第5章 第3节 无机非金属材料-【金版教程】2024-2025学年高中化学必修第二册创新导学案word（人教版2019 不定项版）

第三节　无机非金属材料 [学习目标]　1．了解硅酸盐及其结构特点，知道常见的硅酸盐产品(玻璃、水泥、陶瓷)的工业生产。2．了解硅和二氧化硅的性质。3．知道一些新型的无机非金属材料硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳纳米材料等的性能和用途。 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构成了硅氧四面体结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，许多这样的四面体通过顶角的O相互连接，即每个Si结合4个O，每个O结合2个Si。 (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高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 3．下列硅酸盐材料的主要原料分别是： 陶瓷：黏土；玻璃：纯碱、石灰石、石英砂；水泥：黏土和石灰石。 二、新型无机非金属材料 1．硅和二氧化硅 (1)硅元素在周期表中的位置为第三周期、第ⅣA族，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。 (2)高纯硅的制备原理 其中涉及的主要化学反应为： ①SiO2＋2CSi＋2CO↑； ②Si＋3HClSiHCl3＋H2； ③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 (3)硅和二氧化硅的用途 高纯硅可用于生产芯片和硅太阳能电池。二氧化硅可用来生产光导纤维。 2．新型陶瓷 (1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在组成上有很大的变化，在光学、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) 碳化硅俗称金刚砂，它是由碳原子和硅原子通过共价键连接而形成，与金刚石的结构类似，硬度很大，具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 (3)新型陶瓷种类：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷等。 3．碳纳米材料 (1)富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其代表物是C60。 (2)碳纳米管是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，具有相当高的强度和优良的电学性能。 (3)石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。(　　) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定。(　　) (3)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土。(　　) (4)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化。(　　) (5)硅是良好的半导体材料，可以用来生产芯片和硅太阳能电池等。(　　) (6)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体。(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√　(6)× 陶瓷材料的发展历史经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器是第一次飞跃，由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃。然而陶瓷材料的致命弱点——脆性问题仍没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级(10－6 m)。李建功教授团队用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级(10－9 m)，用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。 [问题探究] 1．新型陶瓷属于精细陶瓷，其主要成分也是硅酸盐吗？ 提示：不一定是硅酸盐。新型无机非金属材料可能是某些元素的氧化物、氮化物，也可能是以硅酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要成分的无机材料。 2．光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一。光导纤维的主要成分是什么？碱性条件下光导纤维为什么会失去传播信号的能力？ 提示：光导纤维的主要成分是SiO2。碱性条件下，SiO2与碱反应生成硅酸盐和水，光导纤维会失去传播信号的能力。 知识点　重要含硅物质的性质及应用 [重点讲解] 一、硅 1．硅元素 2．硅单质的化学性质 (1)常温下：①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4； ②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑； ③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 (2)加热或高温条件下：①与O2反应：Si＋O2SiO2； ②与Cl2反应：Si＋2Cl2SiCl4； ③与C反应：Si＋CSiC。 二、二氧化硅 1．存在 SiO2的存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英、水晶、玛瑙、沙子、光导纤维的主要成分均是SiO2。 2．SiO2的结构和物理性质 SiO2中Si原子和O原子形成空间网状结构，故不存在单个的SiO2分子。SiO2的空间网状结构决定了其具有熔点高、硬度大、难溶于水等特点。 3．SiO2的化学性质 4．用途 (1)沙子是基本的建筑材料。 (2)纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本材料，可以制作光导纤维。 (3)石英和玛瑙用来制作饰物和工艺品。 (4)用于制作实验室中使用的石英坩埚(不能用于灼烧碱性物质)。 三、硅酸盐 1．常见的硅酸盐——Na2SiO3 (1)硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。 (2)硅酸钠在空气中放置易与空气中CO2反应而变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。 (3)硅酸钠是制备黏合剂和木材防火剂等的原料。 2．硅酸盐氧化物形式的书写 硅酸盐由于组成比较复杂，通常用氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为： (1)顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水；氧化物之间以“·”隔开。 (2)原则：①各元素原子总个数比符合原来的构成，若出现分数应化为整数。 ②各元素的化合价不能改变。 