硅及无机非金属材料(1).doc

让更多的孩子得到更好的教育 专题十 第四讲 硅及无机非金属材料 2010新考纲测试目标和能力要求 1．了解社会发展和科技进步对无机非金属材料的要求。了解化学对无机非金属材料科学发展的促进作用。 2．了解无机非金属材料的特点，了解有关的生产原理。 4．了解我国现代无机非金属材料研究和非金属材料工业的发展情况。了解无机新非金属材料的发展方向。 知识体系和复习重点 一、硅及其化合物的性质释疑 （1）硅化学性质不活泼，但自然界中却没有游离态的硅，它以二氧化硅、硅酸盐等形式存在。 （2）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＋2CSi＋2CO↑；这是由于生成物CO是气体逸出的原因。工业上将Na和KCl的混合物升温至K的沸点以上Na的沸点以下，使K逸出制取K，原理与上相同。 （3）硅的亲氟性非金属单质一般不与弱氧化性酸反应，而硅不但能与氢氟酸反应，而且还有H2生成Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑。另如Si2F2SiF4 4HFSiO2SiF4↑2H2O （4）非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，而硅却不然Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑。 （5）虽然SiO2是硅酸的酸酐，但却不能用SiO2与水反应制备硅酸，而只能用可溶性硅酸盐跟酸作用来制备。Na2SiO3＋2HCl＝H2SiO3↓＋2NaCl （6）酸性氧化物一般不与酸反应（除氧化还原反应外），而二氧化硅却能与氢氟酸反应。 （7）无机酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸却难溶于水。 （8）反应Na2SiO3＋CO2＋2H2ONa2CO3＋H4SiO4↓、Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑能够进行，这是由于前者生成不溶于强酸的沉淀，后者生成气体逸出的缘故。 （9）非金属氧化物一般是分子晶体，而二氧化硅却是原子晶体。 （10）硅酸盐的水溶液俗称水玻璃，但它和玻璃的化学成分并不相同。硅酸钠也叫泡花碱，但它是盐而不是碱。 （11）Si的工业制法①制取粗硅含少量杂质的硅SiO2＋CSi＋2CO↑②粗硅提纯Si（粗）＋Cl2SiCl4 SiCl4＋2H2Si（纯）＋4HCl （12）在硅酸盐的氧化物表示式中，氧化物的排列顺序是金属氧化物SiO2H2O；当有多种金属氧化物时，活泼金属的氧化物写在前面。 二、硅酸盐工业简介 1．水泥普通水泥的主要成分是硅酸三钙3CaOSi02、硅酸二钙2CaOSi02和铝酸三钙3CaOA1203等。 2．玻璃玻璃有普通玻璃、石英玻璃、光学玻璃等等。玻璃没有固定的熔、沸点。 3．比较水泥和玻璃的生产方法见下表硅酸盐产品 4．陶瓷 1制造陶瓷的主要原料粘土。 2制造陶瓷的一般过程混合、成型、干燥、烧结、冷却、陶器 3陶瓷的种类根据原料、烧制温度划分土器、陶器、瓷器、炻器等。硅酸盐的组成可以用氧化物形式来表示例高岭石A12Si205OH4可表示为A12032Si022H20 三、新型无机非金属材料 1．无机非金属材料的分类 1传统无机非金属材料水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。 2新型无机非金属材料无机复合材料、生物陶瓷、人工晶体、超硬材料、高温结构陶瓷、光学材料、半导体陶瓷、导体陶瓷、瓷性材料。 2．新型无机非金属材料的特性 1耐高温、强度高（2）具有电学特性（3）具有光学特性（4）具有生物功能 3．高温结构陶瓷 1高温结构陶瓷的优点能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等。 2高温结构陶瓷的种类 ①氧化铝陶瓷又称人造刚玉，具有熔点很高、硬度高的优点。可用于作坩埚、高温炉管、球磨机、高压钠灯的灯管等。 ②氮化硅陶瓷具有硬度极高、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化能力等优点。可用于制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具、发动机部件等。 ③碳化硼陶瓷具有熔点高、硬度大的优点。广泛应用于工农业生产、原子能工业、宇航工业等。 4．光导纤维光纤 1光导纤维的特点传导光的能力非常强，抗干扰性能好，不发生电辐射等。 2光导纤维的应用通讯、医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等。 典例解析 例1． 