5.3 无机非金属材料(Word教参)-【学霸笔记·同步精讲】2024-2025学年高中化学必修第二册（人教版）

本高中化学讲义聚焦无机非金属材料核心知识点，先系统梳理硅酸盐材料的硅氧四面体结构、传统产品（陶瓷、玻璃、水泥）的原料与生产工艺，再过渡到新型材料，涵盖硅和二氧化硅的性质、碳化硅及碳纳米材料（富勒烯、碳纳米管、石墨烯）的特性与应用，构建从传统到现代的知识支架。 该资料通过硅氧四面体结构示意图、生产反应方程式等可视化内容，助力学生形成“结构决定性质，性质决定用途”的化学观念。设置思考题（如SiO₂与氢氟酸反应的特殊性）和生活实例（《天工开物》陶瓷、高铁材料），培养科学思维与探究能力。课中辅助教师清晰授课，课后习题帮助学生巩固知识，查漏补缺。

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，了解传统硅酸盐产品的工业生产。 2．了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、碳纳米材料等新型无机非金属材料。 知识点一　硅酸盐材料 1．无机非金属材料概述 2．硅酸盐材料 (1)硅酸盐的结构与性质特点 硅氧四面体的 结构示意图 结构 性质特点 在硅酸盐中，Si和O构成了____________结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，每个Si结合____个O，每个O结合______个Si 硅酸盐材料大多具有硬度______、________溶于水、____________、____________等特点 [知识拓展]　最简单的硅酸盐——Na2SiO3 Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可用作黏合剂和防火剂，其与少量CO2反应的化学方程式为Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。 (2)常见的硅酸盐材料 物质 陶瓷 普通玻璃 普通水泥 原料 ________(主要成分为含水的铝硅酸盐) __________和石英砂(主要成分是SiO2) 主要原料：___________________________ _________________辅料：适量的石膏 设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑 用途 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 生产建筑材料、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 　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↑。 [答案自填] 硅氧四面体　4　2　高　难 耐高温　耐腐蚀　黏土　纯碱、石灰石 石灰石和黏土 (1)硅酸盐结构较为复杂，大多易溶于水，化学性质稳定　(　　) (2)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(　　) (3)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　) (4)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化　(　　) 答案：(1)×　(2)√　(3)√　(4)√ 1．《天工开物》第七卷《陶埏(陶瓷)》中“水火既济而土合。……后世方土效灵，人工表异，陶成雅器，有素肌、玉骨之象焉”。所述的“陶成雅器”的主要原料是(　　) A．黏土　　　　　　　　 B．纯碱、石灰石、石英砂 C．黏土、石灰石 D．二氧化硅、硅酸钙、硅酸铝 解析：选A。陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成的，题干中“水火既济而土合”为陶器的生产工艺，所以所述的“陶成雅器”的主要原料是黏土。 2．含硅元素的物质有很多用途。下列物质的主要成分不是硅酸盐的是(　　) A．用作木材防火剂原料的水玻璃 B．制作精美饰品的玛瑙 C．我国三峡大坝使用的大量水泥 D．高压输电线使用的陶瓷绝缘材料 解析：选B。A．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，属于硅酸盐材料；B．玛瑙的主要成分为二氧化硅，不属于硅酸盐材料；C．水泥的主要原料为黏土和石灰石，属于硅酸盐材料；D．陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成的，属于硅酸盐材料。 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，既不燃烧也不易被腐蚀 B．在建筑工业上可以用作黏合剂、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：选D。水玻璃为硅酸钠的水溶液，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。 知识点二　新型无机非金属材料 1．