例如：钠长石NaAlSi3O8不能写成Na2O·Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。 四、硅酸(H2SiO3)的性质 (1)硅酸是难溶于水的弱酸(比H2CO3酸性弱)，可与NaOH反应：H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。 (2)硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3SiO2＋H2O。 [对点练习] [练1]　不能与SiO2发生反应的物质是(　　) A．烧碱溶液 B．氧化钙 C．浓硝酸 D．焦炭 答案　C 解析　除HF外SiO2不与其他酸反应。 [练2]　关于硅及其化合物的叙述中，正确的是(　　) A．硅是良好的半导体材料，可以与NaOH溶液和氢氟酸反应 B．二氧化硅与石灰石反应：SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO↑ C．用焦炭还原二氧化硅生产硅：SiO2＋CSi＋CO2↑ D．光导纤维的主要成分是Si 答案　A 解析　B项正确的化学方程式为CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑；C项正确的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑；D项光导纤维的主要成分是SiO2。 [练3]　A、B、C、D、E五种含硅元素的物质，相互转化关系如图所示： (1)推断A～E的化学式：A________，B________，C________，D________，E________。 (2)①写出B→A的化学方程式：__________________________________________________。 ②写出A→C的离子方程式：__________________________________。 答案　(1)Na2SiO3　Si　H2SiO3　SiO2　CaSiO3 (2)①Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ ②SiO＋2H＋===H2SiO3↓ 解析　B能与O2反应生成D，B可能为Si，D为SiO2，B和D都能与NaOH溶液反应生成A，则A为Na2SiO3，A和盐酸反应生成C，C为H2SiO3，H2SiO3受热分解又生成SiO2，证明B为Si，E为CaSiO3。 [规律方法] 强酸制弱酸原理 强酸可与弱酸盐反应生成相应的弱酸和强酸盐，而弱酸一般不与强酸盐反应。如： (1)2CH3COONa＋H2SO4===2CH3COOH＋Na2SO4。 (2)2CH3COOH＋Na2CO3===2CH3COONa＋H2O＋CO2↑。 (3)Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。 (4)CaCl2溶液与CO2不反应。 1．下列说法错误的是(　　) A．二氧化硅是光导纤维的主要原料 B．硅是信息技术的关键材料 C．陶瓷餐具所用材料为硅酸盐 D．水晶镜片所用原料为硅酸盐 答案　D 2．下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是(　　) A．水泥具有水硬性 B．玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英砂 C．玻璃有固定的熔、沸点 D．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品 答案　C 3．“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，描绘了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，下列有关说法错误的是(　　) A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品 B．制水泥的主要原料为黏土、石灰石 C．硅酸盐制品大多硬度高、耐高温、耐腐蚀 D．黏土的主要成分为硅酸盐 答案　A 4．下列说法错误的是(　　) A．“天宫二号”的动力源泉——太阳能电池帆板的核心材料为晶体硅 B．“中国天眼”(FAST)用到的碳化硅是一种新型有机材料 C．直接空气捕捉(DAC)法能够实现直接从空气中捕获二氧化碳，可缓解全球日益严重的温室效应 D．北斗导航专用ASIC硬件结合国产处理器打造出一颗真正意义的“中国芯”，其主要成分为Si 答案　B 5．下列说法正确的是(　　) A．CO2＋H2O＋Na2SiO3===H2SiO3↓＋Na2CO3，说明酸性：H2CO3>H2SiO3 B．SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，说明酸性：H2SiO3>H2CO3 C．在复分解反应中必须是酸性强的生成酸性弱的 D．已知酸性：H2CO3>HClO>HCO，则CO2＋H2O＋2NaClO===Na2CO3＋2HClO 答案　A 解析　B项，由于在高温条件下反应，CO2为气体逸出，不能说明酸性强弱；C项，H2S＋CuSO4===CuS↓＋H2SO4，此反应为弱酸生成强酸；D项，由酸性：HClO>HCO，知产物应为NaHCO3。 课时作业 [学习·理解] 本组内选择题只有1个选项符合题意。 1．2021年4月9日，我国在太原卫星发射中心用“长征四号”乙运载火箭，成功将试验六号03星发射升空，卫星顺利进入预定轨道。试验六号03星采用太阳能电池板提供能量，制造太阳能电池板的核心材料是(　　) A．二氧化硅 B．硅 C．钛合金 D．水玻璃 答案　B 2．水泥和普通玻璃都是常见的硅酸盐产品，下列说法中不正确的是(　　) A．生产水泥和普通玻璃的每一种原料都含有硅 B．水泥、普通玻璃都是混合物 C．生产水泥和玻璃都必须用石灰石 D．用纯净的石英制成石英玻璃，它的膨胀系数小，常用来制造耐高温的化学仪器 答案　A 3．在①浓硝酸、②水、③盐酸、④氢氟酸、⑤氢氧化钾溶液中，常温时能与二氧化硅起化学反应的有(　　) A．①② B．②④ C．④⑤ D．③④ 答案　C 4．《天工开物》中记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙粘土而为之……凡坯既成，干燥之后，则堆积窑中燃薪举火……浇水转釉与造砖同法。”下列说法错误的是(　　) A．“粘土”的主要成分均为硅酸盐 B．“燃薪举火”仅使粘土发生复杂的物理变化 C．硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分 D．“粘土”是制作砖瓦等的主要原料 答案　B 5．下列关于SiO2和CO2的说法中不正确的是(　　) A．CO2和SiO2都能与碱及碱性氧化物反应 B．CO2和SiO2都能与水反应生成相应的酸 C．CO2和SiO2都能与焦炭反应生成CO D．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨 答案　B 解析　CO2能与水反应生成碳酸，但SiO2不能与水反应生成相应的酸，B错误。 6．已知滑石粉的化学式为Mg3Si4O10(OH)2，色白、滑爽、柔软、耐火。下列有关说法不正确的是(　　) A．滑石粉属于无机硅酸盐类物质 B．滑石粉组成可表示为3MgO·4SiO2·H2O C．爽身粉中添加滑石粉是利用它的滑爽、柔软、耐火性的特点 D．滑石粉可能会与氢氟酸、NaOH溶液发生反应 答案　C 解析　爽身粉中添加滑石粉，主要是利用它的滑爽、柔软、干燥的特点，与耐火性无关，C错误。 7．