第5章 第3节 无机非金属材料（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中化学必修第二册（人教版2024）

第三节　无机非金属材料 [学习目标] 1.了解硅酸盐及其性质、结构特点，了解传统硅酸盐产品的工业生产，知道硅及其化合物在材料家族中的应用。（证据推理与模型认知） 2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。（科学态度与社会责任） （见学生用书P38） 知识点1　硅酸盐材料 1.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，其结构如图所示。 每个Si结合①　4　个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的②　O　相互连接，每个③　O　为④　2　个四面体所共有，与⑤　2　个Si相结合。 （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⑥　高　、⑦　难　溶于水、耐⑧　高温　、耐⑨　腐蚀　等特点。 2.常见的硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 原料 ⑩　黏土　 ⑪　纯碱（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）、石英砂（SiO2）　 主要原料：⑫　石灰石、黏土　辅助原料：适量的石膏 设备 — ⑬　玻璃窑　 ⑭　水泥回转窑　 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程 知识点2　新型无机非金属材料 1.硅的存在与性质 （1）位：硅元素位于元素周期表第⑮　三　周期第⑯　Ⅳ答案　A族，处于金属与非金属的⑰　过渡　位置。 （2）构：硅元素原子核外有3个电子层，最外层有4个电子。 （3）性：单质的导电性介于⑱　导体　与⑲　绝缘体　之间，是应用最为广泛的⑳　半导体　材料。 （4）硅的存在：硅在自然界主要以㉑　硅酸盐　和㉒　氧化物　的形式存在。 （5）高纯硅的制备 工业制备高纯硅的原理流程图 其中涉及的主要反应为 ①㉓　SiO2＋2CSi＋2CO↑　 ②㉔　Si＋3HClSiHCl3＋H2　 ③㉕　SiHCl3＋H2Si＋3HCl　 （6）硅的用途 高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的㉖　芯片　，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的㉗　硅太阳能电池　。 2.二氧化硅的用途 二氧化硅可用来生产㉘　光导纤维　。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输信号不易衰减，能够有效提高通信效率。 3.新型陶瓷 （1）新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在㉙　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㉚　金刚砂　，其中的碳原子和硅原子通过㉛　共价键　连接，与㉜　金刚石　的结构类似，具有很大的硬度和优异的㉝　高温抗氧化　性能。可用作㉞　耐高温结构材料　、㉟　耐高温半导体材料　等。 （3）常见新型陶瓷及其用途（选择填空） ①㊱　C　　用于高压钠灯、激光器、高温探测窗 ②㊲　D　　主要用于电力、交通、医疗等领域 ③㊳　B　　用于滤声器、扬声器、超声波探伤器 ④㊴　A　　用于火箭、汽车发动机和耐高温材料 A.高温结构陶瓷 B.压电陶瓷 C.透明陶瓷 D.超导陶瓷 4.碳纳米材料 （1）富勒烯是由㊵　碳原子　构成的一系列㊶　笼形　分子的总称，其中的㊷　C60　是富勒烯的代表物。 （2）碳纳米管可以看成是由㊸　石墨片层　卷成的管状物，具有㊹　纳米　尺度的直径。比表面积㊺　大　，有相当高的强度和优良的㊻　电学性能　。 （3）石墨烯是只有一个㊼　碳原子直径　厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率㊽　低　、热导率㊾　高　，具有很高的强度。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）硅晶片是生产芯片的基础材料。 （　√　） （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）硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。 （　×　） （5）硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定。 （　√　） （6）硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合。 （　√　） （7）磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸。 （　×　） （1）金刚砂为碳化硅，与金刚石结构类似，但不是金刚石的同素异形体。 （2）硅酸盐结构复杂，通常用SiO2和金属氧化物的组合形式来表示其组成，但不是它们的混合物。 （3）因玻璃中的SiO2能与碱反应，所以不能用磨口玻璃塞试剂瓶盛放烧碱溶液；氢氟酸也能与SiO2反应，故也不能用磨口玻璃塞试剂瓶盛放氢氟酸。 （见学生用书P39） 探究点1　硅酸盐材料 1.现代生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。对比普通玻璃的成分及原料，推测高温下制造玻璃的过程中发生的反应。 答案　普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2；制造普通玻璃的主要原料有纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）；Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。 