第5章 第3节 无机非金属材料(课件PPT)-【勤径学升】2024-2025学年高中化学必修第二册同步练测（人教版2019）

单击此处添加文本具体内容 第五章　化工产业中的重要非金属元素 第三节　无机非金属材料 学习目标 核心素养 1.了解硅酸盐的性质及组成的表示方法。 2.了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。 3.掌握SiO2的结构、性质和用途及高纯硅的制备与应用。 4.了解新型无机非金属材料的应用。 1.宏观辨识与微观探析：从物质的分类、结构等角度认识无机非金属材料的多样性，从而激发学生的求知欲。 2.科学态度与社会责任：从物质的组成和结构出发，认识新型无机非金属材料的性质与应用，养成学生勇于探索、严谨求实的科学态度。 第三节　无机非金属材料 [对应学生用书第27页] 一、硅酸盐材料 1.无机非金属材料 从组成上看，许多无机非金属材料含有 　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。 硅　 氧　 第三节　无机非金属材料 2.硅酸盐及其结构 （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，每个Si结合 　4　⁠个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角，每个O结合 　2　⁠个Si。 四面体　 4　 2　 第三节　无机非金属材料 （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。 高　 难　 第三节　无机非金属材料 3.传统无机非金属材料 产品 主要原料 主要设备 主要成分 用途 陶瓷  　黏土　⁠（主要成分为含水的铝硅酸盐） — 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 黏土　 第三节　无机非金属材料 产品 主要原料 主要设备 主要成分 用途 玻璃  　纯碱　⁠、 　石灰石　⁠、石英砂（主要成分是 　SiO2　⁠） 玻璃窑  　Na2SiO3　⁠、  　CaSiO3　⁠、 SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等 水泥 石灰石、黏土 水泥回转窑 硅酸盐 建筑材料、水利工程 纯碱　 石灰 石　 SiO2　 Na2SiO3　 CaSiO3　 第三节　无机非金属材料 4.最简单的硅酸盐——Na2SiO3 第三节　无机非金属材料 1.判断正误（正确的画“√”，错误的画“×”）。 （1）硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。 （　×　） （2）硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定。 （　√　） （3）硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合的。 （　√　） （4）水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土。 （　√　） （5）陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行。 （　√　） × √ √ √ √ 第三节　无机非金属材料 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅的存在与结构 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  　硅酸盐　⁠和 　氧化物　 　第三周期　⁠、 　第ⅣA族　⁠ 二　 硅酸盐　 氧化 物　 第三周 期　 第ⅣA 族　 第三节　无机非金属材料 （2）高纯硅的制备 SiHCl3 　①　 　　　②　　　　　 ③ 其中涉及的主要化学反应为 ① 　SiO2＋2CSi＋2CO↑　⁠； ② 　Si＋3HClSiHCl3＋H2　⁠； SiO2＋2CSi＋2CO↑　 Si＋3HClSiHCl3＋H2　 ③ 　SiHCl3＋H2Si＋3HCl　⁠。 SiHCl3＋H2Si＋3HCl　 第三节　无机非金属材料 （3）硅和二氧化硅的用途 ①高纯硅广泛用于 　信息　⁠技术和新能源技术等领域。制芯片、硅太阳能电池； ②SiO2用于生产 　光导纤维　⁠。 信息　 光导纤维　 第三节　无机非金属材料 2.新型陶瓷 （1）碳化硅 ①组成与结构： 碳化硅的化学式为 　SiC　⁠，俗称 　金刚砂　⁠，其中碳原子和硅原子通过 　共价键　⁠连接，具有类似金刚石的结构，硬度 　很大　⁠； ②用途： 金刚砂可用作砂纸和砂轮的磨料，还可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 SiC　 金刚砂　 共价键　 很大　 第三节　无机非金属材料 （2）其他新型陶瓷简介 品种 主要性能 主要用途 高温结 构陶瓷 （1）耐高温； （2）抗氧化； （3）耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 第三节　无机非金属材料 品种 主要性能 主要用途 压电陶瓷 实现机械能与电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 （1）优异的光学性能； （2）耐高温； （3）绝缘性好 用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等 超导陶瓷 超导性 用于电力、交通、医疗等领域 第三节　无机非金属材料 3.