专题03 无机非金属材料（教材深度精讲）-【核心素养系列】2022-2023学年高一化学知识整合讲练（人教版2019必修第二册）

专题03 无机非金属材料（教材深度精讲） 【核心素养分析】 1.变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变化。 2.科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题（如光导纤维、硅电池、半导体材料），形成可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。 【知识导图】 【目标导航】 本专题在各种考试中主要考查无机非金属材料的相关知识，包括硅及其化合物的性质、用途、制备以及传统及新型无机非金属材料的特点和用途，主要以选择题的形式出现。在高考中碳、硅及其化合物的知识单独考查的题目较少,常与晶体结构、元素周期律、化学方程式及化工流程相结合，重在考查考生创新思维以及理论联系实际的能力。题型以选择题、推断题为主，难度适中。 【重难点精讲】 一、硅单质 1.存在与结构 （1）存在：硅在地壳中的含量仅次于氧，居第2 位，在自然界主要以硅酸盐和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在，硅单质主要有晶体和无定形两大类。 （2）结构：硅是14号元素，原子结构为：，说明硅既难失去电子也难得到电子，硅是亲氧元素，与氧形成共价键，硅单质晶体是原子晶体。 2.物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。 3.化学性质 a．常温 ①与氢氟酸反应的化学方程式：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑； ②与NaOH溶液反应的化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑； ③与F2反应的化学方程式:Si＋2F2===SiF4 b．高温 ①与O2反应：Si＋O2SiO2。 ②与Cl2反应：Si＋Cl2SiCl4 4.用途：半导体材料、太阳能电池、计算机芯片和耐酸设备等。 5、高纯硅的制备 涉及的主要化学反应为 (a)SiO2＋2CSi＋2CO↑ (b)Si＋3HClSiHCl3＋H2 (c)SiHCl3＋H2Si＋3HCl 【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。 ②粗硅中含碳等杂质，与HCl反应生成的SiHCl3中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiHCl3后，再用H2还原，得到高纯度硅。 二、二氧化硅 1.存在 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，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石，硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等主要成分都是SiO2。 2.物理性质：熔点高，硬度大，不溶于水 3.结构 SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。在SiO2晶体中，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合，SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。 4.化学性质 a.酸性氧化物，是硅酸的酸酐。 ①SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O； ②在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3 ③在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钠、碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工业制玻璃） b.氧化性： ①与碳反应：SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金刚砂)； ②与Mg反应：4Mg＋SiO22Mg2Si＋2MgO；Mg2Si＋2H2O=SiH4↑＋2Mg(OH)2(制硅化氢)； c.特性：常温下与氢氟酸反应的化学方程式为：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 5、主要应用： ①水晶可用于电子工业的部件、光学仪器、工艺品 ②SiO2是制光导纤维的重要原料 ③较纯的石英用于制造石英玻璃 ④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料 【特别提醒】（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞。 （2）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。 （3）因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。 （4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。 三、硅酸、硅酸盐 1.硅酸 (1)物理性质：硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，能形成胶体。新制备的硅酸为透明、胶冻状，硅酸经干燥脱水形成硅酸干凝胶——“硅胶”，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。 (2)化学性质 ①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2