5.3无机非金属材料的主角 课件 2024-2025学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

第三节 无机非金属材料 硅和二氧化硅 第五章 高一 化学 1 学习目标 新型无机非金属材料——硅 第三周期、第IV A族 ‹#› 请画出碳和硅的原子结构示意图 分析：既不易失去电子，又不易得到电子，主要形成四价的化合物。 Si位于元素周期表第三周期，第ⅣA族， 处于金属与非金属过渡位置，为半导体材料 新型无机非金属材料——硅 ‹#› 1、硅元素的存在形式 ------- 氧化物、硅酸盐 C—统治有机界：碳是构成有机物的主要元素。 Si—统治无机矿物界：硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。 Si是一种亲氧元素，在自然界中它总是与氧相互化合的，因此Si都以“化合态”存在于自然界，岩石、沙子、土壤，约占地壳总量的90%以上。 新型无机非金属材料——硅 ‹#› 2、晶体硅的结构与物理性质 结构类似于金刚石，带有金属光泽的灰黑色固体，晶体硅为原子晶体，熔点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。 金刚石和晶体硅的结构相似。在晶体中，每个碳硅原子都以共价键与相邻4个碳（硅）原子结合，形成正四面体的立体网状。所以，金刚石和晶体硅的熔沸点都很高，硬度也很大。 新型无机非金属材料——硅 ‹#› 加热 Si+O2 == SiO2 加热 Si+2Cl2 == SiCl4 （常温下为液体） 高温 Si+C == SiC (金刚砂) ①常温下三反应 ②还原性：加热(高温)三反应 Si+2F2 = SiF4↑ Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2↑ Si+4HF = SiF4↑+2H2↑ 在常温下只能与氟气(F2)、HF、氢氧化钠反应，加热时能与O2 、Cl2 、C反应。 高温 3Si+2N2 == Si3N4 新型无机非金属材料——硅 3、硅的化学性质 常温下为无色，有毒，有刺激性臭味的气体。 ‹#› 6 4、高纯硅的制备 半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。 还原剂 工业上用碳作还原剂，请写出化学方程式。 SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　 === 高温 不是CO2！ 粗硅 思考:（1）为何说制得的硅为粗硅？ (1) 碳过量、碳与硅反应生成的SiC （2）此反应能否说明碳的还原性大于硅？ (2) 氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。 新型无机非金属材料——硅 ‹#› 如何证明非金属强弱。 新型无机非金属材料——硅 ‹#› 4、高纯硅的制备 高纯硅的制备流程: 高纯硅的制备原理（主要化学反应）： SiO2（石英砂）＋2C ========= Si（粗）＋2CO↑； 800～2 000 ℃ 300 ℃ Si（粗）＋3HCl=====SiHCl3＋H2； SiHCl3＋H2=====Si（纯）＋3HCl。 1100 ℃ 或Si（粗）＋2Cl2=====SiCl4 300 ℃ 或SiCl4＋2H2=====Si（纯）＋4HCl。 1100 ℃ 新型无机非金属材料——硅 ‹#› 独特的电学性能 半导体材料 高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域 硅晶片用于生产芯片 硅太阳能电池 新型无机非金属材料——硅 ‹#› 【典例1】高炉冶炼的粗硅难以满足使用过程中的纯度要求，因此需 对粗硅进行进一步的提纯。工业上采用Si与HCl在350℃左右反应生成 SiHCl3，之后将其还原、结晶得到高纯度的单晶硅产品。已知SiHCl3 的熔点为-128℃，沸点为33℃，且遇O2与H2O均剧烈反应。现要在实 验室中制取少量SiHCl3，其实验装置如下图所示，则下列说法正确的 是（ ） A．工业上用过量的焦炭与石英砂混合冶炼粗硅，发生的反应为 SiO2+C===Si+CO2↑ B．使用浓H2SO4和NaCl混合加热制取HCl利用了浓H2SO4的脱水性 C．冰盐浴的目的为降低收集容器的温度，使SiHCl3冷凝为液体 D．可以用无水CaCl2、硅胶等固体干燥剂替换干燥管中的碱石灰 高温 C ‹#› 课堂练习 新型无机非金属材料——二氧化硅 1、二氧化硅的存在形态 天然的 SiO2 结晶形（石英晶体） 无定形——硅藻土 水晶 玛瑙 天然的二氧化硅也叫硅石。 石英晶体是结晶的二氧化硅。 石英、水晶的主要成分都是SiO2 玛瑙 水晶 硅藻土 (硅石） ‹#› 2、二氧化硅的物理性质 物质 SiO2 CO2 状态（常温） 气体 熔点 -56.6℃ 沸点 -78.5℃ 水溶性 1：1 硬度 固体 1610℃ 2230℃ 难溶 大 高 高 思考：为什么SiO2和CO2的物理性质差异很大？ 硬度大、熔沸点高、常温下为固体，难溶于水、不导电 新型无机非金属材料——二氧化硅 ‹#› 二氧化硅中没有单个分子，用SiO2来表示二氧化硅的组成, 表示Si 原子与O原子个数比为1:2,所以不是分子式而是化学式。 [SiO2]四面体结构 立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质 SiO2 SiO2晶体中没有SiO2分子存在，只存在硅氧原子。