人教版(2019版)第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第三節(jié)無(wú)機(jī)非金屬材料

1、人教版(2019版)第五章 化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第三節(jié)無(wú)機(jī)非金屬材料一.硅酸鹽材料1 .硅酸鹽及其結(jié)構(gòu)(1) 硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱。一般不溶于水，穩(wěn)定性高。它 是構(gòu)成巖石和土壤的主要成分。(2) 硅酸鹽的種類(lèi)很多，結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，通常用氧化物的形式來(lái)表示其組成。書(shū)寫(xiě)順序：活潑金屬氧化物 t較活潑金屬氧化物 t二氧化硅t水。注意事項(xiàng)：氧化物之間以“ 隔”； 計(jì)量數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)應(yīng)化為整數(shù)。例如：硅酸鈉 Na2SiO3寫(xiě)成Na2O SiO,高嶺石Al 2Si2O5(OH) 4寫(xiě)成Al 2O3 - 2SiO2HD11鉀長(zhǎng)石 KAlSi 308不能寫(xiě)成 K2O Al 2O3

2、- 3SiO,應(yīng)寫(xiě)成 K2O- A2O3 - 6SiO22(3) 硅酸鹽的硅氧結(jié)構(gòu)硅酸鹽中，硅與氧構(gòu)成硅氧四面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)硅原子結(jié)合四個(gè)氧原子。許多的這樣的四面體還可以通過(guò)頂角的氧相互連接，每個(gè)氧為兩個(gè)四面體所共有，與兩個(gè)硅相連。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有高硬度、高熔點(diǎn)、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)。2 .常用的硅酸鹽與硅酸鹽材料(1) 硅酸鈉，化學(xué)式為Na2SiO3,其水溶液俗稱水玻璃，可用作肥皂填料、木材防火劑及黏膠劑。其生成方程有以下兩種：SiO2+2NaOH=Na 2SQ3+H2OSi+2NaOH+H 2O=Na 2SQ3+2H2 f說(shuō)明：由于Si、SiO2均可

3、以與強(qiáng)堿反應(yīng)，所以使用單質(zhì)硅制成的芯片和光伏電池板, 使用二氧化硅制成的光導(dǎo)纖維、玻璃、石英坩堝均不能和強(qiáng)堿溶液放在一起，避免腐蝕。 陶瓷：由黏土(含水鋁硅酸鹽)為主要原料，高溫?zé)Y(jié)而成。反應(yīng)復(fù)雜。此類(lèi)陶瓷屬 于傳統(tǒng)陶瓷。 玻璃：以純堿、石灰石、石英為原料，混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生反應(yīng)生成 以Na2SiO3、CaSiO3、SiO2為主要成分的混合體。所發(fā)生的部分反應(yīng)如下：i-.ENa2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2 fCaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2 f水泥：一般的水泥指普通硅酸鹽水泥，以黏土和石灰石為主要原料，高溫煅燒，后加石膏調(diào)和而成。主要成分 3CaOSiO2、

4、2CaOSiO2、3CaO-Al 2O30二.新型無(wú)機(jī)非金屬材料1 碳元素知識(shí)回顧(1) 碳單質(zhì)：碳在常溫下非常穩(wěn)定，但在高溫條件下活動(dòng)性增強(qiáng)，主要表現(xiàn)為還原性與單質(zhì)反應(yīng)2C+O2丄 2CO點(diǎn)燃C+O2 CO2與某些氧化物反應(yīng)C+CO 22CO (高爐煉鐵中反應(yīng)之一)C+H20(g)= CO+H2(制取水煤氣的反應(yīng))2C+SiO 2Si+2CO f （粗硅制?。〤+2CUO 2CU+CO2 f （熱還原法煉銅）與氧化性酸反應(yīng)C+2H2SO4（濃）=C02f +2SOf +2H0 （黑面包實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)刺激性氣味原因）C+4HN0 3（濃）= CO2T +4N0f +2H0（2）碳單質(zhì)的同素異形體金剛

5、石：化學(xué)式為 C,是自然界中硬度最大的物質(zhì)，摩氏硬度系數(shù)為10 （舊），其絕對(duì)硬度較剛玉（紅藍(lán)寶石的組成，主要成分為Al 203）高出4。由于其為原子晶體，且晶體的結(jié)構(gòu)為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵鍵長(zhǎng)短、鍵能大，所以穩(wěn)定程度很高，具有高熔點(diǎn)，高硬 度的特點(diǎn)，但沒(méi)有導(dǎo)電性。結(jié)構(gòu)如下圖： 石墨與石墨烯：化學(xué)式為 C,石墨烯是石墨的單片層結(jié)構(gòu)。石墨是分子晶體、原子晶體和金屬晶體的過(guò)渡體， 所以通常叫做混合晶體。 正因?yàn)榇耍哂辛己玫膶?dǎo)電性， 同時(shí) 具備潤(rùn)滑等特點(diǎn)，在鉛筆的筆芯中就含有石墨！兩者結(jié)構(gòu)如下：石墨石墨烯 足球烯：化學(xué)式 C60，俗稱碳60,也稱為富勒烯。非金屬單質(zhì)，屬于分子晶體。結(jié)構(gòu)如下:

