第五章 第三节 无机非金属材料-【优化探究】2025-2026学年新教材高中化学必修第二册同步导学案配套PPT课件（人教版）单选

第三节　无机非金属材料 优化探究 第五章　化工生产中的重要非金属元素 [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 任务二　新型无机非金属材料 课时作业　巩固提升 任务一　硅酸盐材料   陶瓷 普通玻璃 普通水泥 原料 　　　  ________________________________________ 主要原料: 　　　 　 　　  辅料:适量的石膏 设备 陶瓷窑 　　　  　　　　　　　  主要 成分 含水的铝硅酸盐 　　　　　　　  　　　　　　　  　　　　　　　  — 黏土 纯碱(Na2CO3)、石灰石 (CaCO3)、石英砂(SiO2) 石灰石、黏土 玻璃窑 水泥回转窑 硅酸钠(Na2SiO3)、 硅酸钙(CaSiO3)、 二氧化硅(SiO2)   陶瓷 普通玻璃 普通水泥 性能 耐高温、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 透光性好、硬度大、无固定熔点 遇水逐渐变硬(水硬性),硬化后性质稳定 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程 1.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↑。 2.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。 1.下列说法中,正确的是　　 　　(填序号)。  (1)汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的陶瓷,其主要原料是黏土 (2)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 (3)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化 (4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行 (1)(2)(3)(4) 2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐,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。 (1)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,其离子方程式是   　。  (2)过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中,反应的离子方程式是   　。  Si+2H+===H2SiO3↓ Si+2CO2+2H2O===H2SiO3↓+2HC 3.(2023·山东日照高一月考)“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 C 解析: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。 任务二　新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 (1)硅 硅元素位于元素周期表第　　　　周期、第　　　　族,处于金属与非金属的过渡位置。其单质的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最广泛的　　　　材料。  硅在自然界主要以　　　　(如地壳中的大多数矿物)和 　　　　(如水晶、玛瑙)的形式存在。  三 ⅣA　 半导体 硅酸盐 氧化物 (2)粗硅的制备 工业上用焦炭还原石英砂可以制得含少量杂质的粗硅,化学方程式: 　　　　　　　　　　　　　　　　　。  SiO2+2CSi+2CO↑ 教材拓展 高纯硅的制备 由石英砂到粗硅,最后提纯得到高纯硅的流程如图: 上述流程中发生反应的化学方程式为 SiO2+2CSi+2CO↑、Si+3HClSiHCl3+H2、SiHCl3+H2Si+3HCl。 (3)硅和二氧化硅的用途 ①高纯硅用于制造　　　　和　　　　　　。  ②　　　　用于生产光导纤维。  芯片　 硅太阳能电池 二氧化硅 2.新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系,在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 ______ _______　　　 硬度　　、耐　　、抗　　  砂纸和砂轮的　　、耐高温 　　材料、耐高温　　　　材料等  高温结 构陶瓷 　　　、 　　　或某些金属氧化物  耐　　　、抗氧化、耐　　　  火箭和汽车发动机、高温电极材料等 碳化硅 (SiC)　 大　 高温　 氧化 磨料 结构 半导体 碳化硅 氮化硅 高温 腐蚀 新型材料 成分 性能 主要应用 压电陶瓷 　　　　、 　　　 等  能实现　 　能与 　　能的相互转化  滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 　　　 、　　　等氧化物透明陶瓷; 　　　、　　　等非氧化物透明陶瓷  具有优异的光学 性能、耐高温、 　　 　好  高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 — 某一临界温度下具有超导性 可用于电力、交通、医疗等领域 钛酸盐　 锆酸盐　 机械　 电 氧化铝 氧化钇 氮化铝　 氟化钙 绝缘性 3.碳纳米材料 碳纳米材料主要包括　　　、　　　　、　　　等,广泛应用于能源、信息、医药等领域。  新型材料 结构 性能 用途 富勒烯 由　　　　构成的一系列笼形分子的总称,如　　　　  — 制碳纳米材料 碳纳 米管 由　　　　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　　　和优良的　　　性能  生产复合材料、电池和传感器等 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 碳原子　 C60 石墨片层 强度 电学 新型 材料 结构 性能 用途 石墨烯 只有　　　 　　　厚度的单层石墨  电阻率　　、热导率　　,具有很高的强度  光电器件、超级电容器、电池、复合材料等 一个碳原子直径　 低　 高 阅读情景素材,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)SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗? 提示:SiO2不属于两性氧化物。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能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。 (2)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。 (3)为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液? 提示:NaOH能与磨口玻璃塞中的SiO2反应,生成具有黏性的Na2SiO3,把瓶塞与瓶口黏结在一起。 (4)SiO2属于酸性氧化物,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。SiO2 Na2SiO3 H2SiO3。化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O, Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓。 归纳总结 1.SiO2的性质 2.