5.3 无机非金属材料（知识解读）- 2023-2024学年高一化学同步知识点解读与能力训练（人教版2019必修第二册）

5.3 无机非金属材料（知识解读） •知识点1 硅 •知识点2 二氧化硅 •知识点3 硅酸盐材料 •知识点4 新型陶瓷 碳纳米材料 知识点1 硅 1.硅的存在与结构 （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.硅的物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。 3.硅的化学性质 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.硅的用途：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。 【名师点拨】(1)Si与氢氟酸反应是Si的特性，其他非金属单质不有此性质。 (2)Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质，A1是能与NaOH溶液反应放出H2的金属单质，推断题中常以此为突破口。 (3)反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑可看作两步进行：Si+3H2O=H2SiO3+2H2↑、H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O。总反应为Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。此反应中Si是还原剂，H2O是氧化剂，NaOH既不是氧化剂也不是还原剂。 【典例1-1】下列关于硅的说法不正确的是 A．硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体 B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，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发生反应 D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属单质反应 【典例1-2】单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为： ①SiO2+2CSi+2CO↑ ②Si+3HClSiHCl3+H2 ③SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl 下列对上述三个反应的叙述中，正确的是 A．仅①③为置换反应 B．②为化合反应 C．①②③均为氧化还原反应 D．三个反应的反应物中硅元素均被还原 【变式1-1】下列关于硅的说法不正确的是 A．高纯度的单质硅被广泛用于制作计算机芯片 B．自然界硅元素的贮量丰富，并存在大量的单质硅 C．常温时硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应 D．硅可由二氧化硅还原制得 【变式1-2】工业制备高纯硅的流程如下，下列说法正确的是 A．石英砂与过量焦炭发生的主要反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑ B．盛装NaOH溶液的玻璃瓶要使用磨口玻璃塞 C．粗硅与HCl反应时，需要在富氧的环境中进行 D．高纯硅常用于制备光导纤维 知识点2 二氧化硅 1.二氧化硅的存在 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。 2.二氧化硅的物理性质：纯净的SiO2是无色透明的，其熔、沸点高，硬度大，不溶于水，也不导电。 3.二氧化硅的结构 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。 4.二氧化硅的化学性质 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