1.常见硅酸盐材料的成分与特点 陶瓷 玻璃 水泥 主要成分 成分 复杂 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） 特点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成玻璃制品 具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬 2.常见的硅酸盐——硅酸钠（俗名泡花碱） （1）硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，常用作黏合剂和防火剂。 （2）硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸（H2SiO3）沉淀，其离子方程式是Si＋2H＋H2SiO3↓。 （3）H2CO3的酸性强于H2SiO3，少量二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是Si＋CO2＋H2OH2SiO3↓＋C。 特别提示：高温下反应SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑也能发生，该反应之所以能发生，是因为反应不是在水溶液中进行的，在高温条件下生成的CO2气体从反应体系中逸出，从而使反应能够继续进行。 【例题1】硅酸盐材料是传统的无机非金属材料。下面有关硅酸盐材料的说法正确的是（　　） A.普通玻璃的主要成分是纯碱、石灰石和石英 B.制造水泥的主要原料是石灰石和黏土 C.水玻璃的成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅 D.陶器比瓷器的结构致密，几乎不吸水 答案　B 解析　普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，A项错误；水玻璃是硅酸钠的水溶液，C项错误；瓷器比陶器的结构致密，几乎不吸水，D项错误。 【变式1】钢化玻璃俗称“普通玻璃的化身”，是普通玻璃经一定物理方法处理后得到的。钢化玻璃一般不会发生自爆现象，但当钢化玻璃中含有硫化镍结核时就有可能发生自爆现象。下列有关说法中错误的是（　　） A.制取钢化玻璃的原料为石灰石、纯碱和石英 B.钢化玻璃是一种新型无机非金属材料 C.制取钢化玻璃的主要反应都是非氧化还原反应 D.在碳素钢中加入镍等合金元素可以制得不锈钢及各种特种钢 答案　B 解析　根据题给信息知，制取钢化玻璃的原料与制取普通玻璃的原料一样，为石灰石、纯碱和石英，A项正确；钢化玻璃与普通玻璃的组成基本相同，仍属于传统无机非金属材料，B项错误；制取钢化玻璃的主要反应为Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，都是非氧化还原反应，C项正确；不锈钢是由铁、铬、镍等制成的合金钢，故在碳素钢中加入镍等合金元素可以制得不锈钢及各种特种钢，D项正确。 探究点2　硅、二氧化硅及新型无机非金属材料 2.实验室中盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞，是因为玻璃中的SiO2能与氢氧化钠反应；生产磨砂玻璃时可以用氢氟酸溶蚀玻璃，是因为氢氟酸可与SiO2反应。由此是否可得出SiO2是两性氧化物？ 答案　不对。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只能与氢氟酸反应，且生成的SiF4不属于盐。 1.Si的性质 （1）常温下能与F2、HF、强碱等反应 Si＋2F2SiF4 Si＋4HFSiF4↑＋2H2↑ Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑ （2）加热时能与O2、Cl2、C等反应 Si＋O2SiO2 Si＋2Cl2SiCl4 Si＋CSiC 特别提示： （1）Si与氢氟酸反应是Si的特性，其他非金属单质不具有此性质。 （2）Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质，Al是能与NaOH溶液反应放出H2的金属单质。推断题中常以此作为突破口。 2.SiO2的性质 【例题2】有一含有杂质铁的粗硅，取等质量的样品分别投入过量的稀盐酸和过量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的氢气，则该粗硅中铁和硅的关系正确的是（　　） A.物质的量之比为2∶1 B.物质的量之比为1∶2 C.质量之比为1∶4 D.质量之比为2∶1 答案　A 解析　该粗硅样品与稀盐酸的反应实质是铁与稀盐酸反应：Fe＋2HClFeCl2＋H2↑；与氢氧化钠溶液的反应实质是硅与氢氧化钠溶液反应：Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑。因放出等量的氢气，则铁与硅的物质的量之比为2∶1，质量之比为4∶1。 【变式2】有科学家提出硅是“21世纪的能源”，下列关于硅及其化合物的说法正确的是（　　） A.SiO2和CO2都是酸性氧化物，既能与水反应，又能与NaOH溶液反应 B.高温下，工业制粗硅的化学方程式为2C＋SiO2Si＋2CO↑ C.二氧化硅的熔点高、硬度大，因此可用于制作光导纤维 D.水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品 答案　B 解析　SiO2和CO2都是酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应，但二氧化硅不能与水反应，A项错误；高温下，工业制粗硅利用碳还原二氧化硅，反应的化学方程式为2C＋SiO2Si＋2CO↑，B项正确；二氧化硅能做光导纤维是利用了二氧化硅对光的反射，与其熔点和硬度无关，C项错误；水泥、玻璃都是硅酸盐制品，水晶饰物的主要成分为二氧化硅，D项错误。 