第5章 第3节 无机非金属材料-【正禾一本通】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 素养解读 1.结合真实情景中的应用实例或通过实验探究，了解硅和二氧化硅的主要性质。 2．认识硅酸盐材料、无机非金属材料在生产、生活中的应用 能分析化学科学在开发利用自然资源、合成新物质、保护环境等方面的价值和贡献，发展科学态度与社会责任的化学学科核心素养 任务一　硅酸盐材料 1．硅酸盐材料的结构与性质 (1)结构 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体(如图所示)。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。 (2)性质 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．常见的硅酸盐材料 产品 原料 主要设备 主要成分 用途 陶瓷 黏土 陶瓷窑 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿等 玻璃(普通) 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿等 水泥 石灰石、黏土、适量石膏 水泥 回转窑 硅酸盐 建筑和水利工程 【易错辨析】 (1)硅酸盐结构较为复杂，大多难溶于水，化学性质稳定(√) (2)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石(√) (3)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(×) (4)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐(√) 【对点练】 1．“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、耐高温 D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐 解析：选C。陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；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，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、耐高温，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。 2．宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是(　　) A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化 B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料 C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物 D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸 解析：选C。不同的金属氧化物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生了氧化还原反应导致颜色变化，A正确；氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，B正确；瓷器中含有多种硅酸盐，是混合物，C错误；氢氟酸能腐蚀陶瓷，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，D正确。 任务二　新型无机非金属材料 光导纤维的主要成分是什么？利用光导纤维传输信号是利用了SiO2的导电性吗？制造5G芯片的主要材料是什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：光导纤维的主要成分是SiO2。SiO2不具有导电性，且光导纤维传输的是光信号而不是电信号。制造5G芯片的主要材料是高纯硅。 1．硅和二氧化硅 (1)硅元素的存在与结构 含量 存在形态 原子结构示意图 周期表中位置 地壳中居第二位 氧化物和硅酸盐 第三周期、第ⅣA族 (2)硅的导电性 硅单质导电性介于导体与绝缘体之间，是重要的半导体材料。 (3)单质硅的制备与提纯 其中涉及的主要化学反应： ①SiO2＋2CSi＋2CO↑； ②Si＋3HClSiHCl3＋H2； ③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 (4)硅和二氧化硅的用途 ①高纯硅：制造芯片和硅太阳能电池。 ②二氧化硅：生产光导纤维。 2．新型陶瓷 类型 组成 主要性能 应用 金刚砂 SiC 硬度很大、高温抗氧化性能优异 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料等 高温结构陶瓷 碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 火箭发动机、汽车发动机、高温电极材料等 压电陶瓷 钛酸盐和锆酸盐 能实现机械能与电能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器、点火器等 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇或氮化铝、氟化钙 光学性能优异、耐高温、绝缘性好 高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 — 在某一临界温度下电阻为零，具有超导性 电力、交通、医疗等领域 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，如代表物C60 — 制碳纳米材料 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、复合材料等方面的应用研究正在不断深入 【对点练】 考向1　新型无机非金属材料的组成与应用 3．