第十四讲碳族元素无机非金属材料
主要考点：
1.碳族元素的原子结构，碳族元素性质的相似性和递变性；
2.硅和二氧化硅的性质和用途，理解原硅酸、硅酸的组成和性质；
3.硅酸盐的重要用途；
4．新型无机非金属材料的分类及主要特性；高温结构陶瓷及光导纤维的性能和用途。
重难点点拨：
㈠碳族元素：1.分析比较C、Si、Ge、Sn、Pb相似性与递变性：
相似性 递变性
结构 电子排布 原子半径 主要化合价 金属性、非金属性 单质及化合物 物理性质 单质熔沸点高低 单质硬度大小 单质密度 单质导电性 化学性质 单质与H2反应难易 氢化物稳定性 单质还原性 最高价含氧酸酸性 ㈡硅：⒈硅的存在：在地壳里，硅的含量在所有元素中居第二位，仅次于氧，全部以化合态存在。硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。
⒉硅的物理性质：晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，它的结构类似于金刚石，熔沸点较高，是良好的半导体材料。
⒊化学性质：在常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其它物质（如氧气、氯气、硫酸、硝酸）起反应。SiH4常用间接方法制取
⑴Si+F2----Si+HF----Si+NaOH--
⑵加热或高温时有强还原性，硅能跟一些非金属反应：
Si+O2------Si+C----Si+Cl2----SiCl4
4.在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法制得含少量杂质的粗硅。
SiO2＋2CSi＋2CO↑
5.用途：制合金钢和集成电路，晶体管，太阳能电池等。
㈢二氧化硅
⒈物理性质：二氧化硅是一种坚硬难溶的固体，天然的二氧化硅也叫硅石。
①分类晶体：石英、水晶无定形：硅藻土
2.晶体结构：每个硅原子跟氧原子形成键,每个氧原子跟硅原子形成键
晶体中Si:O===，或结构
3.化学性质：
⑴不跟酸（除外），不与水反应
⑵能与碱性氧化物或强碱反应
SiO2+CaO-----SiO2+NaOH----
注：实验室盛放碱液的试剂瓶常用塞，不用塞，就是为了防止玻璃受碱液腐蚀生成Na2SiO3而使瓶口和塞子粘在一起。
⑶与碳酸盐反应：
CaCO3+SiO2----Na2CO3+SiO2----
⒋用途：⑴制光导纤维，⑵制石英玻璃
例1、下列说法正确的是（）
二氧化硅溶于水显酸性
B、干冰是由CO2分子构成，水晶是由SiO2分子构成
C、硅的化学性质不活泼，不能与氧气、氯气、硫酸等物质发生反应
D、二氧化硅是酸性氧化物，不溶于任何酸
例2、检验生石灰中是否含石英和石灰石的方法是：取出少量试样，加入量的，有现象说明生石灰里含有，过滤有滤渣存在说明含有。
㈣硅酸、原硅酸盐
硅酸：H4SiO4正硅酸，又叫原硅酸。部分脱水成H2SiO3偏硅酸，又叫硅酸。
硅酸不溶于水，溶于强碱，其酸性比碳酸弱。
制法：Na2SiO3+HCl-----Na2SiO3+CO2+H2O----
2.硅酸盐：硅酸及其缩水而成的各种酸所对应的盐统称硅酸盐。
硅酸盐结构复杂，常用氧化物的形式来表示组成。其表示方式：
活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水。
㈤材料
1、定义：是①为人类社会所需要②能用于制造有用器物的物质。
材料是人类生活必不可少的物质基础，人类制造的第一种材料是。
2、分类：传统的：硅酸盐材料（水泥、玻璃、陶瓷等）
无机非金属材料――新型的高温结构陶瓷
化学组成金属材料（合金等）光导纤维等
有机高分子材料（橡胶、化纤等）
结构材料（耐腐蚀、耐高温、耐辐射、耐磨损）
使用功能信息材料（敏感、记录、半导体、光导纤维、液晶高分子等）
高功能材料（超导体、离子交换树脂与交换膜等）
复合材料（多功能材料等）
3、结构材料主要是指利用其、、等机械性能制成的各种材料。
（1）金属（广泛使用）：由于易受，在高温时，不适合在高温时使用。
（2）高温结构陶瓷：具有能等优点。
㈥硅酸盐材料
1．硅酸盐工业：以为原料，经过加热制成硅酸盐产品的工业。
2．水泥、玻璃和陶瓷