对硅酸盐水泥的叙述不正确的是（） A、是硅酸盐、铝酸盐、石膏等物质的混合物 B、水泥沙浆又称混凝土 C、具有水硬性，在空气或水中都能硬化，硬化是化学变化过程。 D、水泥的热膨胀系数几乎跟钢铁一样 解析水泥的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙，可看作硅酸盐和铝酸盐，石膏是为了调节水泥硬化速度，水泥沙浆在建筑上用作粘合剂，混凝土是水泥、砂子和碎石按一定比率的混和物硬化后的产物，直接用于建造桥、房屋等建筑。水泥硬化的过程中石膏与水泥中的硅酸三钙、铝酸三钙起反应，生成凝胶状物质。答案为B。 例2．普通玻璃中含13的Na2O、11.7的CaO、75.3的SiO2，用氧化物的形式表示普通玻璃组成的化学式是 。 解析欲确定化学式，需知Na2O、CaO、SiO2三种氧化物物质的量之比。 因此，普通玻璃的化学式为Na2OCaOSiO2 例3、三硅酸镁被用来治疗胃酸过多的胃溃疡，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。把三硅酸镁Mg2Si3O8nH2O改写成氧化物的形式为__________ ，它中和胃酸（HCl）的化学方程式是___________________。 解析若直接写Mg2Si3O8nH2O与HCl（aq）的反应，则无从下手，先将Mg2Si3O8nH2O改写成氧化物形式2MgO3SiO2nH2O，再写与HCl（aq）的反应则较易。 答案2MgO3SiO2nH2O 2MgO3SiO2nH2O＋4HCl2MgCl2＋3SiO2＋（n＋2）H2O 例4、A、B是短周期元素的单质，甲、乙、丙、丁是仅含短周期元素的化合物，它们之间有下图所示的关系 试回答下列问题 （1）A是__________________，原因是_________________________。 （2）B是________，写出工业上由甲制A的化学方程式______________。 （3）写出各化合物的化学式甲______________、乙_______________、丙_____________、丁_____________。 解析单质A能与NaOH（aq）反应产生H2，在短周期元素的单质中只有Si和Al Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑ 2Al＋2NaOH＋2H2O＝2NaAlO2＋3H2↑ Na2SiO3和NaAlO2分别与过量HCl（aq）的反应为 Na2SiO3＋2HCl＋H2O＝H4SiO4↓＋2NaCl NaAlO2＋4HCl＝AlCl3＋NaCl＋2 H2O H4SiO4可失水生成SiO2，而AlCl3和NaCl皆不能H4SiO4SiO2＋2H2O 故A为Si，甲为SiO2，丙为H2O。 答案（1）Si 短周期元素的单质能与NaOH（aq）反应放出H2的只有Al和Si，但铝的氢氧化物溶于过量盐酸受热不发生分解反应 （2）O2 SiO2＋2CSi＋2CO （3）SiO2 Na2SiO3 H2O H4SiO4 例5、1996年诺贝尔化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。C60分子是形如球状的多面体（如图所示），该结构的建立基于以下考虑 ①C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键； ②C60分子只含有五边形和六边形； ③多面体的顶点数，面数和棱边数的关系，遵循欧拉定理 据上所述，可推知C60分子有12个五边形和20个六边形，C60分子所含双键数为30。请回答下列问题 （1）固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是__________，理由是__________。 （2）通过计算，确定C60分子所含单键数为__________。 （3）C70分子也已制得，它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知。通过计算确定C70分子中五边形数目为__________，六边形数目为__________。 解析 金刚石与C60互为同素异形体，前者属原子晶体、高熔点、高沸点、硬度大，后者则为分子晶体，因此，熔点较高者应为金刚石。 根据欧拉定律可列式60＋12＋20－键数＝2 键数＝90，因双键数为30，单键数则为60。 设C70分子中五边形数为x，六边形数为y，由题意可列式【共有70个C原子，每个C原子与其它3个C原子成键，每两个C原子间共用一个棱边（键），故有总键数（棱边数）】 （此式根据欧拉定律列出） 解之得 x＝12（五边形数） y＝25（六边形数） 答案（1）金刚石 （2）60 （3）12，25 点评此题起点较高，有一定的难度，将结构化学和立体几何学紧密结合在一起，关键在于如何将欧拉定律中的顶点、棱边等对应C60结构中C原子数、化学键数。