硅和二氧化硅 (1)硅的结构与存在 原子结构 示意图 元素周期表中 的位置 存在 含量 主要存在形态 ______ 第____ 周期　　 第____ 族　　　 地壳中居 第____ 位　　　 氧化物(如水晶、玛瑙)和硅酸盐(如地壳中的大多数矿物) (2)高纯硅的制备 其中涉及的主要化学反应如下： ①___________________________________________________； ②______________________________________________________； ③_____________________________________________________。 　SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应生成硅酸盐。氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4气体和水。 (1)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，SiO2属于两性氧化物吗？ (2)能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸？若不能，请写出化学方程式并简述理由。 (3)为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液？ (4)SiO2属于酸性氧化物，能否用SiO2与水直接反应制取H2SiO3？若不能，则如何由SiO2来制取H2SiO3？用化学方程式表示。 提示：(1)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，但生成的SiF4不属于盐。 (2)不能。玻璃中含有二氧化硅，能被氢氟酸腐蚀，化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 (3)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)不能，因为SiO2与水不反应。由SiO2制取H2SiO3的流程为SiO2Na2SiO3H2SiO3；化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。 二氧化硅的化学性质 　 (3)主要用途 ①利用高纯硅的半导体性能可以制造________和________________等。 ②SiO2可用来生产____________。 2．新型陶瓷 新型陶瓷 成分 性能 主要应用 金刚砂 ________ __________ 硬度很______、具有优异的高温抗氧化性能 用作磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料等 续　表 新型陶瓷 成分 性能 主要应用 高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、某些金属氧化物等 耐______、抗氧化、耐________ 火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 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 氧化铝、氧化钇等氧化物；氮化铝、氟化钙等非氧化物 具有优异的光学性能，耐高温，______________好 高压钠灯、激光器和高温探测窗等 超导 陶瓷 — 某一临界温度下具有超导性 电力、交通、医疗等领域 3.碳纳米材料 碳纳米材料 概念 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 可以看成是由____________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 石 墨 烯 __________________厚度的单层石墨 电阻率______、热导率______，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 [答案自填] 　三　ⅣA　二　SiO2＋2CSi＋2CO↑　Si＋3HClSiHCl3＋H2　SiHCl3＋H2Si＋3HCl　芯片　硅太阳能电池　光导纤维 碳化硅(SiC)　大　高温　磨蚀　机械　电　绝缘性　碳原子　C60　石墨片层　强度　电学　只有一个碳原子直径　低　高 1．我国在半导体行业取得了一定的突破。下列有关Si及SiO2的描述中错误的是(　　) A．自然界中存在大量的SiO2，如石英、水晶等的主要成分均是SiO2 B．粗硅的制备反应：SiO2＋CSi＋CO2↑ C．粗硅的提纯涉及了反应：Si＋3HClSiHCl3＋H2 D．硅单质是一种半导体材料，可用于制作芯片 解析：选B。A．硅元素以二氧化硅和硅酸盐形式存在于地壳中，石英、水晶的主要成分均是二氧化硅，选项A正确；B．粗硅的制备是二氧化硅与碳在高温条件下反应生成粗硅和CO，化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，选项B错误；C．粗硅的提纯是利用粗硅和氯化氢在加热条件下反应生成三氯硅烷和氢气，涉及反应：Si＋3HClSiHCl3＋H2，选项C正确；D．硅单质是一种半导体材料，高纯度的硅单质广泛用于制作硅芯片，选项D正确。 2．(2024·云南高一月考)现代社会的发展与进步离不开材料。下列说法错误的是(　　) A．碳化硅是一种新型陶瓷材料，具有耐高温、耐磨的特点 B．晶体硅常用于制作光导纤维 C．制普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂 D．石墨烯是一种新型无机非金属材料，具有高电导率的特点 解析：选B。