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

无机非金属材料 学习目标　1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系,认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。2.结合真实情境中的应用实例,了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。 一、硅酸盐材料 (一)知识梳理 1.无机非金属材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,含　　　　　、　　　　　等元素,具有　　　　　　　　　　　　、  　　　　　、　　　　　等特点,以及特殊的　　　　　、　　　　　　等性能。  2.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 陶瓷 普通玻璃 普通水泥 原料 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料:　　　　　　;  辅助原料:适量的石膏 设备 陶瓷窑 主要 成分 含水的铝硅酸盐 硅酸钠(Na2SiO3)、 硅酸钙(CaSiO3)、 二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程 (二)互动探究 普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制得。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 【问题讨论】 问题　你能写出制备玻璃过程中发生反应的化学方程式吗?根据这些反应能否说明硅酸的酸性比碳酸强? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  【探究归纳】 (1)硅酸盐的结构 在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,许多这样的四面体通过顶角的O相互连接,即每个Si结合4个O,每个O结合2个Si。 (2)硅酸盐的特性 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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 (3)玻璃、水泥、陶瓷等均为混合物。生产水泥与陶瓷的共同原料是黏土,生产水泥与玻璃的共同原料是石灰石。 　　　　　　　　　　　　　　　　 1.我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是 (　　) A.陶俑 B.琉璃瓦 C.汉白玉 D.青花瓷 2.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是 (　　) A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁 B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成 C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐 D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点 3.“九秋风露越窑开,夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句,描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品,下列有关说法中正确的是 (　　) A.玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品 B.制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂 C.硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高 D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐 二、新型无机非金属材料 (一)知识梳理 1.硅和二氧化硅 (1)硅元素的存在与结构 存在 原子结构 示意图 周期表中位置 含量 存在形态 地壳中居 第二位 (2)高纯硅的制备 其中涉及的主要化学反应为 ①　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、  ②　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、  ③　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (3)硅和二氧化硅的用途 硅 　　　　材料→硅芯片、硅太阳能电池  二氧化硅 　　　　纤维  2.新型陶瓷 新型 材料 成分 性能 主要应用 　　　  硬度　　、耐　　、抗氧化  磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料 高温 结构 陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐　　、抗氧化、耐磨蚀  用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现　　能和　　能的相互转化  用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷;氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、　　　好  用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导 陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域 3.碳纳米材料 结构特点 应用 富勒烯 由　　　构成的一系列笼形分子的总称  代表物　　,开启了碳纳米材料研究和应用的新时代  碳纳 米管 由　　　卷成的管状物,具有纳米尺度的直径  用于生产　　　　　　　　　　　　、  电池和传感器 石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的　　　石墨  应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料 (二)问题探究 问题1　SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  问题2　能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸?若不能,写出化学方程式,简述理由。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  问题3　为什么盛NaOH或Na2CO3等呈碱性溶液的试剂瓶一般使用玻璃瓶、橡胶塞? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  问题4　CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能与水反应生成相应的酸?那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  【探究归纳】 硅及其化合物性质的“九大特殊点” (1)碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价,而硅常见的是+4价。 (2)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。 (3)非金属单质与强碱反应一般不生成氢气,而硅却能与强碱溶液反应产生氢气,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。 (4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成(类似于较活泼金属与酸的置换反应),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。 (5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接将它与水作用制备H2SiO3。 (6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点却很高。 (7)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。 (8)无机酸一般易溶于水,而H2SiO3却难溶于水。 (9)因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能发生。 　　　　　　　　　　　　　　　　 1.材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法正确的是 (　　) A.二氧化硅广泛用于制备芯片和太阳能电池 B.石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料 C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸盐材料 D.现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为硅 2.据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述错误的是 (　　) A.它耐高温、抗氧化 B.它比钢铁轻,但质地较脆 C.它没有固定熔点 D.它是一种新型无机非金属材料 3.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,科学家预计一个电脑芯片上将会集成10亿个晶体管,其功能远比我们想象的要大得多,这对硅的纯度要求很高。下列有关硅及其化合物的说法正确的是 (　　) A.在粗硅的制取中发生反应:2C+SiO22CO↑+Si,Si被还原,所以C的还原性大于Si B.Na2SiO3属于盐,不属于碱,所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中 C.用SiO2制取硅酸,应先使SiO2与NaOH溶液反应,然后通入CO2 D.由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3 无机非金属材料 一、 (一)1.硅　氧　耐高温　抗腐蚀　硬度高　光学　电学　2.黏土　石灰石、黏土　玻璃窑　水泥回转窑 (二) 问题　Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3、CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。不能,反应是熔融态反应,二氧化碳气体从反应体系逸出,有利于反应进行。硅酸酸性比碳酸弱。 对点训练 1.C　[汉白玉主要成分是碳酸钙,陶、瓷、砖、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸盐。] 2.A　[“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,而氧化铁显红色,A错误;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素处于最高价态,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。] 3.C　[A项,陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品;B项,纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料,而制水泥的原料是黏土和石灰石;C项,硅酸盐制品性质稳定、熔点高;D项,沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐。] 二、 (一)1.(1)氧化物和硅酸盐　第三周期、第ⅣA族 (2)①SiO2+2CSi+2CO↑　②Si+3HClSiHCl3+H2　③SiHCl3+H2Si+3HCl (3)半导体　光导　2.碳化硅(SiC)　大　高温　高温　机械　电　绝缘性　3.碳原子　C60　石墨片层　复合材料　单层 (二) 问题1　SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。 问题2　不能,玻璃中含有二氧化硅,能被氢氟酸腐蚀,发生反应的化学方程式为SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。 问题3　试剂瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开,所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞。 问题4　CO2可以,SiO2不能,因为二氧化硅不溶于水。由二氧化硅制取硅酸应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐,再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。即SiO2Na2SiO3H2SiO3。化学方程式为SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O,Na2SiO3+H2O+CO2Na2CO3+H2SiO3↓。 对点训练 1.B　[A项,二氧化硅能够使光线发生全反射,因此广泛用于制备光导纤维;晶体硅是良好半导体材料,可用于制太阳能电池及晶体管等半导体零件;B项,石墨烯是非金属单质,具有良好的导电性;石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料;C项,水晶是SiO2,属于氧化物,并不是硅酸盐,因此不属于硅酸盐材料;D项,现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为二氧化硅。] 2.B　[由题目信息中“连续纤维增韧”可知,该航空材料的韧性很好,质地并不是很脆,B错误。] 3.C　[Si与C同主族,Si的还原性比C的强,但在高温下能发生反应:2C+SiO22CO↑+Si,A错误;不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3溶液,因为Na2SiO3溶液本身是一种黏合剂,B错误;SiO2是酸性氧化物,但不能与水反应,所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2或盐酸反应:Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓、Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3↓,C正确;Na2CO3与SiO2在高温下的反应与对应酸的酸性强弱无关,该反应说明硅酸盐在高温下比碳酸盐更稳定,D错误。] 学科网（北京）股份有限公司 $$