因此性质稳定 新型无机非金属材料——二氧化硅 ‹#› 3、二氧化硅的化学性质 ①酸性氧化物 与碳酸盐反应： SiO2+2NaOH == Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3 高温 与强碱溶液反应： 与碱性氧化物反应： SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑ 高温 SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑ 高温 工业生产玻璃原理 NaOH溶液可用玻璃试剂瓶盛装，但不能用磨口玻璃瓶塞，可用橡胶塞或木塞。 石英坩埚和陶瓷坩埚的主要成分是SiO2，不能用来加热熔化强碱和碳酸盐。 SiO2＋2OH- = SiO32-＋H2O 新型无机非金属材料——二氧化硅 ‹#› 思考：根据反应 Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3 ＋CO2↑，能否证明硅酸的酸性比碳酸强？若不能，又该如何证明？ 3、二氧化硅的化学性质 【答案】①不能。因该反应不是在溶液中进行， 所以不能证明硅酸的酸性强于碳酸的酸性。 ②可用右图装置和方法来证明硅酸和碳酸酸性的强弱： “强酸制弱酸”的反应原理只适用于水溶液中进行的反应，不适用于高温条件下的固体间的反应。 新型无机非金属材料——二氧化硅 ‹#› 3、二氧化硅的化学性质 SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O ③与HF反应 ——唯一能与SiO2反应的酸 刻蚀玻璃 ②弱氧化性 SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑ 高温 工业制粗硅 用氢氟酸“刻”出的玻璃工艺品 （特性） SiO2是唯一一种既能与酸（氢氟酸）反应、又能与碱（NaOH等）反应的酸性氧化物，SiO2不属于两性氧化物。 新型无机非金属材料——二氧化硅 ‹#› 4、二氧化硅的用途 （1）建筑材料 （2）制作首饰与工艺品（水晶、玛瑙、瓷器） （3）制作光学仪器（石英玻璃、石英坩埚） （4）生成光导纤维 建筑材料 玛瑙饰品 水晶饰品 石英坩埚 光导纤维 光 学 纤 维 胃 镜 精美瓷器 新型无机非金属材料——二氧化硅 ‹#› 【典例1】下列关于SiO2的叙述正确的是（ ） ①SiO2能与水反应生成硅酸 ②SiO2对应的水化物是可溶性弱酸 ③硅原子和碳原子的最外层电子数相同，SiO2和CO2的分子结构也相同 ④SiO2既能与氢氧化钠溶液反应又能与氢氟酸反应，故SiO2是两性氧化物 ⑤SiO2中硅元素为+4价，故SiO2具有氧化性 ⑥在SiO2中，每个硅原子结合2个氧原子 A．①③⑤ B．①②④⑥ C．③ D．⑤ D ‹#› 课堂练习 三、硅酸的性质 Si SiO2 H2SiO3 ②不稳定(比H2CO3稳定)，受热易分解 ∆ H2SiO3 == H2O + SiO2 ①弱酸性 H2SiO3 + 2NaOH = Na2SiO3 + 2H2O 硅酸是白色胶状固体，不溶于水，其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊溶液变红色。 硅酸 H2SiO3 ✘ 酸性：H2SiO3 < H2CO3 ‹#› HClO酸性弱于碳酸 三、硅酸的性质 制备：硅酸盐 + 酸 无色透明溶胶 Na2SiO3+2HCl=H2SiO3（胶体）+2NaCl Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(胶体)+Na2CO3 硅酸在水中易聚合形成胶体 H2SiO3 硅酸凝胶 硅酸干凝胶 “硅胶” 硅胶多孔，吸附水份能力强， 常用作干燥剂，也可以用作催化剂的载体。 →→ “硅胶” 思考：如何制备H2SiO3？ 逐渐聚合 干燥脱水 ‹#› 可以作为食品级干燥剂 硅胶的制备 ‹#› 将硅酸凝胶用CoCl2溶液浸泡后再烘干和活化，可得变色硅胶。用它作干燥剂时，吸水前是蓝色，吸水后变红色，从颜色的变化可以看出吸水程度，以及是否需要再生处理。 ‹#› 四、硅酸盐的性质 1、硅酸盐----硅酸钠（Na2SiO3） ②Na2SiO3的水溶液俗称：水玻璃；固体俗称：泡花碱。 Na2SiO3的水溶液具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作黏合剂和防火剂。 ③用途：制备硅胶、木材防火剂、黏胶剂、肥皂填充剂 ①性质：相对稳定、不能燃烧、不易被腐蚀。 硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难 溶于水（Na2SiO3、K2SiO3除外）、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。 ‹#› 硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称 Si Na2SiO3 SiO2 H2SiO3 O2 /△ F2 Na2O、NaOH H2O+CO2/HCl NaOH 物质类别 化 合 价 单质 氧化物 盐 含氧酸 0 +4 酸碱转化 氧化还原转化 Na2CO3 C/高温 SiF4 HF HF NaOH SiCl4 Cl2 H2 氯化物 △ 硅元素的价类图 SiHCl3 HCl H2 +2 ‹#› 下课 ~ 记得复习和做作业 ~ Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.76 $$