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是(　　) A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4 B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承 C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2 D．二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为1∶2 解析：选D。A项，在氮化硅中N元素为－3价，Si元素为＋4价，则化学式为Si3N4，正确；D项，在SiO2晶体中，一个硅原子与周围4个氧原子形成4个硅氧单键，错误。 4．近年来科学家制造出大量的新物质，对下列三种物质的相关说法错误的是(　　) 石墨烯：从石墨中分离出来，是最薄、最坚硬的纳米材料 石墨炔：平面网状结构的全碳分子，具有优良的化学稳定性 纳米碳管：具有优良的场发射性能，可制作阴极显像管、储氢材料 A．石墨烯具有良好的导电性 B．上述三种物质与金刚石互为同素异形体 C．石墨炔孔径略大于H2分子的直径，可作H2的提纯薄膜 D．上述三种物质与浓硫酸都能发生反应，但反应产物不同 解析：选D。碳与浓硫酸反应的产物均为二氧化碳、二氧化硫和H2O。 考向2　高纯硅的制备 5．(2024·湖南邵阳联考)高纯硅是现代信息等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图如图所示，下列说法正确的是(　　) A．硅元素位于周期表中第二周期第ⅣA族 B．电弧炉中的反应为SiO2＋CSi＋CO2↑ C．该工艺流程中被循环利用的物质有HCl和H2 D．制备所得的高纯硅是传统的硅酸盐材料 解析：选C。硅是14号元素，位于元素周期表的第三周期第ⅣA族，A错误；电弧炉中二氧化硅与碳反应生成硅与CO，化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，B错误；粗硅与HCl的反应为Si＋3HClSiHCl3＋H2，后续还原炉中反应为SiHCl3＋H2Si＋3HCl，由此判断上述工艺生产中循环使用的物质为H2、HCl，C正确；制备所得的高纯硅不是硅酸盐材料，D错误。 6．晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下： Ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅； Ⅱ.粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2； Ⅲ.SiHCl3与过量H2在1 100 ℃反应制得纯硅。 已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题： (1)第Ⅰ步制备粗硅的化学方程式为________________________________。 (2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法为_______。 (3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图(热源及夹持装置略去)： ①装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，目的是_________________________________________________。 ②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是__________________________， 装置D中发生反应的化学方程式为__________________________。 ③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及_______________________________________。 ④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是________(填字母)。 a．碘水　　b．氯水　　c．NaOH溶液　　d．KSCN溶液　　e．Na2SO3溶液 解析：(3)①为防止SiHCl3与H2O强烈反应，需要干燥剂干燥氢气，浓硫酸具有吸水性且不和氢气反应，所以可以作干燥剂；升高温度能使SiHCl3气化，从而使SiHCl3和氢气在D中反应。 ②D中发生反应SiHCl3＋H2Si＋3HCl，Si为固态，所以看到的现象是有固体物质生成。 ③Si是亲氧元素，为防止Si被氧化，需要排尽装置中的空气。 答案：(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑　(2)蒸馏　(3)①浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3气化　②有固体物质生成　SiHCl3＋H2Si＋3HCl　③排尽装置中的空气　④db 课堂加练·课后检测 【课堂加练题组】 1．