟酸反应是硅的特性，其他常见非金属单质不具备此性质。 b.还原性：在加热或高温条件下，纯硅能与某些非金属单质如氧气、氯气等发生反应。 Si+ O2 === SiO2（加热时研细的硅能在氧气中燃烧，放出大量的热) Si + 2Cl2 === SiCl4 (SiCl4有挥发性) Si+2H2 === SiH4 (SiH4很不稳定，在空气中能自燃） △ 高温 高温 （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， 可以得到做半导体材料的高纯硅。 有关反应的化学方程式如下： 制粗硅: SiO2 +2C===Si+2CO↑ 制高纯硅：Si+2Cl2 === SiCl4 SiCl4 +2H2 === Si +4HCl 高温 高温 △ 注意说明 ①硅的还原性比碳强，但碳在高温下却能从二氧化硅中还 原出硅：SiO2 +2C===Si+2CO↑。这是由于CO是气体， 生成后离开反应体系，使反应能向右进行到底。 ②粗硅首先和Cl2反应生成SiCl4，SiCl4有挥发性，挥发出来 的SiCl4和H2反应生成Si和HCl气体。 高温 （4 ) 硅的用途 ① 用作半导体材料，制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件。 ② 制合金，如含硅4%的钢可制造变压器的铁芯，含硅15%的钢可制造耐酸设备等。 ③ 制造光电池，将光能直接转化为电能。 集成电路 变压器的铁芯 光电池 2、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，是信息材料之一，能高速处理 信息。半导体材料的内部结构一般是晶体结构，因此半导体管也称晶体管，它是发展半导体 电子技术的基础。最早使用的半导体材料是锗(Ge),现在最广泛使用的半导体材料是硅。 知识延伸：硅能够成为一种重要的半导体材料，并被广泛应用，主要是具备两个条件：一是在地 壳中的含量高，储量丰富；二是提炼容易，工艺简单。锗不能被广泛应用的原因是锗在地壳中的 含量低，提炼工艺复杂。硅可作计算机的芯片等重要部件，是因为硅的性质非常稳定。 【多选】下列有关硅的叙述中，正确的是（） A.硅只有在高温下才能跟氢气发生化合反应 B.硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位 C.硅的化学性质不活泼，在常温下不与任何物质反应 D.硅在电子工业中，是最重要的半导体材料 【多选】下列有关硅的叙述中，正确的是（AD） A.硅只有在高温下才能跟氢气发生化合反应 B.硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位 C.硅的化学性质不活泼，在常温下不与任何物质反应 D.硅在电子工业中，是最重要的半导体材料 2、有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍 使用的新型能源被开发利用，下列关于其有利因素的说法中，你认为不妥的是(） A.便于运输、储存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料 B.自然界的含硅化合物易开采 C.硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度 低，容易有效控制 D.自然界中存在大量单质硅 2、有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍 使用的新型能源被开发利用，下列关于其有利因素的说法中，你认为不妥的是(D） A.便于运输、储存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料 B.自然界的含硅化合物易开采 C.硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度 低，容易有效控制 D.自然界中存在大量单质硅 二、二氧化硅与光导纤维 1、二氧化硅的存在 二氧化硅广泛存在于自然界中，天然的二氧化硅叫作硅石。石英的主要成分为二氧化硅晶体， 透明的石英晶体叫作水晶，含有有色杂质的石英晶体叫作玛瑙。另外，二氧化硅也是构成岩 石的重要成分。 硅石 水晶 玛瑙 2、二氧化硅的结构 二氧化硅是由硅原子和氧原子直接构成的。一个硅原子与四个氧原子形成四个共价键，即每一个硅原子 结合四个氧原子，同时，每个氧原子与两个硅原子结合。二氧化硅晶体中硅原子和氧原子按1：2的原子 个数之比组成立体网状的晶体，其平面示意图和立体网状结构如图4-1-1所示。 