一个C原子对应一个顶点，一个碳碳键对应一个棱边，图示一个顶点有3条棱，即一个C原子与3个C原子成键（包括单键、双键），尽管该题难度较大，但这种把化学概念抽象成数学问题，然后又利用数学工具解决化学问题的题型很难说不会重现在高考试题中。 专题预测与训练 一、选择题 １．下列哪些材料是新型无机材料（ ） ①氧化铝陶瓷 ②氮化硅陶瓷 ③碳化硅陶瓷 ④氮化铝陶瓷 ⑤氮化钛陶瓷 ⑥硅化硼陶瓷 ⑦二硅化铜陶瓷 Ａ．①②③ Ｂ．①③④⑤ Ｃ．①⑤⑥ Ｄ．全部都是 2．能正确表示下列反应的化学方程式是（ ） A．黄铁矿煅炼2FeS25O2FeO4SO2 B．石英与石灰石共熔SiO2CaOCaSiO3 C．氨的催化氧化4NH35O24NO6H2O D．氯气与石灰乳反应2Cl22CaOH 2CaCl2CaClO22H2O 3．下列表述正确的是（ ） ①人造刚玉熔点很高，可用作高级耐火材料，主要成分是二氧化硅 ②化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐 ③提前建成的三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料 ④夏天到了，游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛 ⑤太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能 A．①②③ B．②④C．③④⑤D．③⑤ 4．下列不符合当今化学研究方向的是（ ） A．发现新物质 B．合成新材料 C．研究化学反应的微观过程 D．研究化学反应中原子守恒关系 5．玻璃的主要成分之一是二氧化硅，能在玻璃上进行蚀刻，将其制成毛玻璃和雕花玻璃的 物质是（ ） A．烧碱 B．纯碱 C．氢氟酸 D．盐酸 6．我国及美国、日本等国家已研制出一种陶瓷柴油机。这种柴油机动机部件的受热面是由 一种耐高温且不易传热的材料制造的，这种材料是无机非金属材料中的（ ） A．氧化铝陶瓷 B．氮化硅陶瓷 C．光导纤维 D．玻璃钢 7．下列各材料属于新型无机非金属材料的是（ ） A．水泥 B．玻璃 C．氧化铝陶瓷 D．光导纤维 8．下列有关材料的说法不正确的是（ ） A．传统的无机材料虽有不少优点，但质脆，经不起热冲击 B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机材料的特点，但强度比较差。 C．高温结构材料具有耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D．新型无机非金属材料的特性之一是具有电化学特性 9．有关材料的用途不正确的是（ ） A．高温结构陶瓷可以制作耐酸设备B．氧化铝陶瓷不可以用于制作耐高温设备 C．氮化硅陶瓷可以制造轴承 D．光导纤维可用于传能传像、照明等 10．关于水泥的说法中错误的是（ ） A．制造水泥的生产属于硅酸盐工业 B．水泥是经过复杂的物理、化学变化后生成的一种化合物 C．水泥在水中或空气中均能硬化 D．水泥的生料和空气、煤粉在回转窑中是逆向操作 11．磷酸钙系陶瓷，也是一种新型无机非金属材料，它可用于制成人造骨骼，这是利用这类 材料的（ ） A．耐高温的特点 B．电学特性C．光学特性D．生物功能 12．陶瓷已广泛应用于生活和生产中，下列不属陶瓷制品的是（ ） A．喝茶用的紫砂壶B．实验室中的蒸发皿 C．实验室中的试管D．建筑上烧制的砖瓦 13．目前已有多个国家的大汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国在1990年装配了 一辆并完成了试车。这种陶瓷柴油发动机部件的受热面是由一种耐高温且不易传热的材 料制造的，这种材料是新型无机非金属材料中的（ ） A．氧化铝陶瓷B．氮化硅陶瓷C．光导纤维D．玻璃钢 二、填空题 14．（A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转换关系如下图所示。A为地壳 中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似。 AE B C DH2O 加碳 高温 加氧化钙 高 温 加氢氧化钠 加 热 请填空 ⑴形成单质A的原子的结构示意图为 ，它的最高化合价为 。 ⑵B的化学式（分子式）为 ，B的晶体类型为 。 B和碳反应生成A和E的化学方程式是 。 ⑶C的化学式（分子式）为 ，D的化学式（分子式）为 。 15．在地壳内，深度每增加1千米，压力大约增加25250～30300kPa，在这样大的压力下， 较简单的硅酸盐会变成更复杂的硅酸盐。