自然界中硅元素主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在于地壳中。下列有关硅元素的说法正确的是(　　) A．水泥、水晶、玛瑙都属于硅酸盐工业产品 B．制造太阳能电池板的主要材料是二氧化硅 C．手机芯片的主要材料是单晶硅 D．陶瓷和玻璃都使用共同的原料石灰石 解析：选C。水晶、玛瑙主要成分为二氧化硅，是氧化物，不是硅酸盐，A错误；太阳能电池板的主要材料是硅，不是二氧化硅，B错误；晶体硅为良好的半导体材料，可用于制造芯片，C正确；石灰石是制备玻璃、水泥等物质的工业原料之一，制作陶瓷的原料主要是黏土，D错误。 2．(2024·广东梅州期末)与“定州花瓷瓯，颜色天下白”描述的物质材质相同的是(　　) A．黄花梨四撞提盒 B．女史箴图 C．战国青铜剑 D．青花山水长形瓷枕 答案：D 3．下列关于新型无机非金属材料的叙述不正确的是(　　) A．氮化硅陶瓷、光导纤维等属于新型无机非金属材料 B．碳化硅的硬度大、熔点高，可用作砂纸和砂轮的磨料及耐高温材料 C．碳纳米管具有纳米尺度的直径，可用于生产复合材料、电池和传感器等 D．石墨烯具有热导率低、强度高等特性，可用于材料、电子信息、计算机等领域 解析：选D。石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，具有电阻率低、热导率高、强度高等特性。 4．用石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下： ①SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑ ②Si(粗)＋2Cl2SiCl4 ③SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl 关于上述反应的叙述不正确的是(　　) A．①③是置换反应，②是化合反应 B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅 C．任一上述反应中，每消耗或生成28 g硅，均转移4 mol电子 D．高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅 解析：选D。题中的三个反应在三个不同反应器中发生，D错误。 5．A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转化关系如下图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质。 (1)形成单质A的元素，在化合物中的最高化合价为________。 (2)B的化学式是__________，C的化学式是__________，D的化学式是____________。 (3)B与碳反应生成A和E的化学方程式为__________________。 解析：本题的突破点是“A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质”，由此可知A为硅， B为二氧化硅，C为硅酸钙，D为硅酸钠。 答案：(1)＋4价　(2) SiO2　CaSiO3　Na2SiO3　(3)SiO2＋2CSi＋2CO↑ 实验活动4　用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子 【实验目的】 1．用化学沉淀法去除粗盐中的Ca2+、Mg2+和。 2．熟练掌握溶解、过滤、蒸发等操作，认识化学方法在物质分离和提纯中的重要作用。 【实验用品】 天平、药匙、量筒、烧杯、玻璃棒、胶头滴管、漏斗、滤纸、蒸发皿、坩埚钳、铁架台(带铁圈)、陶土网、酒精灯、火柴。 粗盐、蒸馏水、0.1 mol·L-1氯化钡溶液、20%的氢氧化钠溶液、饱和碳酸钠溶液、6 mol·L-1盐酸、pH试纸。 【实验步骤】 实验步骤 具体操作 ①溶解 用天平称取5.0 g粗盐放入100 mL烧杯中，然后加入20 mL蒸馏水，用玻璃棒搅拌，使粗盐充分溶解，得到粗盐水 ②沉淀 向粗盐水中依次滴加过量的氯化钡溶液、氢氧化钠溶液、饱和碳酸钠溶液，使、Mg2+、Ca2+、Ba2+完全沉淀析出，并检验沉淀是否完全 ③过滤 将烧杯静置后过滤，除去生成的沉淀和不溶性杂质，过滤时玻璃棒的作用是引流，滤液呈碱性 ④中和 向滤液中滴加盐酸，用玻璃棒搅拌，直到无气泡冒出，并用pH试纸检验，使滤液呈中性或微酸性 ⑤蒸发 将滤液倒入蒸发皿中，用酒精灯加热，同时用玻璃棒不断搅拌。当蒸发皿中出现较多固体时，停止加热。利用蒸发皿的余热使滤液蒸干。冷却后，得到去除了杂质离子的精盐 【问题和讨论】 1．为什么每次所加的试剂都要略微过量？最后加入盐酸的目的是什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：为保证除杂完全，所用沉淀剂必须过量。过量的沉淀剂应在后续步骤中除去，加入盐酸的目的是除去和OH－。 2．过滤与加入盐酸的操作顺序能否颠倒？为什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：不能。若颠倒顺序，Mg(OH)2、BaCO3和CaCO3可与盐酸反应生成易溶于水的MgCl2、BaCl2、CaCl2，从而不能除去Mg2+、Ca2+、Ba2+。 【对点练】 1．食盐是日常生活的必需品，也是重要的化工原料，粗盐中常含有少量泥沙及Ca2+、Mg2+、等杂质离子。为除去粗盐中的Ca2+、Mg2+、以及泥沙等杂质，某同学设计了一种制备精盐的实验方案，步骤如下： 粗盐滤液精盐 (1)为除去Ca2+、Mg2+、，步骤②～④需加入以下三种溶液(用于沉淀的试剂稍过量) A．