碳纳米材料 概念 性能 用途 富勒烯 由 　碳原子　⁠构成的一系列笼形分子的总称，如 　C60　⁠ — 制碳纳米材料 碳原子　 C60　 第三节　无机非金属材料 概念 性能 用途 碳纳米管 由 　石墨片层　⁠卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 比表面积大，有相当高的 　强度　⁠和优良的 　电学　⁠性能 生产复合材料、电池和传感器等 石墨 烯  　只有一个碳原子直径　⁠厚度的单层石墨 电阻率 　低　⁠、热导率 　高　⁠，具有很高的强度 在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究在不断深入 石墨片层　 强度　 电 学　 只有一个碳原子直径　 低　 高　 第三节　无机非金属材料 2.判断正误（正确的画“√”，错误的画“×”）。 （1）硅是良好的半导体材料，可以用来生产芯片和硅太阳能电池等。 （　√　） （2）生产光导纤维的原料是二氧化硅。 （　√　） （3）金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体。 （　×　） （4）富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳。 （　√　） √ √ × √ 第三节　无机非金属材料 [对应学生用书第29页] 要点一　硅的制备及其特性 1.用焦炭在电炉中隔绝空气还原SiO2制取粗硅时，为什么生成的是CO而不是CO2？ 提示：制取粗硅时，使用的是过量的焦炭，C与CO2高温下发生反应：C＋CO22CO，故产物是CO而不是CO2。 第三节　无机非金属材料 2.与同学一起探讨，如何由粗硅（含杂质2%）制得高纯度的硅？写出反应过程的化学方程式。 提示：由粗硅制取高纯硅的工艺流程为： 粗硅 SiHCl3 高纯硅 ①氧化粗硅的反应：Si＋3HClSiHCl3＋H2； ②还原SiHCl3的反应：SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 粗硅 SiHCl3 高纯硅 第三节　无机非金属材料 3.工业制备高纯硅的过程：二氧化硅→粗硅→SiHCl3→高纯硅。该流程中将粗硅转变为SiHCl3的目的是什么？ 提示：将粗硅转变为SiHCl3的目的是使粗硅转变为沸点较低的含硅物质，以便通过分馏的方法获得高纯度的含硅物质，后续通过H2还原的方法获得高纯硅。 第三节　无机非金属材料 1.高纯硅的制备与物质的提纯方法 工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。相应的生产流程和反应原理如下： （1）粗硅制备：将石英砂和适量的焦炭混合，并在电弧炉内加热至1 800～2 000 ℃可制得纯度为95%～99%的粗硅。相关反应为SiO2＋2CSi＋2CO↑。 第三节　无机非金属材料 （2）SiHCl3的合成与提纯：将干燥的氯化氢气体和粗硅在合成炉中（300 ℃）进行反应，其主要反应为Si＋3HClSiHCl3＋H2。 利用合成炉中得到的SiHCl3与杂质氯化物的沸点不同通过分馏法进行提纯。 （3）SiHCl3的还原：SiHCl3和氢气混合后，通入还原炉（1 100 ℃）内进行反应，即可得到高纯硅，反应的化学方程式为SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 第三节　无机非金属材料 2.硅的特性 一般规律 Si的特殊性质 硅的还原性强于碳的还原性 碳在高温下可将二氧化硅还原为硅：2C＋SiO2Si＋2CO↑（粗硅的制取） 非金属单质与强碱溶液一般不反应 硅可与强碱溶液反应：Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑ 第三节　无机非金属材料 一般规律 Si的特殊性质 非金属单质一般不与非氧化性酸反应 Si可与氢氟酸反应：Si＋4HFSiF4↑＋2H2↑ 非金属单质一般为绝缘体 硅为半导体 第三节　无机非金属材料 [例1]　获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动，信息产业的核心材料是高纯度的硅。下面是高纯度单晶硅的生产方法： 方法一： SiO2 Si（粗硅） Si HCl3（沸点31.5 ℃） Si 高纯硅单晶硅 第三节　无机非金属材料 （1）从方法一生产单晶硅的过程看，由碳还原得到的硅为何还要进一步处理？ 　 ⁠。  （2）写出方法二中生产高纯硅的两个化学方程式：① 　 ⁠； ② 　 ⁠。  方法二：用金属硅化物（Mg2Si）与盐酸作用制得硅烷（SiH4）；再热分解硅烷可得高纯硅。单晶硅可用于制作大规模集成电路、整流器等，硅的纯度越高，大规模集成电路的性能越好。 