已知钙长石、镁橄榄石、石榴子石的化学成 分分别为CaAl2Si2O8、Mg2SiO4、CaMg2Al2Si3O12。 （1）用氧化物的形式表示的化学式分别为钙长石________；镁橄榄石_______；石榴子石________。 （2）写出钙长石与镁橄榄石反应转变成石榴子石的化学方程式____________________。 （3）地壳岩石在水和CO2共同作用下发生风化，试写出钙长石风化成粘土、可溶性的钙盐的化学方程式_____________________。 16．氧化铝有三种晶体αAl2O3，βAl2O3，另一种是γAl2O3。γAl2O3可将AlOH3 加热至273K时制得，它不耐酸；αAl2O3是天然刚玉的主要成分，硬度很高，且对酸 有极强稳定性。αAl2O3可以用γAl2O3于高温煅烧炼制得。已知氧化铝可由铝铵明 矾加热制得，铝铵明矾[NH4AlSO4212H2O]受强热分解的产物为Al2O3、NH3、N2，SO3、 SO2和H2O。 （1）、写出铝铵明矾受强热分解的化学方程式________________，氧化产物是______，还原产物是______，它们的物质的量之比为__________。 （2）、把上述反应中的Al2O3加入适量氧化铬在氢氧焰上强热熔融后，使其结晶可以制成人造红宝石，可用于作激光器材和装饰品。所得人造红宝石是哪种Al2O3晶体怎样用简便方法说明是该种Al2O3的晶体答______________________________。 17．在半导体工业中，有一道工序叫烧氢。烧氢的工艺流程如图所示。工作时，是将石英管 D出口处氢气点燃。半导体硅片、焊片和金属零件从石英管口送入加热区，在氢气还原 气氛中加热使焊片熔化，将单晶硅与金属零件焊接在一起。焊接后再将零件拉至冷却区， 冷却后取出。烧氢工艺中的氢气纯度要求极高，工业氢气虽含氢量达99.9，但仍含有 极微量的水蒸气和氧气，所以点燃氢气前应检验氢气的纯度。试回答下列问题 （1）装置B的作用是___________；B中发生反应的化学方程式是____________________。 （2）装置C中的物质是______；C的作用是____________________。 （3）点燃氢气前将E（带导管胶塞）接在D出口处，目的是__________。 （4）装置A是安全瓶，可以防止氢气燃烧回火，引起爆炸，其中填充大量纯铜屑的作用是____________________。 18．BGO是我国研制的一种闪烁晶体材料，曾用于诺贝尔奖获得者丁肇中的著名实验，它 是锗酸铋的简称。其中铋元素为第VA族元素，符号为Bi。若①在BGO中，锗处于其 最高价态；②在BGO中，铋的价态与铋跟氯形成某种共价氯化物时所呈的价态相同， 在此氯化物中铋具有最外层8电子稳定结构；③BGO可看成是锗和铋两种元素的氧化物 所形成的复杂氧化物，且在BGO晶体的化学式中，这两种氧化物所含的氧的总质量相 等。请填写 （1）锗元素的元素符号是__________。 （2）BGO晶体的化学式为__________。 （3）BGO晶体中所含铋氧化物的化学式为____________________。 19．矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的。此处所指的风化作用是 指矿物与水和CO2同时作用的过程。例如钾长石（KAlSi3O8）风化生成高岭土〔Al2Si2O5 （OH）4〕，此反应的离子方程式为 2KAlSi3O8＋2H2CO3＋9H2O2K＋＋2HCO3-＋4H4SiO4＋Al2Si2O5（OH）4 这个反应能够发生的原因是____________________________。 三、计算题 20．用碳酸钾代替纯碱可制造钾玻璃，其化学式为。试计算生产1020kg这种钾玻璃需要 K2CO3、CaCO3、SiO2各多少千克 参考答案 1、D 2、C 3、D 4、D 5、C 6、B 7、CD 8、B 9、B 10、B 11、D 12、C 13、B 14． 14 2 8 4 ⑴ ＋4 ⑵SiO2 原子晶体 SiO2＋2CSi＋2CO↑ ⑶CaSiO3 Na2SiO3 15、 16、 （2）取少量样品加少量稀盐酸，若溶解是γ-Al2O3，若不溶解则是α-Al2O3。 17、 （2）无水CaCl2；吸收水蒸气 （3）检验H2纯度 （4）大量的铜屑可以吸收热量，降低温度 18、（1）Ge （2）2Bi2O33GeO2（3）Bi2O3 19、解析分析反应方程式，不难看出H2CO3→H4SiO4 此即符合“强酸制弱酸”的复分解反应规律，原因可依次而答。 答案因为H2CO3的酸性比H4SiO4强，所以硅酸盐可与较强酸H2CO3反应生成碳酸盐和较弱酸H4SiO4。 20、 地址北京市西城区新德街20号4层 电话010-82025511 传真010-82079687 第10页 共10页