Na2CO3　　B．BaCl2　　C．NaOH 加入的顺序为________(填字母)。 (2)请写出步骤⑥中涉及反应的离子方程式：____________________。 (3)粗盐提纯的整个操作过程中多处使用到玻璃棒，步骤⑦蒸发过程中使用玻璃棒的作用是_____________________________________。 答案：(1)BCA(或CBA或BAC) ＋2H＋===H2O＋CO2↑、OH－＋H＋===H2O (3)搅拌，防止局部过热使液体飞溅 2．某校探究学习小组同学用含有少量杂质(主要为少量泥沙、CaCl2、MgCl2、Na2SO4等)的粗盐制取较纯净的NaCl，实验前他们设计了如下图方案。 请回答： (1)请写出操作第④、⑤步所加试剂名称：④____________，⑤__________。 (2)写出第④步操作中可能发生反应的化学方程式：________。 (3)如何用最简单的方法检验第⑤步实验是否达到了目的：___________。 (4)你认为该设计里哪些步骤调换后不影响实验结果：________________。 (5)有同学认为上述实验设计步骤可以简化，请你提出简化的一种设想：_______________________________________________________________。 答案：(1)碳酸钠溶液　盐酸　(2)BaCl2＋Na2CO3===BaCO3↓＋2NaCl、CaCl2＋Na2CO3===CaCO3↓＋2NaCl (3)用玻璃棒蘸取溶液滴在pH试纸中部，若pH试纸变红，说明溶液呈酸性，无OH－、存在；若变蓝，说明溶液仍呈碱性，有OH－、存在，需继续滴加盐酸至呈酸性 (4)②和③或③和④　(5)用Ba(OH)2代替BaCl2和NaOH，使②③步合并为一步 实验活动5　不同价态含硫物质的转化 【实验目的】 1．通过实验加深对硫及其化合物性质的认识。 2．应用氧化还原反应原理实现不同价态含硫物质的转化。 【实验过程和结论】 1．硫化钠转化为单质硫 (1)实验操作 (2)实验现象 甲：有淡黄色沉淀生成；乙：紫红色褪色，产生淡黄色沉淀。 (3)实验结论 S2-能被H2SO3溶液及酸性KMnO4溶液氧化生成单质S。 2．浓硫酸转化为二氧化硫 (1)实验装置 (2)实验现象 A试管中有气泡生成，溶液变为蓝色，铜片溶解，B试管中品红溶液褪色。 (3)浓硫酸和铜反应的化学方程式：Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。 3．硫转化为硫化亚铁 (1)实验装置 (2)实验现象：当混合物呈红热状态时，移开玻璃棒，混合物继续保持红热状态，最后生成黑色固体。 (3)硫粉和铁粉反应的化学方程式：Fe＋SFeS。 【问题和讨论】 1．硫化钠转化为单质硫的实验中，用浸NaOH溶液的棉团塞住试管口的作用是什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：吸收实验过程中可能产生的有毒气体硫化氢等。 2．铁粉与硫粉在空气中混合燃烧时，可能发生哪些反应？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：①S＋O2SO2，②Fe＋SFeS，③3Fe＋2O2Fe3O4。 【对点练】 1．(2024·江西赣州检测)部分含硫化合物的分类与相应化合价关系如图所示。下列推断正确的是(　　) A．存在c→g的转化 B．c→e→f是形成酸雨的唯一途径 C．自然界不存在单质b D．a只具有还原性 解析：选A。根据化合价和含硫物质的关系可判断a是H2S，b是S，c是SO2，d是SO3，e是H2SO3，f是H2SO4，g是亚硫酸盐，h是硫酸盐。SO2与NaOH溶液反应可生成Na2SO3或NaHSO3，A项正确；硫酸型酸雨形成的主要途径：①SO2―→H2SO3―→H2SO4、②SO2―→SO3―→H2SO4，B项错误；在火山口附近有S单质存在，C项错误； a为H2S，H2S中H为＋1价，S为－2价，既具有氧化性又具有还原性，D项错误。 2．中学化学中几种常见物质的转化关系如下图(部分产物未列出)。A是一种金属单质，D是一种非金属固体单质。 请回答下列问题： (1)A、C的化学式分别为A____________，C____________。 (2)F的浓溶液与A反应过程中，F体现的性质与下列反应中H2SO4体现的性质完全相同的是____________(填字母)。 A．C＋2H2SO4(浓)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O B．Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑ C．Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O D．FeO＋H2SO4===FeSO4＋H2O (3)写出反应E＋H2O2―→F的化学方程式：__________________。 (4)若反应F＋D―→E转移电子数为6.02×1023，则消耗D的质量为__________。 解析：由AB―→C可知，A为变价金属Fe，B为FeSO4，C为Fe2(SO4)3，由F―→C可推知F为H2SO4，进而推出D为S，E为SO2，故F＋D―→E为2H2SO4(浓)＋S3SO2↑＋2H2O，当消耗32 g S时，转移电子的物质的量为4 mol，所以转移1 mol e－时，消耗S的质量为8 g。 答案：(1)Fe　Fe2(SO4)3　(2)C (3)SO2＋H2O2===H2SO4　(4)8 g 学科网（北京）股份有限公司 $$