第三节　无机非金属材料 [解析]　（1）根据方法一的生产流程，可得如下化学方程式：SiO2＋2CSi（粗硅）＋2CO↑，所得的粗硅中含有大量的其他杂质（如C、SiO2等），没有实际应用价值，将粗硅用HCl、Cl2处理转化为沸点低的SiHCl3，化学方程式为Si＋Cl2＋HClSiHCl3，低沸点的SiHCl3通过蒸馏极易将其分离提纯，然后将纯的SiHCl3在高温下用H2还原即可得到高纯度的Si蒸气，SiHCl3＋H2Si＋3HCl，再进行气相沉淀即可制得高纯度的硅，从而得到单晶硅。 第三节　无机非金属材料 [答案]　（1）由C还原SiO2得到的单质Si中，杂质含量过高，将它用HCl、Cl2处理得到低沸点的SiHCl3，便于蒸馏提纯，然后再还原得到高纯硅 （2）①Mg2Si＋4HCl2MgCl2＋SiH4↑ ②SiH4Si＋2H2 第三节　无机非金属材料 1.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 第三节　无机非金属材料 解析　硅虽然外形像金属（有金属光泽），但实际上属于非金属；硅既有金属性，又有非金属性，其导电性也介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。硅的化学性质不活泼（尤其是在常温下），但常温下仍能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应。 答案　C 第三节　无机非金属材料 要点二　SiO2与CO2的性质比较 1.光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一，它使信息高速公路在全球迅猛发展。光导纤维的主要成分是什么？碱性环境下，光导纤维为什么会失去传播信号的能力？ 提示：光导纤维的主要成分是SiO2。碱性条件下，SiO2与碱反应生成硅酸盐和水，光导纤维会失去传播信号的能力。 第三节　无机非金属材料 2.同主族元素的性质具有递变性，则酸性H2CO3＞H2SiO3。此结论与反应SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑是否矛盾？如何设计实验证明H2CO3的酸性大于H2SiO3？ 提示：不矛盾。元素的非金属性C＞Si，则酸性H2CO3＞H2SiO3。可通过反应Na2SiO3＋CO2＋H2ONa2CO3＋H2SiO3↓（白色）证明。 第三节　无机非金属材料 化学式 CO2 SiO2 构成 CO2分子 1个Si周围有4个O，1个O周围有2个Si，呈空间网状结构，无SiO2分子 物理性质 气体，熔、沸点低，能溶于水 固体，熔、沸点高，硬度大，不溶于水 与碱性氧化物反应 CaO＋CO2CaCO3 CaO＋SiO2CaSiO3 第三节　无机非金属材料 化学式 CO2 SiO2 与碱溶液反应 2NaOH＋CO2Na2CO3＋H2O SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2O 与盐反应 Na2SiO3＋CO2＋H2ONa2CO3＋H2SiO3↓ SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ 与碳反应 C＋CO22CO 2C＋SiO2Si＋2CO↑ 第三节　无机非金属材料 与H2O反应 CO2＋H2OH2CO3 与水不反应 与酸反应 不反应 只与氢氟酸反应SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2O 用途 干冰用于人工降雨；合成肥料 制饰品、制实验室里的坩埚、制光导纤维 第三节　无机非金属材料 [例2]　下列叙述正确的是（　　） A.CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似 B.因为CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强 C.CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂 D.SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物 第三节　无机非金属材料 [解析]　CO2和SiO2都是酸性氧化物、化学性质相似，但物理性质差别很大，A项错误；硅酸的酸性比H2CO3弱，反应之所以发生，是因为CO2为气体，可以脱离反应体系，B项错误；CO2和SiO2与C反应时都作氧化剂，C项正确；SiO2与HF反应时生成的SiF4不是盐，所以SiO2不是两性氧化物，D项错误。 [答案]　C 第三节　无机非金属材料 第三节　无机非金属材料 第三节　无机非金属材料 第三节　无机非金属材料 第三节　无机非金属材料 第三节　无机非金属材料 第三节　无机非金属材料 第三节　无机非金属材料 3.《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料的成分一直是个谜，近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡（BaCuSi2Ox，铜为＋2价），下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是（　　） A.可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2 B.性质稳定，不易脱色 C.易溶解于强酸和强碱 D.x等于6 第三节　无机非金属材料 解析　“硅酸铜钡”能稳定存在说明其性质稳定，不易脱色，不易与酸、碱反应。