下列说法正确的是(　　) A．因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记 B．SiO2SiCl4Si在一定条件下能够实现 C．SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物 D．可用瓷坩埚灼烧NaOH固体 答案　A 解析　SiO2溶于氢氟酸，不溶于盐酸，故B错误；SiO2能与氢氟酸反应，但与其他酸不反应，不是两性氧化物，故C错误；NaOH能与瓷坩埚中的SiO2反应，故D错误。 8．下列关于硅酸及其盐的叙述不正确的是(　　) A．硅酸是一种弱酸，可由其酸性氧化物SiO2与水化合而制得 B．Na2SiO3是一种简单的硅酸盐，可写成Na2O·SiO2 C．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，具有黏合性 D．SO2通入Na2SiO3溶液中产生胶状沉淀，说明酸性H2SO3>H2SiO3 答案　A 9．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图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质。 请填空： (1)组成A单质的元素的最高化合价为________。 (2)B的化学式为______，B和碳反应生成A和E的化学方程式为______________________。 (3)C的化学式为______________，D的化学式为______________。 答案　(1)＋4价　 (2)SiO2　SiO2＋2CSi＋2CO↑ (3)CaSiO3　Na2SiO3 [应用·实践] 本组内选择题有1个或2个选项符合题意。 10．化学在生产生活和科学研究中具有重要的作用。下列说法正确的是(　　) A．三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料 B．太阳能电池的主要成分是SiO2 C．二氧化硅的熔点高，硬度大，所以可用来制造电子部件和光学器件 D．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品 答案　A 11．澳大利亚科学家发现了纯碳新材料“碳纳米泡沫”，每个泡沫含有约4000个碳原子，直径约为6～9 nm，在低于－183 ℃时，泡沫具有永久磁性。下列叙述正确的是(　　) A．“碳纳米泡沫”与石墨互为同位素 B．把“碳纳米泡沫”分散到适当的溶剂中，能产生丁达尔效应 C．“碳纳米泡沫”是一种新型的含碳化合物 D．“碳纳米泡沫”和金刚石的化学性质相同 答案　BD 解析　“碳纳米泡沫”属于碳单质，与石墨互为同素异形体，故A、C错误；“碳纳米泡沫”的直径约为6～9 nm，分散到适当的溶剂中形成胶体，能产生丁达尔效应，故B正确；“碳纳米泡沫”和金刚石是两种碳的单质，二者化学性质相同，故D正确。 12．歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜。近年来科学家才得知所用颜料大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是(　　) A．BaCuSi2Ox可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2 B．性质稳定，不易脱色 C．易溶解于强酸和强碱 D．x等于5 答案　CD 解析　“硅酸铜钡”能稳定存在说明其性质稳定，不易脱色，不易与酸、碱反应；硅酸铜钡中Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，则x＝6。 13．下表各组物质中，不满足如图所示一步转化关系的选项是(　　) 选项 X Y Z A C CO CO2 B Si SiO2 H2SiO3 C Na NaOH NaCl D MgO MgSO4 Mg(OH)2 答案　B 解析　B项，SiO2不能一步转化为H2SiO3，H2SiO3也不能一步转化为Si。 14．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题： (1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下： ①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：______________________________。 ②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学方程式：__________________________________；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是____________________________________。 (2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。 A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥 B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承 C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光导纤维 D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高 E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅 答案　(1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl ②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑　氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3 (2)BC 解析　(2)A项，水泥是硅酸盐材料；D项，玻璃是混合物，没有固定的熔点；E项，盐酸和硅不反应。 [创新·提高] 15．“中国芯”的发展离不开单晶硅，四氯化硅是制备高纯硅的原料。某化学小组拟在实验室中用图1所示装置探究四氯化硅的制备和应用(夹持装置已省略)。 已知：①Si＋2Cl2SiCl4 ②SiCl4遇水剧烈反应，其熔、沸点分别为－70．0 ℃、57．6 ℃。 请回答下列问题： (1)装置A中盛有浓盐酸的仪器的名称是________。 (2)写出装置A中发生反应的离子方程式：__________________________________________。 (3)若拆去装置B，可能产生的后果是________________________________________________ _________________________。 (4)有同学最初将E、F、G装置设计成图2所示装置，图2所示装置的主要缺点有__________________________________、________________________________。 答案　(1)分液漏斗 (2)2MnO＋10Cl－＋16H＋===2Mn2＋＋ 5Cl2↑＋8H2O (3)HCl和Si反应生成SiHCl3和H2会使产品纯度降低，且Cl2和H2混合共热易发生爆炸 (4)SiCl4在a中液化，a中压强减小，烧碱溶液倒吸入a中　烧碱溶液中的水与SiCl4发生剧烈反应 12 学科网（北京）股份有限公司 $$