硅酸(H2SiO3)的性质 (1)难溶于水的弱酸,其酸性不能使石蕊溶液变红; (2)与碱反应:H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O; (3)不稳定,受热易分解:H2SiO3H2O+SiO2。 1.下列说法中,错误的是　　　　(填序号)。  (1)晶体硅熔点高、硬度大,故可用作半导体材料 (2)石英砂可用于生产单晶硅 (3)二氧化硅是酸性氧化物,所以能溶于水且可与水反应生成硅酸 (4)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料 (5)向硅酸钠溶液中通入适量CO2,出现白色沉淀,证明碳的非金属性强于硅 (1)(3) 2.硅是组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Si D.氮化硅、氧化铝、碳化硅和二氧化锆都可用作制高温结构陶瓷的材料 C 解析:氮化硅中各元素的原子最外层均达到8电子的稳定结构。硅原子最外层电子数为4,氮原子最外层电子数为5,要形成8电子稳定结构,则二者的个数比为3∶4,其化学式为Si3N4,故A正确;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,故B正确;光导纤维的主要成分为二氧化硅,是一种新型无机非金属材料,故C错误;氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)和二氧化锆(ZrO2)熔点高,都可用作制高温结构陶瓷的材料,故D正确。 3.根据不同部位工作条件的不同,航天飞机使用了多种防热材料。例如,机身和机翼下表面使用高温陶瓷瓦。下列对新型陶瓷材料的有关叙述中,错误的是(　　) A.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,可以作为高级耐火材料 B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,它是生物陶瓷 C.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,它可用于制造陶瓷发动机的受热面 D.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,但是强度比较差 D 解析:高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,可以作为高级耐火材料,A正确;氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,是一种生物陶瓷,B正确;氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,是高温结构材料,可用于制造陶瓷发动机的受热面,C正确;新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料的缺点,而且同时还具有较高的强度和耐磨性,能抵抗冷热冲击,且有电学性能等优点,D错误。 4.下列溶液的存放不能使用磨口玻璃塞的是(　　) ①氢氟酸　②NaHSO4　③KNO3　④石灰水　⑤CuSO4　⑥NaOH ⑦Na2SiO3 A.④⑧⑦　　　　　　　　　 B.①④⑥⑦ C.①③⑤ D.①④⑥ B 解析:氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水,所以存放氢氟酸时不能使用磨口玻璃塞,①符合题意;NaHSO4、KNO3与二氧化硅不反应,可以使用磨口玻璃塞,②③不符合题意;石灰水中的氢氧化钙能和二氧化硅反应,不能使用磨口玻璃塞,④符合题意;CuSO4与二氧化硅不反应,可以使用磨口玻璃塞,⑤不符合题意;NaOH与二氧化硅反应生成黏性的硅酸钠,导致玻璃塞和试剂瓶黏结在一起而打不开,所以氢氧化钠溶液不能使用磨口玻璃塞,⑥、⑦符合题意。 5.(2024·山东济南高一期末)芯片主要由单晶硅构成,如图是硅及其化合物的“价—类”二维图,根据要求完成下列化学(或离子)方程式。 (1)利用焦炭在电炉中还原二氧化硅的化学方程式为  　 。  (2)利用氢氟酸刻蚀玻璃的化学方程式为　 。  (3)硅酸钠与强酸反应转化为硅酸的离子方程式为  　 。  (4)二氧化硅与烧碱溶液反应的化学方程式为  　 。  (5)石英与石灰石在玻璃熔炉里加强热发生反应的化学方程式为 　 。  2C+SiO22CO↑+Si SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O Si+2H+===H2SiO3↓ SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O　 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑ 课时作业　巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 1 [A组　基础落实] 题组一　硅酸盐材料 1.(2023·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 9 10 11 12 C 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。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 2.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是(　　) A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷 B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅 C.陶瓷的主要原料是黏土 D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料 解析:普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 B 3.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述不正确的是(　　) A.水玻璃是一种矿物胶,既不燃烧也不受腐蚀 B.在建筑工业上可以做黏合剂、耐酸水泥掺料 C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧 D.水玻璃的化学性质稳定,在空气中不易变质 解析:水玻璃为硅酸钠的水溶液,其化学性质稳定,但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 D 题组二　新型无机非金属材料 4.下列说法正确的是(　　) A.单质硅广泛应用于光纤通信 B.工艺师利用盐酸刻蚀石英制作工艺品 C.水泥和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品 D.粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 C 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:A.二氧化硅可广泛应用于光纤通信,故A错误;B.工艺师利用氢氟酸刻蚀石英制作工艺品,故B错误;C.水泥、陶瓷和玻璃是三大硅酸盐产品,故水泥和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品,故C正确;D.粗硅制备单晶硅先利用氧化反应,即用HCl氧化粗硅,再利用还原反应,即用H2还原SiHCl3,涉及氧化还原反应,故D错误。 11 12 5.(2024·山东济南高一期末)我国火星探测器“天问一号”上使用了重量轻、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 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 A 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 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。 