5.3 无机非金属材料（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学必修第二册（人教版2019 不定项版）

第三节　无机非金属材料 课程标准 核心素养目标 　　1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解硅、二氧化硅的主要性质。 2．认识无机非金属材料在生产中的应用和对生态环境的影响。 　　1.科学探究与创新意识：了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域所发挥的重要作用，激发学习化学的兴趣。 2．科学态度与社会责任：了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分，感受传统硅酸盐材料在城乡建设中发挥的重要作用。 ◆拓展延伸 最简单的硅酸盐(Na2SiO3) (1)Na2SiO3是白色固体，可溶于水，其水溶液是一种无色黏稠的液体，俗称水玻璃，是一种矿物胶。 (2)Na2SiO3的化学性质稳定，不能燃烧，热稳定性好，但能与较强酸反应生成难溶于水的H2SiO3： Na2SiO3＋2CO2(足量)＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3。 (3)Na2SiO3溶液的主要用途： 用作建筑、纸张的黏合剂，制备木材阻燃剂等。 ◆拓展延伸 硅酸盐的表示方法 硅酸盐矿物的成分复杂，多用氧化物的形式表示它们的组成，顺序：金属氧化物·非金属氧化物·水，含有多种金属时按照金属活动性顺序排列。如： 硅酸钠(Na2SiO3)→Na2O·SiO2 高岭石(Al2H4Si2O9)→Al2O3·2SiO2·2H2O 钾云母(KH2Al3Si3O12)→K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O ◆名师点拨 无机非金属材料的分类 ◆易错警示 硅和二氧化硅的性质 (1)硅元素具有亲氧性，在自然界中只以化合物(硅酸盐、SiO2)形式存在，不存在单质硅。 (2)有金属光泽、能导电的单质不一定是金属单质，如晶体硅。 (3)制备粗硅时，SiO2与焦炭反应生成的气体是CO，不是CO2。 (4)硅和二氧化硅只能与氢氟酸(HF)反应，不能与其他酸反应。 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ◆拓展延伸 纳米材料 纳米材料是指在三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料。 一、硅酸盐材料 1．硅酸盐的结构与性质 (1)硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体(结构如图所示)，每个Si结合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O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。 (2)硅酸盐的性质 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。 2．传统硅酸盐材料 原料 设备 主要成分 主要用途 陶瓷 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) — 硅酸盐 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 玻璃 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 生产建筑材料、光学仪器和各种器皿等 水泥 黏土和石灰石 水泥回转窑 硅酸盐 用于建筑和水利工程 二、新型无机非金属材料 1．硅和二氧化硅 (1)硅元素的“位—构—性”及存在形式 ①硅元素的“位—构—性”关系 ②存在形式：硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。 (2)工业制备高纯硅 工业上用焦炭还原石英砂可以制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅通过化学方法提纯，得到高纯硅。 分别写出上述各步骤中反应的化学方程式。 SiO2＋2CSi＋2CO↑； Si＋3HClSiHCl3＋H2； SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 (3)硅和二氧化硅的用途 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芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。 二氧化硅可用来生产光导纤维，通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 2．新型陶瓷 3．碳纳米材料 碳纳米材料是一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。 