硅酸盐产品 水泥 玻璃 陶瓷 主要设备 窑 窑 ――――――― 主要原料 、、
、、
反应原理 复杂的物理变化
和化学变化★
复杂的物理变化
和化学变化 反应条件 生产过程 研磨－→锻烧－→研 粉碎、强热冷却
原料－→熔体－→玻璃 混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶瓷器 主要成分 硅酸二钙
硅酸三钙
铝酸三钙 ―――――――
成分复杂 种类 ――――― ――――― 土、陶、炻、瓷器 特性 水硬性☆ 没有固定的熔点，只在一定温度范围内软化。 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型 水泥：★生产过程中需加入适量的石膏，其作用为
☆水泥的保存：
水泥的用途：水泥沙浆，混凝土，钢筋混凝土。
3、几种常见的玻璃及有关名称：
钠玻璃（）
硅酸盐玻璃普通玻璃钾玻璃（）
有色玻璃：蓝色：红色：
钢化玻璃、硼酸盐玻璃、铅玻璃、光学玻璃等
石英玻璃（）、玻璃纤维（）、水玻璃（）等
例3普通的玻璃中Na2SiO3︰CaSiO3︰SiO2＝1︰1︰4（物质的量之比）。
①若以aNa2O︰bCaO︰mSiO2表示此玻璃的组成，则a︰b︰m＝︰︰
②若要制备1000kg上述玻璃，需要原料各多少千克？
③共可生产标准状况下的CO2气体m3？
㈦传统无机非金属材料与新型无机非金属材料对比
材料 特性 种类 传统无机非金属材料 （1）抗腐蚀、耐高温
（2）质脆、经不起热冲击 普通水泥、普通玻璃，粘土质陶瓷 新型无机非金属材料 （1）耐高温，高强度
（2）具有电学特征
（3）具有光学特征
（4）具有生物功能 氧化铝陶瓷
高温结构陶瓷氮化硅陶瓷
碳化硼陶瓷
光导纤维 ㈧新型无机非金属材料的主要品种、性能及用途
主要特性 主要用途 氧化铝陶瓷
（人造刚玉）
（Al2O3） ①高熔点②高硬度③可制成透明陶瓷④无毒、不溶于水、强度高⑤对人体有较好的适应性 高级耐火材料、刚玉球磨机；高压的灯的灯管，人造骨、人造牙、人造心脏瓣膜，人造关节等。 氮化硅陶瓷 ①超硬度，耐磨损②抗腐蚀，高温时也能抗氧化③抗冷热冲击而不碎裂④耐高温，且不易传热
⑤本身具有润滑性 制造轴承，汽轮机叶片，机械密封环，永久性模具的机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等。 光导纤维
简称：光纤 ①传导光的能力非常强②抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高 通讯材料，光缆作为长途通讯的干线。医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明。 ㈨光缆与电缆的对比
光纤光缆 普通电缆 信息量大，每根光纤理论上可同时通过10亿路电话 8管同轴电缆，每条通话1800路 原料来源广（石英玻璃），节约有色金属 资源较少 质量小，每公里27g，不怕腐蚀，铺设方便 每公里1.6吨 成本低，每公里1万元左右 每公里20万元 性能好，抗电磁干扰 保密性强，能防窃听，不发生电辐射
巩固练习：
1．四氯化硅的结构与四氯化碳相似.对其性质有如下推断：①SiCl4为分子晶体；②常温常压下是液态；③它是由极性键构成的非极性分子，其中正确的是()
A.只有①B.只有①③C.只有②③D.①②③
2.等质量的Si和O2在密闭容器中反应后，所得固体中含氧质量分数是()
A.＜50%B.50%C.＞50%D.不能确定
3.下列物质：①氢氟酸；②浓H2SO4；③烧碱溶液；④Na2CO3固体；⑤氧化钙；⑥浓HNO3，其中在一定条件下能与SiO2反应的有()
A.①②⑥B.全部C.①③④⑤D.②③⑥
4.高岭土的组成可表示为Al2Si2Ox(OH)y,其中x、y的数值分别是()
A.7、2B.6、3C.5、4D.3、6
5.工业上由粗硅制纯硅有以下反应
①Si(固)+3HCl(气)SiHCl3(气)+H2(气)+381kJ
②SiHCl3(气)+H2(气)Si(固)+3HCl(气)对上
述反应的说法中正确的是()
A.反应①②是氧化-还原反应
B．反应①②实际上互为可逆反应
C.由于反应①放热，则反应②一定吸热
D.提高SiHCl3产率，应采用加压和升温的方法.
