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 双选）

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 学生用书第31页 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。 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。 学生用书第32页 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 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(　　) 学生用书第33页 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(　　) 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 $$