物质 结构及性能 主要用途 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物 — ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)硅是构成矿物和岩石的主要元素，在地壳中含量居于第一位(　　×　　) (2)硅的化学性质不活泼，在自然界中主要以单质硅形式存在(　　×　　) (3)硅主要用于制造芯片、硅太阳能电池，二氧化硅可用于制造光导纤维(　　√　　) (4)SiO2既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，故SiO2属于两性氧化物(　　×　　)续表 物质 结构及性能 主要用途 碳纳 米管 可以看成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，有相当高的强度和优良的电学性能 可用于生产复合材料、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，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度 在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入 探究一__无机非金属材料的性能和用途 传统无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料，如水泥、玻璃和陶瓷等。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的，具有特殊性能和用途的材料，如高温结构陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，可用于制造火箭发动机、汽车发动机等。 [问题设计] (1)水泥、玻璃、陶瓷等材料是工业和基本建设所必需的基础材料，制造陶瓷和水泥共同使用的原料是什么？制造陶瓷过程中只发生物理变化吗？ 提示：共同使用的原料是黏土；制造陶瓷过程发生复杂的物理、化学变化。 (2)高温结构陶瓷用于制造火箭发动机、汽车发动机等，据此推测可能具有哪些优良性能？ 提示：具有耐高温、耐磨蚀、抗氧化等优良性能。 (1)传统硅酸盐材料的性能和主要用途 分类 名称 性能 主要用途 传统硅酸盐材料 陶瓷 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 玻璃 透光性好、硬度大、无固定熔点 建筑材料、各种器皿、光学仪器等 水泥 遇水逐渐变硬(水硬性)、硬化后性质稳定 大量用于建筑和水利工程 (2)新型无机非金属材料的性能及主要用途 名称 性能 主要用途 晶体硅 导电性介于导体与绝缘体之间 半导体材料、计算机芯片、太阳能电池等 二氧化硅 性质稳定、透光性好 光导纤维、玻璃仪器、装饰品等 新型 陶瓷 具有光学、热学、电学、磁学等方面的特性和功能 可用于激光、火箭发动机、压电陶瓷(点火器)、磁悬浮技术、人工关节等 石墨烯 电阻率低、热导率高、强度大 光电器件、超级电容器、电池、复合材料等 碳纳米管 比表面积大、电学性能好、强度大 传感器、电池、复合材料等 【例1】 (2023·内江高一期末)材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料还有无机非金属材料，化学与材料、信息、能源关系密切。下列说法不正确的是(　　　　　) A．当前计算机使用的硅芯片的主要材料是硅 B．当前太阳能电池的主要材料是二氧化硅 C．水泥、玻璃、陶瓷都是传统的硅酸盐工业产品 D．高纯硅的制备是通过氢气还原三氯硅烷实现的 B　解析：Si位于金属与非金属的过渡位置，是良好的半导体材料，是当前计算机使用的硅芯片的主要材料，A正确；当前太阳能电池的主要材料是Si，制作光导纤维的主要材料是二氧化硅，B错误；制水泥、玻璃需要二氧化硅，制陶瓷需要黏土，都是传统无机非金属材料，主要成分是硅酸盐，C正确；高纯硅的制备是通过氢气还原三氯硅烷实现的：SiHCl3＋H2Si＋3HCl，D正确。 1．(2024·江阴高一期末)下列有关化学材料的说法不正确的是(　　　　　) A．太阳能电池板将太阳能转化为电能，电池板芯片的主要成分为SiO2 B.火星探测器的天线接收器外壳为钛合金，钛合金属于金属材料 C．国产大型飞机C919用到的氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料 D．量子通信材料螺旋碳纳米管与石墨烯互为同素异形体 A　解析：硅是良好的半导体材料，用于制造电池板芯片， A错误；钛合金是由钛与其他金属元素组成的合金，属于金属材料，B正确；新型无机非金属材料有压电材料、磁性材料、超导陶瓷、激光材料、光导纤维、超硬材料、高温结构陶瓷和生物陶瓷等，氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料，C正确；同素异形体指由同种元素组成的具有不同性质的单质，螺旋碳纳米管与石墨烯互为同素异形体，D正确。 探究二__硅和二氧化硅的化学性质 硅和二氧化硅都是重要的新型无机非金属材料，在生产、生活、科技、航空航天等领域有着广泛的应用。 [问题设计] (1)利用光导纤维传输信号是利用了其导电性吗？光导纤维遇强碱溶液会“断路”，其原因是什么？ 提示：SiO2不具有导电性，利用光导纤维传输信号是利用了其对光的全反射现象；SiO2与强碱溶液反应生成硅酸盐和水，导致光导纤维出现“断路”。 (2)高纯度硅晶片是生产5G芯片的基础材料，工业上是如何制备高纯硅的？ 提示：工业上以石英砂为原料，在高温下利用焦炭还原，先制得粗硅，再以粗硅为原料，利用HCl、H2进行提纯，获得高纯硅。 (1)硅和二氧化硅的化学共性 (2)硅和二氧化硅的特性 【例2】 (2023·淮北高一期末)“5G商用加速推出，凝结着新时代奋斗者的心血和汗水，彰显了不同凡响的中国风采、中国力量”，制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3与过量H2在1 100 ℃反应制备高纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置略去)。 已知： SiHCl3 遇水发生强烈反应，在空气中易自燃。下列说法错误的是(　　　　　) A．装置Y中的试剂是浓硫酸 B．实验时先打开装置X中分液漏斗的旋塞 C．装置Z中的烧瓶需要加热，其目的是使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 D．