6.根据水泥和玻璃的生产，总结出硅酸盐工业的一般特点是
①生成物是硅酸盐；②反应条件是高温；③含有硅的物质作原料；④反应原理是一系列复杂的物理-化学变化()
A.①③B.①②③C.①③④D。①②③④
7.欲观察氢气燃烧的焰色，燃气导管口的材料最好的是()
A.钠玻璃B.钾玻璃C.石英玻璃D.铜管
8.下列关于钢化玻璃的叙述中错误的是()
A.它的成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔化在一起所得到的物质
B.是把普通玻璃放在电炉里加热，使之软化，然后急速冷却制得的
C.它是具有空间网状结构的原子晶体，硬度很大，熔点也很高
D.它的机械强度比普通玻璃大4～6倍，不易破碎，且破碎时，碎块没有尖利的棱角
9．下列关于二氧化碳和二氧化硅的说法中，正确的是（）
A．构成二氧化硅晶体的微粒是硅原子和氧原子
B．碳原子和氧原子靠极性共价键构成了二氧化碳晶体
C．Si—O键键能大于C—O键键能
D．碳和硅都是ⅣA族元素，所以它们的氧化物都具有相同的性质
10．除去SiO2中混有的少量生石灰和石灰石，有如下操作：①加水溶解②加水煮沸③过滤④加稀HCl⑤加稀H2SO4，正确的操作顺序是（）
A．①③B．④③C．⑤③D．②③
11．下列物质的贮存方法，正确的是（）
A．硅酸钠溶液和碱性溶液存放在胶塞密封的试剂瓶中
B．氢氟酸盛放在棕色试剂瓶中
C．液溴盛放在带有胶塞的细口瓶中
D．氯水盛放在棕色细口瓶中
12.2MgO·SiO2中的酸根离子是()
A.SiO32-B.Si2O62-C.SiO44-D.SiO22-
13.碳与下列各组物质在高温条件下反应主要生成CO而不是CO2的是()
A.CaO、FeOB.CuO、ZnOC.H2O、SiO2D.浓H2SO4、浓HNO3
14.下列物质：①氢氟酸；②浓H2SO4；③烧碱溶液；④Na2CO3固体；⑤氧化钙；⑥浓HNO3，其中在一定条件下能与SiO2反应的有()
A.①②⑥B.全部C.①③④⑤D.②③⑥
15.用1L1.0mol/LNaOH溶液吸收标准状态下17.92LCO2，所得溶液中CO2-3和HCO-3的摩尔浓度之比约是()
A.1∶3B.2∶1C.2∶3D.3∶2
16.下列物质中，制取时不需用石灰石作原料的是()
A.硅酸B.水泥C.玻璃D.生石灰
17．下列物质久置空气中会变质，但没有发生氧化还原反应的是（）
A.氢氧化亚铁沉淀B．氢硫酸C．硅酸钠溶液D．过氧化钠
18．下列各组的比较说明中，不正确的是（）
A．原子半径Si>C>NB．PbO比PbO2稳定
C．酸性H2SiO3H2O>SiH4
19．3.6g炭粉和8g氧气在一定条件下反应生成11.6g氧化物，则生成的CO和CO2物质的量之比为（）
A．1：1B．2：1C．2：3D．3：2
20．可将Na2SO3、Na2SiO3、Na2SO4、Na2CO3四瓶无色溶液一一区别开的试剂是（）
A．BaCl2B．HClC．NaHCO3D．无色酚酞
21．下列有关硅及其化合物的叙述中，错误的是（）
A．硅原子有4个价电子，能够形成4个共价键
B．硅晶体结构跟金刚石的结构相似，也是一种原子晶体
C．SiO2表示一个SiO2分子中，有一个硅原子和两个氧原子
D．硅酸、原硅酸和由它们缩水结合而成的各种酸所对应的盐，统称硅酸盐
22．碳化硅又称金刚砂（SiC），它的分解温度很高（约20000C），硬度极大，溶解性与化学活泼性都很差，试推断与它的结构类似的是（）
A．金刚石B．氯化钠C．石墨D．水
23．下列气态氢化物中，稳定性最差的是（）
A．CH4B．SiH4C．H2SD．PH3
24．下列物质的贮存方法，正确的是（）