碳化硅(SiC)是一种新型无机非金属材料，熔点高、硬度大，具有耐高温、耐磨的特点，A正确；晶体硅是一种半导体材料，常用于制造芯片，二氧化硅用于制作光导纤维，B错误；普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂，C正确；石墨烯是一种新型无机非金属材料，导电性强，具有高电导率的特点，D正确。 3．“纳米车”是科学家用某有机化合物分子和球形笼状分子C60制成的，每辆“纳米车”由一个有机化合物分子和四个C60分子构成。下列说法正确的是(　　) A．人们用肉眼可以清晰地看到“纳米车”的运动 B．C60和金刚石中碳元素均以游离态的形式存在 C．C60是一种新型的化合物 D．C60和石墨具有完全相同的性质 解析：选B。A项，“纳米车”很小，人们不能直接用肉眼清晰地看到“纳米车”的运动，错误；B项，C60和金刚石都是单质，碳元素均以游离态的形式存在，正确；C项，C60是由一种元素组成的纯净物，属于单质，错误；D项，C60和石墨是不同的物质，结构不同，性质不完全相同，错误。 1．(2022·新高考广东卷)广东一直是我国对外交流的重要窗口，馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是(　　) 文物 选项 A．南宋鎏 金饰品 B．蒜头纹 银盒 C．广彩瓷 咖啡杯 D．铜镀 金钟座 解析：选C。A．鎏金饰品是用金和水银合成金汞剂，将其涂在饰品的表面，经过烘烤，汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺，其中不含硅酸盐，故A项不符合题意；B．蒜头纹银盒的主要成分为金属银，故B项不符合题意；C．广彩瓷咖啡杯是由黏土烧制而成的，主要成分为硅酸盐，故C项符合题意；D．铜镀金钟座是由铜和金等制成的，其中不含硅酸盐，故D项不符合题意。 2．(教材习题改编)下列叙述错误的是(　　) A．硅在自然界中主要以单质形式存在 B．硅是应用最广泛的半导体材料 C．传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如陶瓷、玻璃、水泥等 D．二氧化硅可用于生产玻璃 答案：A 3．(2024·杭州高一调研)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 解析：选A。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形成的两种不同的单质，二者互为同素异形体，C正确；碳纳米管有较大的比表面积，可以用作催化剂的载体，D正确。 4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如下图所示)。下列说法正确的是(　　) A．图中所有反应都不属于氧化还原反应 B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维 C．可用盐酸除去石英(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙 D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，有固定的熔点 解析：选C。由题图可知，SiO2与CaO、CaCO3、Na2CO3的反应不属于氧化还原反应，SiO2与C、Si与Cl2、SiCl4与H2的反应属于氧化还原反应，A错误；光导纤维的主要成分是SiO2，B错误；玻璃没有固定的熔点，D错误。 5．中国高铁已经成为中国的一张新名片。作为“基建狂魔”，中国高铁的发展速度已经不止一次让全世界赞叹。 (1)碳纤维复合材料可用作高速列车的车身结构，动力学前端、内饰、承重结构件或其他零部件，碳纤维与碳纳米管、石墨烯________(填“是”或“不是”)同素异形体。 (2)建设高铁轨道需要大量的水泥，生产水泥的主要原材料是黏土和________；还需要加入适量________调节水泥硬化速率。 (3)高铁上的信息传输系统使用了光导纤维，主要成分是________；乘务员使用的无线通话机的芯片材料是________。 (4)高铁上安装有许多玻璃，氢氟酸可以处理玻璃表面的微裂纹，氢氟酸与玻璃中的二氧化硅反应的化学方程式为__________________________________。 (5)高铁上的卫生间没有任何异味，这是由于所使用的马桶、地漏和洗手盆下水口都是纳米硅胶的高科技产品。向硅酸钠溶液中加入稀盐酸可产生硅酸胶体，该反应的离子方程式为__________________________________________。 解析：(1)碳纤维与碳纳米管、石墨烯均为碳的单质，互为同素异形体。(2)生产水泥的主要原材料是石灰石和黏土。(3)光导纤维的主要成分是SiO2，具有良好的导光性；硅单质是半导体材料，常用于制作计算机芯片和太阳能电池，乘务员使用的无线通话机的芯片材料是硅。(4)玻璃中含有二氧化硅，二氧化硅和氢氟酸反应生成四氟化硅和水，化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。(5)向硅酸钠溶液中加入稀盐酸，反应生成硅酸胶体，离子方程式为SiO＋2H＋===H2SiO3(胶体)。 答案：(1)是　(2)石灰石　石膏 (3)SiO2　Si　(4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O (5)SiO＋2H＋===H2SiO3(胶体) 学科网（北京）股份有限公司 $