装置R不能采用普通玻璃管的原因是SiO2与HCl会发生反应 D　解析：SiHCl3 遇水发生强烈反应，故H2应干燥，故装置Y中的试剂是浓硫酸，A正确；SiHCl3在空气中易自燃，实验前应排尽装置内的空气，应先打开装置X中分液漏斗活塞产生H2，利用生成的H2排出装置内的空气，后打开装置Z中分液漏斗的旋塞，B正确；SiHCl3呈液态，需转化为蒸气进入石英管中与H2反应，装置Z中的烧瓶需要加热，C正确；制高纯硅时，温度在1 100 ℃，在此温度下，普通玻璃管会软化，故装置R不能采用普通玻璃管，D错误。 2．“中国芯”的发展离不开高纯单晶硅。从石英砂(主要成分为SiO2)中制取高纯硅涉及的主要反应用流程图表示如下： 下列说法不正确的是(　　　　　) A．反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2 B．上述流程中，HCl和H2可以循环利用 C．从基本反应类型角度，反应①②③均为置换反应 D．从能量变化角度，由反应②③推测，反应③是放热反应 D　解析：①中SiO2与C反应生成Si和CO，氧化剂是SiO2，还原剂是C，根据得失电子守恒可知，氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2，A正确；②中消耗HCl生成H2，③中消耗H2生成HCl，故流程中HCl和H2可以循环利用，B正确；反应①②③均符合“单质＋化合物→新单质＋新化合物”，故属于置换反应，C正确；反应③在1 100 ℃下，SiHCl3与H2生成高纯硅和HCl，应为吸热反应，D错误。 1．(2024·安徽省十联考期末)下列物质与化学有着密切联系，其中说法错误的是(　　　　　) A．晶体硅可用于光伏发电 B．富勒烯、石墨烯都是含碳化合物 C．新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料 D．我国提出网络强国战略，光纤线路总长超过三千万公里，光纤的主要成分是SiO2 B　解析：晶体硅太阳能电池具有效率高、寿命长、性能可靠的优点，晶体硅可用于光伏发电，A正确；富勒烯和石墨烯都是碳元素形成的单质，B错误；新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料，且有高的抗弯强度，优良的抗氧化性，C正确；光纤的主要成分是SiO2，D正确。 2．宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑和哥窑。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 C　解析：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氧化还原反应导致的颜色变化称为窑变，A正确；新型无机非金属材料主要有新型陶瓷、非晶体材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等，氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，B正确；瓷器的原料主要是黏土，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的主要成分是硅酸盐和二氧化硅，故陶瓷不能用来盛装氢氟酸，D正确。 3．材料的开发与研究助力我国航空航天事业飞速发展。下列说法正确的是(　　　　　) A．“神舟十五号”载人航天飞船返回舱外表面使用的新型高温结构陶瓷主要成分是硅酸盐 B．火箭芯一级尾段使用的碳纤维材料属于新型无机非金属材料 C．“天问一号”使用的新型SiC增强铝基材料属于新型硅酸盐材料 D．中国空间站核心舱“天和号”推进器的氮化硼陶瓷材料属于传统的无机非金属材料 B　解析：新型高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料，不是硅酸盐材料，A错误；新型SiC增强铝基材料属于复合材料，不是硅酸盐材料，C错误；氮化硼陶瓷材料属于新型无机非金属材料，D错误。 4．(2023·六安高一期末)碳纳米管可看作是多层石墨烯无缝卷曲而成的直径为10～20 nm的中空管状结构，下列说法错误的是(　　　　　) 　　 A．石墨烯和碳纳米管互为同素异形体 B．石墨烯中只存在非极性键 C．碳纳米管是一种胶体 D．石墨烯可用于制造超级电容器、电池等 C　解析：石墨烯和碳纳米管均是碳元素组成的单质，互为同素异形体，A正确；石墨烯中只存在碳碳键，属于非极性键，B正确；碳纳米管是碳单质，为纯净物，不是胶体，C错误；石墨烯的电阻率低，热导率高，具有很高的强度，可用于制造超级电容器、电池等，D正确。 5．(2024·湖北七市州教科研协作体期末)信息技术离不开芯片，现代芯片离不开高纯度的硅，工业上用“西门子法”以硅石(SiO2)为原料制备冶金级高纯硅的工艺流程如图所示。下列说法不正确的是(　　　　　) 已知：SiHCl3在室温下为易挥发、易与水反应的无色液体。 A．还原过程主要氧化产物为MgO B．原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 C．上述流程中能循环利用的物质有HCl和Mg D．工业上也可以用焦炭还原石英砂制取粗硅，反应的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑ C　解析：还原过程中，Mg和SiO2反应生成Si和MgO，获得粗硅；粗硅酸浸除去金属Mg和MgO后，与HCl反应生成氢气和SiHCl3，最后用H2还原三氯硅烷制得高纯硅。“还原”时，Mg和SiO2反应产生Si和MgO，MgO为氧化产物，A正确；原料气HCl和H2应充分去除水和氧气，否则会导致SiHCl3遇水反应，H2和氧气混合会发生爆炸，B正确；上述流程中能循环利用的物质有HCl和H2，C错误；工业上也可以用焦炭还原石英砂制取粗硅，反应的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，D正确。 [课时梯级训练(7)见P172] 学科网（北京）股份有限公司 $$