“硅酸铜钡”中Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，则x＝6，用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2，A、B、D均正确。 答案　C 第三节　无机非金属材料 4.500多年前，一艘载着天然苏打晶体（Na2CO3·10H2O）的商船在航行中搁浅，船员们便在附近的沙滩上用几块苏打晶体支锅煮饭。之后他们惊奇地发现，在苏打晶体与沙粒接触的地方出现了许多晶莹发亮的珠子。回答下列问题： （1）沙滩上沙粒的主要成分为 　　　　⁠（填化学式）。  （2）上述晶莹发亮的珠子可能是 　　　　⁠（填字母）。  A.水晶颗粒 B.无水碳酸钠 C.晶体硅 D.玻璃珠 （3）生成该珠子时发生反应的化学方程式为 　 ⁠。  第三节　无机非金属材料 （4）氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，原因是 　 ⁠（用化学方程式表示）。  解析　（1）沙滩上沙粒的主要成分为SiO2。（2）由于沙子的主要成分是SiO2，高温下能与Na2CO3反应，生成的Na2SiO3和SiO2熔合成的晶莹发亮的固体是玻璃的成分。（3）珠子是由SiO2在高温下与Na2CO3反应，生成的Na2SiO3和SiO2熔合成的，所以反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑。（4）氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，原因为它能与SiO2反应，其反应化学方程式为SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2O 第三节　无机非金属材料 答案　（1）SiO2　（2）D　（3）SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑　（4）SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2O 第三节　无机非金属材料 2．(河南南阳一中高一月考)2023年全球光纤光缆大会在武汉光谷科技会展中心举行。光缆的主要成分为SiO2，碳和硅均为第ⅣA族的元素。下列关于SiO2和CO2的说法中，正确的是(　　) A．CO2与SiO2都能与H2O反应生成相应的酸 B．SiO2与CO2都不能与酸反应 C．SiO2与CO2都能够与氢氧化钠溶液反应 D．水晶的主要成分是SiC 解析　CO2能与H2O发生反应CO2＋H2OH2CO3，SiO2与H2O不反应，A错误；SiO2能与HF发生反应SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，B错误；SiO2与CO2都是酸性氧化物，都能够与氢氧化钠溶液发生反应，化学方程式分别为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O、CO2(少量)＋2NaOH===Na2CO3＋H2O，C正确；水晶的主要成分是SiO2，SiC是金刚砂的主要成分，D错误。 答案　C [对应学生用书第31页] 1．(湖南郴州高一统考学业考试)随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中不属于硅酸盐材料的是(　　) A．水泥　　　　　　 B．普通玻璃 C．石墨烯　　　　 D．陶瓷 解析　水泥是以石灰石和黏土为原料，再与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，经过复杂的变化得到的，属于传统的硅酸盐材料，故A不符合题意；普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经过复杂的物理和化学变化得到的以硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅为主要成分的传统的硅酸盐材料，故B不符合题意；石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，属于新型无机非金属材料，故C符合题意；陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成的，属于传统的硅酸盐材料，故D不符合题意。 答案　C 2．(济南高一期末)我国火星探测器“天问一号”上使用了质量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定的新型SiC增强铝基复合材料。下列说法错误的是(　　) A．SiC是一种新型硅酸盐材料 B．SiC俗称金刚砂，具有类似金刚石的结构 C．SiC中的碳原子和硅原子通过共价键连接 D．SiC具有优异的耐高温、抗氧化性能 解析　SiC属于新型陶瓷，不属于硅酸盐材料，A错误；碳化硅俗称金刚砂，具有类似金刚石的结构，熔、沸点高，硬度大，可用于制造耐高温、抗氧化的新型陶瓷，B、D正确：SiC属于共价化合物，碳原子和硅原子通过共价键连接，C正确；碳和硅均位于第ⅣA族，不易得失电子，故SiC具有优异的耐高温、抗氧化性能，D正确。 答案　A $$