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 单选版）

第三节　无机非金属材料 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，可用作砂纸和砂轮的磨料；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)× 启思研讨 教师独具内容 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 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。 [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]　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．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料 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项，硅酸钠属于黏性的物质，能将玻璃塞和试剂瓶黏结在一起而打不开；B项，反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓的原理是强酸制弱酸，在溶液中反应，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑是在高温条件下才能发生，两反应不矛盾；C项，石英玻璃主要成分是二氧化硅；D项，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。 [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。 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。 本课总结 自我反思：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 随堂提升 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．(2024·新疆克州二中高一第二学期期末)高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。可以按下列方法制备： SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯) 下列说法不正确的是(　　) A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑ B．步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子 C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料 D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，通过蒸馏可提纯SiHCl3 答案：A 4．单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，科学家预计一个电脑芯片上将会集成10亿个晶体管，其功能远比我们想象的要多，这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为①SiO2＋2CSi＋2CO↑；②Si＋2Cl2SiCl4；③SiCl4＋2H2Si＋4HCl，下列说法正确的是(　　) A．反应①是非氧化还原反应 B．反应②硅被还原 C．反应①和③都是置换反应 D．反应③SiCl4中Si的化合价为－4 答案：C 解析：A项，①属于置换反应，Si的化合价由＋4价→0价，是氧化还原反应，错误；B项，②中Si的化合价由0价→＋4价，化合价升高，被氧化，错误；C项，置换反应的特点是单质＋化合物===单质＋化合物，因此①③属于置换反应，正确；D项，反应③SiCl4中Si的化合价为＋4，错误。 5．(2024·四川达州铭仁园学校高一下学期期中模拟)近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述错误的是(　　) A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N4 B．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成太阳能电池 C．碳化硅的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承 D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于新型无机非金属材料 答案：B 课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 难度 ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 对点 二氧化硅 硅酸盐材料 二氧化硅 硅酸盐材料 二氧化硅 新型无机非金属材料 二氧化硅 题号 8 9 10 11 12 13 14 难度 ★★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★★ ★★★ 对点 硅酸及其盐 新型无机非金属材料 硅的性质 硅酸盐材料 硅的性质 硅的性质 硅的性质 [学习·理解] 1．据报道，我国华为公司的技术标准成为世界“5G”通信标准的重要组成部分。随着“5G”时代的到来，以光导纤维为基础的信息高速通道更显重要。制造光导纤维的材料是(　　) A．二氧化硅 B．晶体硅 C．铜合金 D．不锈钢 答案：A 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．(2024·武汉市第十二中学高一月考)化学与科技、生活密切相关。下列叙述中正确的是(　　) A．GaN具有半导体的性质，常用作LED灯的芯片，属于新型无机非金属材料 B．从石墨中剥离出的石墨烯薄片能导电，因此是电解质 C．宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐 D．杭州亚运会吉祥物“江南忆”机器人所采用芯片的主要成分为二氧化硅 答案：A 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 [应用·实践] 9．北京2022年冬奥会上科技元素“星光熠熠”，向世界展现了一个现代化的中国。212项技术在该次冬奥会上得以应用，如含有石墨烯的智能服饰、铝合金管材、碳纤维和光导纤维等。下列有关说法不正确的是(　　) A．碳纤维是耐低温的无机非金属材料 B．光导纤维是硅酸盐材料 C．铝合金是密度较小的金属材料 D．石墨烯是热导率高的碳纳米材料 答案：B 解析：光导纤维的主要成分是SiO2，不属于硅酸盐材料，B错误。 10．某同学用如图装置设计实验证明非金属性：C>Si，选取试剂最合理的是(　　) 选项 a中试剂 b中试剂 c中试剂 A 稀硝酸 碳酸钙 二氧化硅 B 盐酸 碳酸钠 硅酸钠溶液 C 稀硫酸 碳酸钠 硅酸钠溶液 D 稀硫酸 碳酸钙 硅酸 答案：C 解析：A项，由实验解读可知，c中试剂不可能是SiO2，不合理；B项，盐酸与碳酸钠反应生成的CO2中会混有HCl，HCl、CO2均能与Na2SiO3溶液反应生成白色胶状沉淀H2SiO3，不能证明H2CO3的酸性强于H2SiO3，不合理；C项，稀硫酸与碳酸钠反应生成CO2气体，CO2与Na2SiO3溶液反应生成白色胶状沉淀H2SiO3，可以证明酸性：H2CO3>H2SiO3，合理；D项，稀硫酸与碳酸钙反应生成的CaSO4微溶，会覆盖到碳酸钙表面而使反应停止，且c中试剂不能是硅酸，不合理。 11．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6 答案：C 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。 12．氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构陶瓷材料。用粗硅和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如图所示(粗硅中含少量Fe、Cu杂质)。下列叙述不正确的是(　　) A．“高温氮化”的化学方程式为3Si＋2N2Si3N4 B．粗硅提纯所得的高纯硅是制造计算机芯片的材料 C．“操作X”可为将原料气通过灼热的铜网 D．“稀酸Y”可选用稀盐酸 答案：D 解析：加“稀酸Y”的目的是将Fe、Cu溶解，而Cu与稀盐酸不反应，D错误。 13．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] 14．“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 14 学科网（北京）股份有限公司 $$