易错点津 二氧化硅晶体中硅原子和氧原子是按1：2的原子个数 之比组成立体网状结构的，所以二氧化硅晶体的化学 式为SiO2，但要注意晶体中不存在“SiO2分子”1mol SiO2晶体中含4molSi-0键。 3、二氧化硅的物理性质 纯净的二氧化硅晶体是无色透明的，熔点、沸点高，硬度、密度大，不溶于水，也不溶于其 他一般的溶剂。 易错点津 物质的结构决定物质的性质，具有相似结构的物质，其物理性质也大致相同。研究物质的性质 时可以先从其结构入手来讨论。 4、二氧化硅的化学性质 （1）二氧化硅是一种酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性 ①二氧化硅在常温时可以与碱溶液缓慢反应生成盐和水： SiO2 +2NaOH===Na2SiO3 + H2O(Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃） ②二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反应： SiO2 + CaO === CaSiO3 ③二氧化硅在高温下可与某些盐反应： SiO2+Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2 ↑ SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 + CO2 ↑ 高温 高温 高温 知识延伸 SiO2是玻璃的主要成分之一，玻璃塞磨口处的 SiO2会与NaOH溶液反应生成Na2SiO3 ， Na2SiO3是一种 无机矿物胶，会将试剂瓶口和瓶塞黏结在一起，使试剂瓶 无法打开，故盛NaOH溶液的试剂瓶必须用橡胶塞。 （2）二氧化硅的特性 ① SiO2不溶于水，也不与水反应。 ②二氧化硅在常温下与氢氟酸反应： SiO2 + 4HF===SiF4↑+2H2O ③二氧化硅中的硅为+4价，具有弱的氧化性： SiO2 +2C=== Si + 2CO ↑ SiO2 + 2Mg === Si +2MgO 高温 高温 注意说明 未经磨砂处理的玻璃，在常温下是不能被强碱腐蚀的，但无论是磨砂玻璃还是非磨砂玻璃，都极 易被氢氟酸腐蚀。 5、二氧化硅的用途 制造玻璃、电子部件、光学仪器、建筑材料、高级工艺品等。 6、光导纤维 ( 1）光导纤维，简称“光纤”，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃 细丝。 （2）光纤通信的优点：信息容量大；抗干扰性能好，不发生电辐射，通信质量高，能防窃听； 光缆质量小而且细，不怕腐蚀，铺设方便；光纤通信损耗低，适合远距离信息传输。 （3 )用途：除用于通信外，还可用于能量传输、信息处理、传能传像、遥测遥控、医疗器械制 造等方面。 三、硅酸盐与无机非金属材料 1、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，约占地壳中 岩石的5%。黏土的主要成分也是硅酸盐。黏土的种类很多，常见的有高岭土和一般黏 土，前者含杂质较少，后者含杂质较多。 硅酸盐 地壳中岩石 黏土 高岭土：杂质较少 一般黏土：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：CaSiO3 ②氧化物法：对于组成复杂的硅酸盐，可用氧化物的形式表示。一般模式为较活泼金属氧化物·较 不活泼金属氧化物·二氧化硅·水(没有水就不写)。如： 镁橄榄石(Mg2SiO4）【原硅酸镁 】2MgO·SiO2 高岭石[Al2(Si2O5)(OH)4] Al2O3 · 2SiO2·2H2O 钾长石(KAlSi3O8) K2O · Al2O3 · 6SiO2 （3 )硅酸盐制品的性质特点 除Na2SiO3、K2SiO3 ，(NH4)2SiO3 ，等少数硅酸盐易溶于水外，大多数硅酸盐都难溶于 水。硅酸盐制品性质稳定，耐压强度高、硬度大、熔点较高，热稳定性高。 （4 )硅酸钠（ Na2SiO3） ①物理性质：硅酸钠是白色固体，易溶于水，其水溶液是一种无色黏稠状的液体，俗称水玻璃，黏 性很强，是一种矿物胶。 ②化学性质：硅酸钠的化学性质稳定，不能燃烧，不易腐蚀，热稳定性强，但能与比硅酸酸性强的 一些酸反应，生成难溶于水的硅酸： Na2SiO3 + H2O+CO2 =H2SiO3(胶体)+Na2CO3（强酸制弱酸） ③用途：水玻璃可用作建筑、纸张的黏合剂（黏性很强），木材、织物的防腐剂（不易腐蚀）、防 火剂（不能燃烧）等。 