A．水玻璃和碱性溶液存放在玻璃塞的试剂瓶中
B．浓硝酸盛放在棕色试剂瓶中
C．液溴盛放在带有胶塞的细口瓶中
D．氯水盛放在棕色细口瓶中
25．下列有关碳和硅氧化物的说法中，正确的是（）
A．二氧化硅的水溶液显酸性，所以，二氧化硅是酸性氧化物
B．二氧化碳通入水玻璃可得到原硅酸，说明碳酸的酸性比硅酸强
C．高温时二氧化硅与纯碱反应放了二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸强
D．二氧化硅是酸性氧化物，因此，它不能溶于任何酸
26．向碳酸钾溶液中逐滴加入稀盐酸，直到不再生成二氧化碳气体为止。在反应过程中，溶液中的HCO3-离子浓度的变化趋势是（）
A．逐渐增大B．逐渐减小
C．先逐渐增大，后逐渐减小D．无法判断
27.某硅酸盐样品中锌的质量分数为58.6%，其化学组成用氧化物形式可表示为nZnO·SiO2，则n值等于()
A.0.5B.1C.2D.3
28.下列说法中，正确的是()
碳是非金属元素，所以碳单质都是绝缘体
硅的导电性介于金属和绝缘体之间
锗的非金属性比金属性强
锗不存在气态氢化物
29.某高熔点物质A属于原子晶体，它与纯碱熔融生成B，并放出气体C，C与B溶液反应又生成纯碱和化合物D，D很不稳定，在干燥空气中会失水变成E，加热E又进一步失水变成A.
①写出它们的化学式：A、B、C、D
②写出下列变化的化学方程式：
A+纯碱→B
B+C→D：；
D→E：；
E→A:.
30.下图是石英晶体平面示意图,它实际上是立体的网状结构,其中硅、氧原子数之比为.原硅酸根离子SiO44-的结构可表示为左图.二聚硅酸根离子Si2O76-中,只有硅氧键,它的结构可表示为.
31.如上图，已知：
单质E可作为半导体材料；②化合物F是不能生成盐的氧化物；③化合物I能溶于水呈酸性，它能够跟氧化物A起反应。
据此，请填空：
⑴化合物F是。
⑵化合物I是。
⑶反应③的化学方程式是
⑷反应④的化学方程式是
32．把河沙（主要成分是SiO2）跟镁粉按一定质量比（质量比约大于15：24）混合均匀，装入试管中加热大约1分钟后发生剧烈反应，生成一种白色固体化合物和一种硅化物。待生成的混合物冷却后放入或有稀硫酸的烧杯中，立即产生气泡并伴有爆鸣声，产生的气体是一种能在空气中自燃的气态氢化物。
（1）写出河沙与镁粉在加热条件下的化学方程式，该反应是（填“放热”或“吸热”）；
（2）生成的混合物放入稀硫酸中，产生的气体是（填分子式）；
33．水煤气是一混合气，它的主要成分是CO、H2，并有少量的CO2和水蒸气。请用下列装置设计一个实验，验证水煤气中含有CO和H2
（1）连接上述装置的正确顺序是（填仪器接口处的字母）；
（2）确认混合气体中含有氢气的实验现象是
。
34.为熔制钾玻璃准备如下熔料：360g重的石英砂，67.2g重的苛性钾和88.8g重的熟石灰.假定这些熔料不含杂质.
(1)计算在制得的钾玻璃中各氧化物的质量分数.
(2)用氧化物的形式表示钾玻璃的组成.
35.金属锡(Sn)的纯度可以通过下列方法分析：将试样溶于盐酸，反应的化学方程式为：Sn+2HCl=SnCl2+H2，再加过量的FeCl3溶液，反应为：SnCl2+2FeCl3=SnCl4+2FeCl2，最后用已知浓度的KMnO4（含稀硫酸）滴定Fe2+,现有0.613g金属锡样品，照上述各步反应后，共用16mL0.100mol/LKMn04溶液.
（1）写出FeCl2和KMnO4反应的方程式。
（2）求试样中锡的质量分数.
高一化学竞赛教案
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