5.3 无机非金属材料-【固本强基】2023-2024学年高一化学同步精品讲与练（人教版2019必修第二册）

第五章 化工生产中的重要非金属元素 第三节 无机非金属材料 [学习目标]　 1.了解硅酸盐及其结构特点，知道常见的硅酸盐产品(玻璃、水泥、陶瓷)的工业生产。 2.了解硅和二氧化硅的性质。 3.知道一些新型的无机非金属材料硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳纳米材料等的性能和用途。 [核心知识梳理]　 一、硅酸盐材料 1．从组成上看，无机非金属材料多含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。 2．硅酸盐材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥等。 3．在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 4．下列硅酸盐材料的主要原料分别是： 陶瓷：黏土；玻璃：纯碱、石灰石、石英砂；水泥：黏土和石灰石。 5．常见的硅酸盐——Na2SiO3 (1)硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。 (2)硅酸钠在空气中放置易与空气中CO2反应而变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。 (3)硅酸钠是制备黏合剂和木材防火剂等的原料。 6．硅酸盐氧化物形式的书写 硅酸盐由于组成比较复杂，通常用氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为： (1)顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水；氧化物之间以“·”隔开。 (2)原则：各元素原子总个数比符合原来的组成，若出现分数应化为整数。 例如：钠长石NaAlSi3O8不能写成Na2O·Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。 (3)各元素的化合价不能改变。 二、新型无机非金属材料 1．硅 (1)硅元素在周期表中的位置为第三周期、第ⅣA族，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。 (2)硅单质的化学性质 常温下：①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4； ②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑； ③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 加热或高温条件下：①与O2反应：Si＋O2SiO2； ②与Cl2反应：Si＋2Cl2SiCl4； ③与C反应：Si＋CSiC。 (3)高纯硅的制备原理 其中涉及的主要化学反应为： ①SiO2＋2CSi＋2CO↑； ②Si＋3HClSiHCl3＋H2； ③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 (4)硅的用途 高纯硅可用于生产计算机芯片和硅太阳能电池。 2．二氧化硅 (1)存在 SiO2的存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英、水晶、玛瑙、沙子、光导纤维的主要成分均是SiO2。 (2)SiO2的结构和物理性质 SiO2中Si原子和O原子形成空间网状结构，故不存在单个的SiO2分子。SiO2的空间网状结构决定了其具有熔点高、硬度大、难溶于水等特点。 (3)SiO2的化学性质 (4)用途 纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本材料，可以制作光导纤维。 3．新型陶瓷 (1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在组成上有很大的变化，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 (2)碳化硅(SiC) 碳化硅俗称金刚砂，它是由碳原子和硅原子通过共价键连接而形成，与金刚石的结构类似，硬度很大，具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 (3)新型陶瓷种类：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。 4．碳纳米材料 (1)富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是C60。 (2)碳纳米管是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。 (3)石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。 [典例分析] [典例1]材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列有关物质的说法正确的是 A．Ti−Fe合金和La−Ni合金都是新型储氢合金 B．石英玻璃、碳化硅陶瓷、水泥、石墨烯都是硅酸盐材料 C．半导体行业中有一句话：“从沙滩到用户”，计算机芯片的材料是二氧化硅 D．中国航天飞船外壳用到的是特种镁合金，属于新型无机非金属材料 [典例2]下列关于硅的说法中，不正确的是 A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体 B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，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反应 D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 [典例3]下列材料的特性及用途的说法中不正确的是 A．光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料 B．氧化铝陶瓷具有两性，不可以用于制耐高温设备 C．氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用来制造轴承 D．人造刚玉硬度高，可