2、无机非金属材料简介 (1)无机非金属材料是以某些元素的氧化物（ K2O ）、碳化物（CCl4）、氮化物（NH3）、硼化物、 硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐（ Na2SiO3 ）、钛酸盐（ CaTiO3 ）、铝酸盐、 磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、塘瓷以及新型无机非 金属材料等。由硅酸盐组成的材料属于典型的无机非金属材料。 陶瓷 玻璃 水泥 塘瓷 2、无机非金属材料简介 （2）无机非金属材料的分类 通常把无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类，水泥、玻璃、陶瓷等 传统无机非金属材料是工业和基础建设所必需的基础材料。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发 展起来的，是具有特殊性能和用途的材料，它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造等不可缺 少的物质基础。主要有高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷、非晶态材料、无机纤维等。 （3）无机非金属材料的优点 无机非金属材料一般具有性质稳定、抗腐蚀、耐高温、硬度高等优点，一些新型无机非 金属材料还有强度高，具有电学、光学特性和生物功能等特性。 3、重要的普通硅酸盐产品 以含硅物质为材料经加热制成的产品，称为硅酸盐材料.常生活中经常接触的硅酸盐材料 有水泥、玻璃、陶瓷。 （1）传统无机非金属材料 水泥 玻璃 陶瓷 主要原料 粘土、石灰石（CaCO3） 纯碱（Na2CO3）、石灰石、石英（SiO2 ） 粘土 生产过程及 主要反应 原料→生料→熟料→成品 原料→按比例混合→熔化→成型 Na2CO3+SiO2 ===Na2SiO3+CO2 ↑ SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 + CO2 ↑ 混合→成型→干燥→烧 结→冷却 主要成分及 种类 硅酸二钙（2CaO·SiO2 ） 硅酸三钙（3CaO·SiO2 ） 铝酸三钙（3CaO·Al2O3 ） Na2SiO3、CaSiO3 、SiO2 种类有普通玻璃、铅玻璃、有色玻璃等 种类有土器、陶器、瓷 器 主要性质 水硬性（无论在水中还是 在空气中均能硬化) 玻璃是混合物，无固定熔、沸点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、 耐高温、 绝缘、易成型 典型设备 水泥回转窑 玻璃窑 —— 共同特点 高温条件下发生复杂的物理、化学变化，冷却后形成成分复杂的硅酸盐 磨细 煅烧 石膏粉 粉碎 强热 添加剂 高温 高温 注意说明 硅酸盐材料生产的特点：①用含硅的物质做原料；②反应条件是高温；③反应原理复杂，发生 复杂的物理、化学变化；④生成物是硅酸盐。 （2）新型无机非金属材料 类别 示例 特性 用途 高温 结构 陶瓷 氮化硅陶瓷（Si3N4） 硬度高、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、电绝 缘性好 汽轮机叶片、轴承、发动机 部件、永久性模具 碳化硅陶瓷（SiC） 硬度仅次于金刚石，耐高温，且在室温下 能导电 电热元件 生物 陶瓷 氧化铝陶瓷 （Al₂O₃） 氧化锆陶瓷（ZrO2） 强度高、耐磨、无毒、不溶于水、对人体 组织有较好的适应性，可直接植入人体 人造牙齿、人造骨骼 压电 陶瓷 钛酸钡陶瓷 （BaTiO3） 钛酸铅陶瓷 （ PbTiO3） 可将极其微弱的机械振动转换成信号 声呐系统、气象探测、遥测 环境保护、家用电器、压电 地震仪 拓展点1、SiO2 与CO2化学性质的比较 (1) SiO2与CO2化学性质的比较 CO2 SiO2 与碱性氧化 物反应 CaO+CO2===CaCO3 CaO+SiO2===CaSiO3 与碱液反应 2NaOH +CO2===Na2CO3+H2O SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O 与盐反应 Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3(胶体） Ca(ClO)2+CO2+H2O===CaCO3↓+2HClO SiO2+CaCO3===CaSiO3+CO2↑ Na2CO3+SiO2 ===Na2SiO3+CO2 ↑ 与碳反应 C+CO2===2CO 