第5章 第3节 无机非金属材料（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高一化学必修第二册同步学案（人教版）

本高中化学讲义聚焦无机非金属材料核心知识点，系统梳理硅酸盐材料的组成、表示方法及工业应用，硅单质的性质、制取与用途，以及新型无机非金属材料的应用，构建从传统到新型材料的知识脉络，形成“组成-结构-性质-用途”的学习支架。 资料设计融入“做做”“想想”等互动环节，通过玻璃制备反应书写、硅提纯流程分析等实验探究，培养科学思维与科学探究能力。结合碳纳米材料应用案例，渗透科学态度与社会责任，课中辅助教师教学，课后助力学生回顾强化，弥补知识盲点。

第三节　无机非金属材料 课标要求 素养目标 1.了解硅酸盐材料的组成及表示方法，知道硅酸盐的用途及硅酸盐工业。 2.了解硅单质的主要性质、制取方法和用途。 3.了解新型无机非金属的应用。 1.能根据对硅的性质及用途的学习，从物质的微观层面理解其组成、结构、性质和变化，培养“结构决定性质、性质决定应用”的观念。（宏观辨识与微观探析） 2.具有严谨求实的科学态度，具有探索未知、崇尚真理的意识；赞赏硅单质、二氧化硅对社会发展的重大贡献。（科学态度与社会责任） 一、硅酸盐材料 陶瓷，英语：china。中国人早在公元前8 000～2 000年（新石器时代）就发明了陶器。用陶土烧制的器皿叫陶器，用瓷土烧制的器皿叫瓷器。陶瓷则是陶器、炻器和瓷器的总称。 1．传统无机非金属材料 多为硅酸盐材料，如水泥、玻璃、陶瓷等。 2．三种常见的硅酸盐产品（如下表） 硅酸盐 产品 原料 主要设备 主要成分 陶瓷 黏土 陶瓷窑 含有的 铝硅酸盐 玻璃 纯碱、石灰 石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、 CaSiO3、SiO2 水泥 石灰石、黏土 水泥回转窑 — 【做做】 普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得。试写出发生主要反应的化学方程式。 提示：由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”，可知反应的化学方程式为： SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑ 二、新型无机非金属材料 新型无机非金属材料，指的是一类新型的具有特殊结构和特殊功能的非硅酸盐材料。如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。这些材料有哪些用途呢？ 1．硅和二氧化硅 (1)硅。 ①硅的存在：硅在自然界中主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。 ②硅的制备： 石英砂Si（粗）SiHCl3Si（纯）　 对应的化学方程式为： SiO2＋2CSi＋2CO↑； Si＋3HClSiHCl3＋H2； SiHCl3＋H2Si＋3HCl ③硅的用途：高纯的单晶硅是重要的半导体材料，制作硅芯片；作新型能源，如光电池等。 (2)二氧化硅。 二氧化硅可用来生产光导纤维。 【想想】 (1)硅的化学性质不活泼，是不是与任何物质均不能反应呢？ 提示：不是。Si与O2反应生成SiO2。 (2)工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅，由此能否说明碳的还原性大于硅的吗？ 提示：不能。比较氧化性、还原性的强弱，必须是在通常情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。 2．新型陶瓷（如下图） 3．碳纳米材料 碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。（如下表） 结构特点 应用 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代 碳纳 米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 用于生产复合材料、电池和传感器 石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料 【思考】 从陶瓷材料发展的历史来看，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；精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级，用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，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。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。 试分析传统无机非金属材料和新型无机非金属材料各有什么优点？ 提示：传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的比较：传统无机非金属材料具有性质稳定、抗腐蚀耐高温等优点，但质脆，经不起热冲击。新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征，如：强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。 　晶体硅的制备 硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。 (1)工业上生产粗硅的反应：SiO2＋2CSi＋2CO↑，SiO2＋3CSiC＋2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1，则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为　　　　。 (2)工业上可以通过如下流程制取纯硅： ①若反应Ⅰ为Si＋3HClSiHCl3＋H2，则反应Ⅱ的化学方程式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②整个制备过程中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，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 【答案】　(1)5∶2 (2)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl ②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑ 1．硅的制备与提纯 SiO2Si（粗）SiCl4（或SiHCl3）Si（纯）。　 2．硅及其化合物的转化关系（如下图） 　在无机非金属材料中，硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下： ①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅。 ②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3： Si＋3HClSiHCl3＋H2。 ③SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅。 请回答下列问题： (1)第①步制备粗硅反应的化学方程式为 ________________________________________________________________________。 (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)从基本反应类型角度分类，步骤③中发生的反应属于　　　　　　。 (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　　　　　（填写字母代号）。 A．氯水　　　　　　　　B．NaOH溶液 C．KSCN溶液 D．Na2SO3溶液 【解析】　(1)高温下用碳还原二氧化硅可制得粗硅，同时生成一氧化碳。 (2)分离沸点不同的液体应用蒸馏（或分馏）的方法。 (3)步骤③中发生反应的化学方程式为SiHCl3＋H2Si＋3HCl，属于置换反应。 (4)鉴定产品中是否含铁单质，用稀盐酸溶解后生成Fe2+，因含量少，应将Fe2+转化为Fe3+后再检验，故选AC。 【答案】　(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑ (2)蒸馏（或分馏） (3)置换反应 (4)AC 【练】　已知：SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得高纯硅，且SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃。用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下图所示（热源及夹持装置均已略去）： 请回答下列问题： (1)装置B中的试剂是　　　　，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________________________________________________________________________， 装置D不能采用普通玻璃管的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，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，控制好反应温度和　　　　　。 【解析】　用Zn、稀硫酸反应制得的H2会混有少量H2O，而SiHCl3能与H2O发生剧烈反应，所以要进行干燥，根据装置应选择液态干燥剂浓硫酸。装置C用水浴加热，使SiHCl3汽化，再和H2进入装置D反应，因为SiHCl3与H2在1 000～1 100 ℃下反应，温度很高，普通玻璃会软化，因此不能使用普通玻璃管。因为SiHCl3在空气中易自燃，实验中还要注意先通一段时间的H2以排尽装置中的空气。 【答案】　(1)浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 (2)有固体物质生成　在此反应温度下，普通玻璃会软化　SiHCl3＋H2Si＋3HCl (3)排尽装置中的空气 1．下列关于碳、硅的叙述正确的是(　　) A．碳、硅都是ⅣA族元素，它们在自然界中都以化合态形式存在 B．二氧化碳、二氧化硅的物理性质相似 C．二氧化碳、二氧化硅都是酸性氧化物 D．高纯度的二氧化硅用于制造半导体材料 【解析】　选C。碳以游离态和化合态形式存在，A错误；二氧化碳、二氧化硅的物理性质差异大，B错误；二氧化碳、二氧化硅都是酸性氧化物，C正确；高纯度的硅用于制造半导体材料，D错误。 2．下列具有特殊性能的材料中，由主族元素和副族元素形成的化合物是(　　) A．半导体材料砷化镓 B．吸氢材料镧镍合金 C．透明陶瓷材料硒化锌 D．超导材料K3C60 【解析】　选C。A项砷位于第ⅤA族，镓位于第ⅢA族，全为主族元素；B项镧位于第ⅢB族，镍位于第Ⅷ族，没有主族元素；C项硒位于第ⅥA族，锌位于第ⅡB族，符合题目要求；D项K、C均为主族元素。 3．有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是(　　) A.高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片 B．硅可由二氧化硅还原制得 C．常温时，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应 D．自然界中硅的储量丰富，自然界中存在大量的单质硅 【解析】　选D。硅是重要的半导体材料，可用于生产制造计算机中的芯片，A正确；2C＋SiO2Si＋2CO↑，B正确；常温下，Si的性质稳定，但可以与F2、HF、强碱溶液反应，C正确；自然界中不存在单质硅，D错误。 4．（双选）硅被誉为无机非金属材料的主角。有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。下列有关说法正确的是(　　) A．硅的含量居第二位，在地球上有丰富的单质硅资源，如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅 B．硅相对于氢气而言便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是有开发价值的燃料 C.存放NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞 D．硅是一种良好的半导体材料，所以是制造光导纤维的基本原料 【答案】　BC 5．氮化硅是一种高温结构陶瓷，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在1 300 ℃时反应获得。 (1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是　　　　　（填序号）。 ①制汽轮机叶片　②航空航天耐高温材料 ③制永久性模具　④汽车发动机 (2)画出N的原子结构示意图：　　　　　。写出氮化硅的化学式：　　　　　　　　。 (3)高纯硅与纯氮气反应制得氮化硅，请写出反应的化学方程式：________________________________________________________________________。 【解析】　从题给信息可知，氮化硅具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。由于在化合物中Si元素显＋4价，N元素显－3价，故氮化硅的化学式为Si3N4。 【答案】　(1)①②③④　(2)　Si3N4 (3)2N2＋3SiSi3N4 学科网（北京）股份有限公司 $