11 第三节 无机非金属材料-【金版新学案】2024-2025学年高中化学必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 单选）

第三节　无机非金属材料 [学习目标]　1.了解传统无机非金属材料的原料、成分、性能及其在生产中的应用。　2.了解硅、二氧化硅的结构、性质及其在生产中的应用。　3.知道几种常见的新型无机非金属材料的成分及在生产中的应用。 任务一　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。 2．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，每个Si结合4个O，每个O结合2个Si。 3．常见的硅酸盐材料 (1)陶瓷 产品 主要原料 制备过程 生产应用 陶瓷 黏土 原料经高温烧结而成 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 (2)玻璃和水泥 产品 主要原料 主要设备 主要成分 用途 普通 玻璃 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 生产建筑材料、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 和沙子、碎石、水等混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程 [交流研讨]　(1)为什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点？ 提示：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体（结构如图所示）： 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。 (2)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。写出其中发生反应的化学方程式。 提示：Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。 4．常见玻璃种类及其性能、用途 玻璃种类 性能 用途 含铅的光学玻璃 透光性好，折射率高 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜 加入硼酸盐的玻璃 耐化学腐蚀、耐高温急剧变化 制实验玻璃仪器 加入金属氧化物或盐得到的彩色玻璃 具有多种颜色 建筑、装饰 1．下列关于玻璃的叙述正确的是(　　) A．制普通玻璃的原料主要是纯碱和石英 B．普通玻璃的主要成分是二氧化硅 C．普通玻璃的主要成分为Na2O·CaO·6SiO2，说明普通玻璃为纯净物 D．过量的泥沙、纯碱和石灰石熔融后生成玻璃 答案：D 解析：A．制普通玻璃的原料主要是纯碱、石英砂和石灰石，A错误；B．普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅，B错误；C．还含有其他物质，普通玻璃是混合物，C错误；D．泥沙主要成分为二氧化硅，过量的泥沙、纯碱和石灰石熔融后生成玻璃，D正确；故选D。 学生用书第31页 2.（2023·日照高一月考）“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色瓷的诗句，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、耐高温 D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐 答案：C 任务二　新型无机非金属材料 1．硅 (1)主要用途：生产半导体材料，如硅芯片、硅太阳能电池。 (2)高纯硅的制备 其中涉及的主要化学反应为： (a)SiO2＋2CSi＋2CO↑。 (b)Si＋3HClSiHCl3＋H2。 (c)SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 2．二氧化硅 (1)SiO2的性质 (2)二氧化硅的用途：用于生产光导纤维。 [交流研讨]　阅读情境素材，回答下列问题： 素材1：SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH溶液反应可生成Na2SiO3。 素材2：氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4气体和水，可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。 (1)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。 提示：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＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 (2)实验室中要熔化烧碱固体，现有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚。你认为应该选哪一种？简述选择的依据。 提示：选择铁坩埚。铁不与烧碱(NaOH)反应，而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2，能与NaOH反应，使得坩埚受损。 (3)能否用SiO2与水直接反应制取H2SiO3？由SiO2如何来制取H2SiO3？用化学方程式表示。 提示：不能，因为SiO2与水不反应。SiO2Na2SiO3H2SiO3。化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。 3．新型陶瓷 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 碳化硅(SiC) 硬度很大、耐高温、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料等 高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能 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 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 学生用书第32页 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、绝缘性好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导 陶瓷 在某一临界温度下具有超导性 用于电力、交 通、医疗等领域 4.碳纳米材料 (1)富勒烯：由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其代表物为C60。 (2)碳纳米管：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，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。 (3)石墨烯：只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。 1．下列关于硅及其化合物的叙述正确的是(　　) A．自然界中存在大量的单质硅 B．硅单质可用于制造硅太阳能电池 C．二氧化硅在电子工业中是重要的半导体材料 D．二氧化硅与氢氟酸和氢氧化钠均能反应，属于两性氧化物 答案：B 解析：A．硅有较强的亲氧性，自然界中没有游离态的硅，A错误；B．制造太阳能电池的主要材料是硅单质，B正确；C．晶体硅在电子工业中是重要的半导体材料，C错误；D．二氧化硅与氢氟酸和氢氧化钠均能反应，但SiO2与氢氟酸反应为其特性，不是能与所有酸反应的通性，故其属于酸性氧化物，D错误；故选B。 2．光导纤维的主要成分是二氧化硅，下列关于二氧化硅的说法正确的是(　　) A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸 B．SiO2＋2CSi＋2CO↑，由此可推出还原性：C>Si C．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆 D．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应 答案：D 解析：A．二氧化硅不能与水反应生成硅酸，故A错误；B．C的非金属性大于Si，氧化性：C>Si，还原性：C＜Si，故B错误；C．二氧化硅不导电，由于具有优良的光学特性而被用于制造光缆，故C错误；D．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应生成硅酸钠和二氧化碳，故D正确；故选D。 3．宇航员在升空、返回或遇到紧急情况时，必须穿上10公斤重的航天服，我国宇航员的航天服是由我国科学家研制的新型“连续纤维增韧”航空材料做成的，主要由碳化硅、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 答案：B 解析：由题目信息中“连续纤维增韧”可知，该航天服的韧性很好，质地并不是很脆，B错误。 1．下列有关硅酸盐材料的说法正确的是(　　) A．生产普通玻璃的主要原料为石灰石、纯碱和晶体硅 B．水晶、玛瑙、石英等主要成分都是SiO2 C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料 D．水泥、玻璃、陶瓷是三大传统硅酸盐产品，都是纯净物 答案：B 解析：A．生产普通玻璃的主要原料为石灰石、纯碱和石英砂，故A错误；B．水晶、玛瑙、石英等主要成分都是SiO2，故B正确；C．普通玻璃、水泥等属于硅酸盐材料，石英玻璃的主要成分是SiO2，故C错误；D．水泥、玻璃、陶瓷是三大传统硅酸盐产品，都是混合物，故D错误；故选B。 2．碳纳米管是继足球烯(C60)以后发现的又一种碳单质，以下有关碳纳米管与足球烯(C60)的说法错误的是(　　) A．它们的物理性质有较大差异 B．在常温下它们的化学性质都稳定 C．它们是不同的碳单质 D．它们分别完全燃烧后生成物不同 答案：D 解析：碳纳米管和足球烯中碳原子排列方式不同，物理性质不同；它们都是碳单质，都是纯净物，在通常情况下化学性质比较稳定；二者完全燃烧时都生成二氧化碳。 3．如图为石墨烯—硅太阳能电池结构模型。下列说法中，不正确的是(　　) 学生用书第33页 A．硅是应用广泛的半导体材料 B．二氧化硅可用来生产光导纤维 C．石墨烯—硅太阳能电池可将太阳能转化为电能 D．石墨烯不具有导电导热性 答案：D 解析：A．硅位于金属和非金属分界线处，具有金属和非金属的性质，所以其单质是良好的半导体材料，可以做硅芯片、硅太阳能电池，A项正确；B．光导纤维的主要成分是二氧化硅，B项正确；C．石墨烯—硅太阳能电池可将太阳能转化为电能，C项正确；D．石墨烯用于制作太阳能电池，是因为其具有优良的导电、导热性能，D项错误；答案选D。 4．下列有关硅及其化合物的说法中正确的是(　　) A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中 B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都发生 C．SiO2溶于烧碱溶液中可制得水玻璃，水玻璃属于电解质 D．虽然SiO2能与HF、NaOH反应，但SiO2不是两性氧化物 答案：D 解析：A．硅酸钠属于有黏性的物质，能将玻璃塞和试剂瓶黏结在一起而打不开，故A错误；B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，强酸制弱酸，在溶液中反应，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，是在高温条件下才能发生，CO2为气体，逸出可促使反应正向进行，故B错误；C．SiO2溶于烧碱溶液中可制得水玻璃，水玻璃是硅酸钠的水溶液，是混合物，既不是电解质也不是非电解质，故C错误；D．虽然SiO2能与HF、NaOH反应，但SiO2只与酸中的HF反应，故不是两性氧化物，故D正确；故选D。 5．实验室在模拟工业制备和提纯硅时，利用氯气、石英砂和碳粉（过量）等原料按如下装置制备了SiCl4，已知SiCl4熔点：－70 ℃，沸点：57.6 ℃，遇水极易水解。请回答： (1)硬质玻璃管中发生的化学反应方程式是____________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)液体X可以是冰水吗？　　　　（填“可以”或“不可以”），其作用是________________________________________________________________________。 (3)若缺少干燥管和固体Y，则会造成_______________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)“尾气处理”的方法是________________________________________________。 答案：(1)SiO2＋2C＋2Cl2SiCl4＋2CO (2)可以　冷凝SiCl4以收集产物 (3)水蒸气进入Z中使得SiCl4水解 (4)点燃（或用气囊收集） 解析：本题是实验室模拟工业制备和提纯硅，硬质玻璃管中是氯气、石英砂和碳粉（过量）发生反应生成SiCl4和CO，反应原理为SiO2＋2C＋2Cl2SiCl4＋2CO，接着使用冰水来收集SiCl4，干燥管防止水分进入Z集气瓶中，使SiCl4水解，盛有NaOH和Na2SO3的洗气瓶是吸收多余的Cl2，尾气处理生成的CO（可以点燃或者用气囊收集），据此分析解题。(1)由分析可知，硬质玻璃管是利用过量的C、SiO2和Cl2反应生成SiCl4和CO，故发生的化学反应方程式是SiO2＋2C＋2Cl2SiCl4＋2CO；(2)由题干信息可知，SiCl4熔点－70 ℃，沸点57.6 ℃，故液体X可以是冰水，其作用是冷凝SiCl4以收集产物；(3)由题干信息可知，SiCl4遇水极易水解，故若缺少干燥管和固体Y，则会造成水蒸气进入Z中使得SiCl4水解；(4)由分析可知，“尾气处理”的方法是点燃或者用气囊收集（处理CO）。 学科网（北京）股份有限公司 $$