2C+SiO2===Si+2CO↑ 与H2O作用 CO2+H2O===H2CO3 不反应 与酸反应 不反应 只与HF反应： SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O 高温 高温 高温 高温 高温 （2 )对Na2CO3与SiO2 、 Na2SiO3与CO2反应的理解 对两个反应应从不同角度来理解，把CO2气体通入Na2SiO3溶液中，由于H2SiO3的酸性比H 2CO3 的 酸性弱，且硅酸的溶解度很小，因而促进了反应Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3(胶体） 的进行，此反应是在溶液中进行的复分解反应，符合强酸制弱酸的规律。 而反应Na2CO3+SiO2 ===Na2SiO3+CO2 ↑是在高温条件下进行的，且高温下生成的CO2气体挥发， 促进了反应的进行，它符合在高温下由不挥发性的酸酐制挥发性酸酐的反应规律。 高温 拓展点2、 H2SiO3与H4SiO4化学性质的比较 （1 )硅酸 ①制备： SiO2是硅酸的酸酐，但SiO2不溶于水，所以不能用SiO2与水直接反应制得H2SiO3 ，只能用可溶性硅酸盐与酸反应制得。如Na2SiO3 + 2HCl===2NaCl+ H2SiO3 (胶体），离 子 方程式为SiO3 2-+2H+== H2SiO3 (胶体）。 ②性质： a.硅酸为白色粉末状固体，不溶于水，其酸性比碳酸弱（也可由硅的非金属性比碳弱推出）， 其化学式为H2SiO3 。 b. H2SiO3在加热条件下失水： H2SiO3 === H2O+ SiO2 ； H2SiO3能溶于NaOH等强碱溶液： H2SiO3 + 2NaOH === Na2SiO3 + 2H2O △ （2 )原硅酸 将较强酸溶液（或CO2气体）加入（通入）可溶性硅酸盐溶液中，即生成白色胶状的原硅酸（ H4SiO4)。原硅酸几乎不溶于水，是弱酸，不稳定。这种白色胶状物在空气里放置一段时 间后，会失水变成硅酸，反应方程式为H4SiO4 === H2SiO3 +H2O。所以， H2SiO3比 H4SiO4稳定。 注意说明 ①实验室里的Na2SiO3 ，溶液要严格密封保存，因为Na2SiO3溶液露置于空气中时，易吸收空气中的 CO2和H2O生成H2SiO3 ，而使Na2SiO3变质。像这样的试剂还有NaOH等碱性溶液。 ②有关化学试剂在实验室中的保存问题，要分析试剂与容器的关系、试剂与空气的关系、试剂与光 的关系、试剂与安全性的关系等，在此基础上筛选、归纳，得出答案。硅酸和原硅酸的酸酐都是二 氧化硅。 拓展点3、硅及其化合物的特性 （1 )对硅的特性的理解 ①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si: SiO2 + C===Si +2CO ↑ 该反应是氧化还原反应，二氧化硅是氧化剂，碳是还原剂；该反应又是典型的同族非金属元素 之间的置换反应。 ②非金属单质跟强碱溶液作用一般无H2放出，但Si却放出H2 : Si+2NaOH+H2O=== Na2SiO3 + 2H2↑ 在此反应中，硅是还原剂，水是氧化剂。 高温 ③非金属单质一般不与非氧化性酸作用，但Si能与HF作用： Si+4HF=== SiF4↑ +2H2 ↑ （2 )对硅的化合物特性的探究 ① SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接用它与水反应制备H2SiO3 。 ②非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的却很高。 ③酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用： SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O ④无机酸一般易溶于水， H2SiO3却难溶于水。 ⑤在Na2SiO3溶液中通入少量的CO2发生反应： Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3(胶体） 若CO2过量则发生反应： Na2SiO3+2CO2+2H2O === H2SiO3(胶体） +2NaHCO3 但在高温下发生反应： Na2CO3 +SiO2 === Na2SiO3 + CO2 ↑（不挥发的酸酐制挥发性酸酐） ⑥ Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同； Na2SiO3固体俗称泡花碱，但 它却是盐，并不是碱。 高温