3.新型无机非金属材料 （1）硅与碳的化合物碳化硅（SiC，俗称金刚砂），具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料。 （2）含硅4％的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯。 （3）人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在－60～250 ℃ 仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等。 （4）人工制造的分子筛（一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐），主要用作吸附剂和催化剂。 【例题3】下列物质与其对应的用途搭配不正确的是（　　） A.高能燃料——火箭动力 B.石英砂——制造光导纤维 C.半导体硅晶片——制造计算机芯片 D.高强度耐火陶瓷——制造轮船 答案　D 解析　制造轮船的材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷，D项错误。 【变式3】太空航天器常穿上用新型陶瓷材料制成的“外衣”，在穿越大气层时，能克服“热障”安全返回地面，这种外衣主要利用了材料的（　　） A.绝缘性好 B.密度大 C.耐高温和隔热性好 D.硬度大 答案　C 解析　因为航天器在穿过稠密的大气层返回地球的过程中与大气剧烈摩擦，产生高温，为了防止烧毁航天器，所以这种材料应具备耐高温的特点；还要防止因舱内温度过高对宇航员的身体造成危害，这种材料还应具备隔热性好的特点。故选C项。 （见学生用书P41） 1.（硅酸盐材料）作为全球最大的电子产品制造国，中国却有着“芯”病。我国国产芯片自给率不到30％，产值不足全球的7％，市场份额不到10％。下列说法正确的是（　　） A.CPU半导体芯片与光导纤维是同种材料 B.水泥和玻璃属于新型硅酸盐材料 C.水晶和陶瓷都是硅酸盐制品 D 粗硅制备单晶硅涉及氧化还原反应 答案　D 解析　CPU半导体芯片的主要成分是晶体硅，光导纤维的主要成分是二氧化硅，两者所用的材料不同，A项错误；水泥和玻璃的主要成分都是硅酸盐，均属于硅酸盐材料，但不属于新型硅酸盐材料，B项错误；水晶的主要成分是二氧化硅，是氧化物，不是硅酸盐，C项错误；粗硅制备单晶硅的过程中，先用氯化氢把硅氧化为三氯硅烷，再用氢气把三氯硅烷还原为硅，故该过程存在元素化合价变化，涉及氧化还原反应，D项正确。 2.（硅的性质）硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是（　　） A.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B.硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石 C.反应Si＋ 2NaOH ＋ H2ONa2SiO3 ＋ 2H2↑中，Si为氧化剂 D.硅能与氢氟酸反应，则硅可以与盐酸反应 答案　A 解析　硅是良好的半导体材料，常用来制造太阳能相关设备，能将太阳能转换为电能，A项正确；虽然硅单质在常温下化学性质稳定，但在自然界中不存在游离态的硅，在自然界存在较多的硅石，其主要成分是SiO2，B项错误；反应Si＋ 2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑中，Si的化合价升高，为还原剂，C项错误；硅能与氢氟酸反应，但硅不能与盐酸反应，D项错误。 3.（硅酸盐材料）中国的量子通信、5G技术在世界上处于领先地位。下列说法不正确的是（　　） A.“北斗”全球导航卫星计算机的芯片材料是高纯度二氧化硅 B.光导纤维被广泛应用于光缆通讯，其成分是二氧化硅 C.高温结构陶瓷是制作导弹、火箭的理想材料 D.玻璃、水泥、陶瓷属于硅酸盐产品 答案　A 解析　计算机的芯片材料是高纯度硅，而二氧化硅用于生产光纤，A项错误；光导纤维能对光进行全反射，用于生产光缆，主要成分是二氧化硅，B项正确；高温结构陶瓷的耐高温性能好，且抗腐蚀能力强，是制作导弹、火箭的理想材料，C项正确；玻璃、水泥、陶瓷的主要成分都是硅酸盐，它们属于传统硅酸盐产品，D项正确。 4.（无机非金属材料）下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是（　　） ①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰　⑤硅太阳能电池　⑥光导纤维 ⑦计算机芯片 A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦ 答案　A 解析　玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。故选A项。 5.（综合应用）氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。 （1）根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是　　　　（填字母）。 A.制汽轮机叶片 B.制有色金属 C.制永久性模具 D.制造柴油机 （2）写出氮原子结构示意图　　　　，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式　　　　。 （3）氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：　　　　　　　　　　　　　。 （4）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　。 答案　（1）AC答案　D（2）　Si3（3）Si3N4＋12HF3SiF4↑＋4NH3↑　（4）3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl 学科网（北京）股份有限公司 $$