6、焦炭：化學(xué)式 C,大量?jī)?chǔ)存于煤炭與礦石中，是煉鋼中使用量很大的原料之一。(3) 碳的氧化物CO物理性質(zhì)：無(wú)色無(wú)味、難溶于水，有劇毒的氣體。具有可燃性和還原性。 化學(xué)性質(zhì)：以還原性為主點(diǎn)燃2CO+O22CO23CO+Fe2O3 2Fe+3CO2(高爐煉鐵的主要反應(yīng))CO2+H2CO2物理性質(zhì)：無(wú)色無(wú)味，能溶于水(1 : 1)的氣體。密度比空氣大，易液化?；瘜W(xué)性質(zhì)：表現(xiàn)為氧化性和酸性屈偵1氧化性：CO2+C2COCO2+Ca酸性氧化物的通性 CO2+H2O H2CO3CO2+Ca(OH)2=CaCO3J +HOCO2+H2O+CaCO3=Ca(HCO 3)22CO2+Ca(OH)2=Ca(HCO

7、3)2CaCO3(4) 碳酸鹽 溶解性：正鹽中只有堿金屬的碳酸鹽和銨鹽溶于水，所有酸式鹽均溶于水。一般酸 式鹽比相應(yīng)正鹽易溶，但堿金屬的碳酸氫鹽比正鹽溶解度小。 熱穩(wěn)定性：一般規(guī)律：可溶性碳酸正鹽不溶性碳酸正鹽酸式碳酸鹽。Na2CO3> CaCO3> NaHCO 3 正鹽與酸式鹽的相互轉(zhuǎn)化CO2； HdNaHCO32 .無(wú)機(jī)非金屬材料的主角硅(1)單質(zhì)硅：化學(xué)式 Si，結(jié)構(gòu)與金剛石相同，屬于原子晶體，硬度和熔點(diǎn)均很高。在常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑。不與O2、Cl2、H2SO4、HNO3等反應(yīng)。但可與氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿反應(yīng)，所以含有單晶硅的元件需避免接觸上述物質(zhì)。硅和氟氣、氫氟酸的反

8、應(yīng):Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF 4 f +2Hf因?yàn)闅浞岣g玻璃，與玻璃中的Si02反應(yīng)，所以氫氟酸不能用玻璃瓶保存，而應(yīng)保存在塑料瓶或鉛皿中。 硅在氧氣中加熱:Si+02 Si02 硅和氫氧化鈉溶液反應(yīng)：Si+2NaOH+H 2O=Na2SiO3+2H 2 f反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是： Si+3H 2OH2SiO3+2H2fH2SiO3+2NaOH=Na 2SQ3+2H2O從分步反應(yīng)看，起氧化作用的只是H20，而NaOH既不是氧化劑又不是還原劑，僅為反應(yīng)物。其電子轉(zhuǎn)移情況為：Si+2N«OU +3ILO=Na3SiOJ+2H1 t +2H3O 硅的工業(yè)制法強(qiáng)融稠備諺耀沁+2C

9、£si(ffi) +2COt電爐Si(M) +2C12SiCl, *2論雲(yún)鼻負(fù)純)+4HC1 晶體硅的用途：用來(lái)制造半導(dǎo)體器件，制成太陽(yáng)能電池、芯片和耐酸設(shè)備等。(2) 二氧化硅：化學(xué)式 SiO2,廣泛存在于自然界中，是硅石、石英、水晶、瑪瑙、沙子 等物質(zhì)中，分作晶體型和無(wú)定型兩種。石英、瑪瑙一般為晶體型二氧化硅，而硅藻土一般是無(wú)定型的二氧化硅。晶體型的二氧化硅， 與金剛石單晶硅結(jié)構(gòu)相似，屬于原子晶體，所以硬度和熔點(diǎn)也相對(duì)較高，其結(jié)構(gòu)如下：注：二氧化硅是酸性氧化物，但確實(shí)不溶于水的酸性氧化物。與堿的反應(yīng)：SiO2+2NaOH=Na 2SQ3+H2O由于玻璃的成分中含有SiO2,故實(shí)驗(yàn)

10、室盛放堿液的試劑瓶用橡皮塞而不用玻璃塞。但是，未進(jìn)行磨砂處理的玻璃，在常溫下是不易被強(qiáng)堿腐蝕的。高溫與堿性氧化物反應(yīng)：SiO2+CaO CaSiO3與氫氟酸反應(yīng)：SiO2+4HF=SiF4f +2HO (二氧化硅的特性，說(shuō)明玻璃器皿不能盛放氫 氟酸)高溫弱氧化性：SiO 2+2CSi+2CO f_高溫高溫與鹽的反應(yīng)：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2f SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2f用途：水晶可用于電子工業(yè)的部件、光學(xué)儀器、工藝品；SiO2是制光導(dǎo)纖維的重要原料；較純的石英用于制造石英玻璃；石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料。(3) 硅酸：硅酸是一種白色膠狀物質(zhì)，不溶于水，能形成膠體。硅酸經(jīng)干燥脫水形成硅酸干凝膠一一硅膠”硅酸的酸性很弱，比碳酸的酸性還弱，在與堿反應(yīng)時(shí)只能與強(qiáng)堿反應(yīng)。女口： H2SiO3+2NaOH=Na 2SQ3+2H2O。硅酸的熱穩(wěn)定性很差，受熱分解為SiO2和H2O。H2SiO=SiO2+H2O硅酸的制取由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通過(guò)可溶性硅酸鹽與其他酸反應(yīng)制得的。Na2SiO3+2HCl=H 2SQ3J +2NaCJNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3 J +N2CO3 （證明酸性：H2CO3>H2SQ3）3 .新型無(wú)機(jī)非金屬材料（1）新型陶瓷 碳化硅