11 12 6.碳纳米管是由石墨烯卷曲成的单层或多层的直径为2~20 nm的中空管状结构。下列说法不正确的是(　　) A.碳纳米管是一种胶体 B.石墨烯卷成管状结构发生了化学变化 C.石墨烯和碳纳米管互为同素异形体 D.根据碳纳米管的形状可推测它可以用作催化剂的载体 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 A 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:胶体是分散系,是混合物,而碳纳米管是纯净物,不是胶体,A错误;石墨烯卷成管状结构变为碳纳米管发生了化学变化,B正确;石墨烯和碳纳米管是碳元素的两种不同的单质,两者互为同素异形体,C正确;碳纳米管有较大的表面积,可以用作催化剂的载体,D正确。 11 12 7.下列有关硅及其化合物的说法正确的是(　　) A.硅在自然界中以游离态和化合态两种形式存在 B.硅晶体是良好的半导体,可用于制造光导纤维 C.氢氟酸要存放在塑料瓶中 D.SiO2对应的水化物是可溶性弱酸 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 C 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:硅是亲氧元素,在自然界中只能以化合态形式存在,A不正确;硅晶体能够导电,是良好的半导体,光导纤维是由二氧化硅制得的,B不正确;玻璃中含有二氧化硅,二氧化硅能与氢氟酸发生反应,所以氢氟酸要存放在塑料瓶中,C正确。 11 12 8.除去二氧化硅中混有的少量生石灰和石灰石,有如下操作:①加水溶解　②加水煮沸　③过滤　④加稀盐酸　⑤加稀硫酸,正确的操作顺序是(　　) A.①③ B.④③ C.⑤③ D.②③ 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 B 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:稀盐酸与CaO、CaCO3反应生成CaCl2溶液,然后过滤得到SiO2固体。注意不能选用稀硫酸,因CaSO4微溶,不易分离出SiO2。 11 12 9.下列有关硅及其化合物的说法正确的是(　　) A.陶瓷、玻璃、水泥容器都能贮存氢氟酸 B.硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应 C.木材浸过水玻璃后,不易着水 D.所有的硅酸盐都难溶于水 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 C 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:陶瓷、玻璃、水泥的主要成分都是硅酸盐,其含有的SiO2能与氢氟酸反应,A项错误。 11 12 [B组　培优训练] 10.由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示,下列说法不正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 D A.SiO2可用于制造光导纤维 B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4 C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代 D.若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在蒸发皿中进行 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:步骤Ⅱ中硅酸钠和稀硫酸反应生成硅酸沉淀,化学方程式是Na2SiO3 +H2SO4=== H2SiO3↓+Na2SO4,B项正确;碳酸的酸性强于硅酸,因此步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代,C项正确;若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在坩埚中进行,蒸发皿不能用于灼烧固体,D项错误。 11 12 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 11.氮化硅(Si3N4)是一种重要的高温结构陶瓷材料,用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如图(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物): 下列叙述不正确的是(　　) A.“还原”反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑ B.粗硅提纯所得的高纯硅是制造光导纤维的材料 C.“操作X”可将原料气通过灼热的铜网 D.“稀酸Y”可选用稀硝酸 11 12 B 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:“还原”反应是用焦炭把二氧化硅还原为粗硅,反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑,故A正确;粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料,故B错误;“操作X”是除去氮气中的少量氧气,可将原料气通过灼热的铜网,故C正确;粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物,硝酸能溶解Fe、Cu,所以“稀酸Y”可选用稀硝酸,故D正确。 11 12 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 12.某实验小组设计了如图装置探究焦炭还原二氧化硅。 11 12 已知:PdCl2溶液可用于检验CO,反应的化学方程式为CO+PdCl2+H2O ===CO2+2HCl+Pd↓(产生黑色金属钯粉末,使溶液变浑浊)。 (1)实验时要通入足够长时间的N2,其原因是 　 。  (2)装置B的作用是　 。  2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 (3)装置C、D中所盛试剂分别为　　　　　　　　、　　　　　　　　,若装置C、D中溶液均变浑浊,且经检测两气体产物的物质的量相等,则该反应的化学方程式为　 。  (4)该装置的缺点是 　 。  (5)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强: 　 。  11 12 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 答案:(1)排尽装置中的O2、CO2、水蒸气,避免其对实验产生干扰　(2)作安全瓶,防止倒吸　(3)澄清石灰水　PdCl2溶液　3SiO2+4C2CO2↑+2CO↑+3Si　(4)无尾气吸收装置　(5)向Na2SiO3溶液中通入CO2气体,溶液变浑浊 11 12 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10 解析:(3)根据元素守恒,碳与二氧化硅反应可能生成一氧化碳也可能生成二氧化碳,所以C装置用来检验有没有二氧化碳,D装置用来检验一氧化碳,所以装置C、D中所盛试剂分别为澄清石灰水、PdCl2溶液。(4)一氧化碳有毒,不能排放到空气中。(5)验证碳酸、硅酸的酸性强弱,先将产生的CO2气体通过饱和碳酸氢钠溶液除去混有的杂质气体,然后再通入硅酸钠溶液发生反应CO2+H2O+Na2SiO3===Na2CO3+H2SiO3↓,说明酸性:H2CO3>H2SiO3。 11 12 粗SiO2XYSiO2 $$