5.3 无机非金属材料（导学案）化学人教版必修第二册

第三节 无机非金属材料 课时1 无机非金属材料 一、知识目标 1.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，明确传统硅酸盐材料的重要作用。 2.掌握晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，体会新型无机非金属材料在高科技领域的重要价值。 3.理解典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途之间的关系。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识无机非金属材料的种类、用途；从微观上理解硅酸盐的结构特点及其对材料性质的影响。 2.证据推理与模型认知：通过对硅及其化合物性质和用途的学习，建立结构决定性质、性质决定用途的化学思维模型。 3.科学探究与创新意识：通过分组讨论和实验探究，培养学生的探究能力和创新思维，了解无机非金属材料的制备方法和应用前景。 一、教学重点 1.典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 二、教学难点 1.典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 一、传统无机非金属材料 产品 原料 主要成分 应用 陶瓷 (含水的铝硅酸盐) 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 普通玻璃 () 生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料 水泥 、少量石膏 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土 【答案】 黏土 纯碱、石灰石和石英砂 、、 黏土和石灰石 二、硅和二氧化硅 (1)硅元素的存在与结构 存在 原子结构示意图 周期表中位置 含量 存在形态 地壳中居第 位 (2)单质硅的制备 ； ； 。 (3)硅和二氧化硅的用途 【答案】 二 氧化物和硅酸盐 第三周期、第ⅣA族 三、碳纳米材料 碳纳米材料在 等领域有着广阔的应用前景。 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 、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 【答案】 能源、信息、医药 复合材料 一、新课导入 【播放视频】 【问题思考】观看壮观建筑视频后，思考这些地标性建筑用到了哪些材料？ 【学生答案】可能用到木材、金属、塑料、玻璃等材料。 【问题思考】结合生活经验，列举身边常见物品是由什么材料制成的？ 【学生答案】教室里的桌椅可能是木材或塑料，窗户可能是玻璃和金属，家里的餐具可能是陶瓷，电器外壳可能是塑料等。 二、 硅酸盐材料 【问题思考】材料可以如何进行分类呢？ 【学生答案】材料可分为金属材料（包含纯金属和合金）、无机非金属材料（又可分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料）、有机高分子材料、复合材料。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 1.材料分类 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。 ①金属材料：包含纯金属和合金。 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 ③有机高分子材料 ④复合材料 任务1：请同学们阅读资料卡片分组讨论硅酸盐的结构。 【问题思考】阅读资料卡片，分组讨论硅酸盐的结构是怎样的？ 【学生答案】 和 构成了硅氧四面体，每个 结合 4 个 ， 在中心， 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 相互连接，每个 为两个四面体所共有，与 2 个 相结合。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 2.硅酸盐 ⑴硅酸盐是由金属、硅、氧等元素形成的盐 ⑵硅酸盐材料具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀特点! ⑶硅酸盐结构：Si 和 O 构成了硅氧四面体每个 Si 结合 4 个 O， Si 在中心，O 在四面体的 4 个顶角许多四面体通过顶角的O相互连接每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合。 任务2：请同学们分组讨论你所知道的身边的硅酸盐材料 【问题思考】查阅资料，说说陶瓷的原料、制作条件、用途和性能分别是什么？ 【学生答案】原料是黏土（含水的铝硅酸盐）；制作条件是高温烧结；用途有建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等；性能是熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 ⑴陶瓷 原料：黏土（含水的铝硅酸盐） 条件：高温烧结 性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 用途：建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 任务3：请同学们阅读资料卡片分组讨论如何制作各种玻璃？ 【问题思考】分组讨论如何制作各种玻璃，玻璃的原料、设备、原理、成分和应用分别是什么？ 【学生答案】原料是纯碱、石灰石和石英砂；设备是玻璃窑；原理是发生复杂的化学反应（如，）；成分有、、；应用于生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑵玻璃 原料:纯碱、石灰石和石英砂 设备:玻璃窑 原理: ， ） 成分:、、， 应用:生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 任务4： 请同学们分组探讨制造水泥的主要原料是什么？ 【问题思考】分组探讨制造水泥的主要原料、工业设备、石膏的作用和制作条件分别是什么？ 【学生答案】主要原料是黏土和石灰石；工业设备是水泥回转窑；石膏的作用是调节水泥硬化速率；制作条件是高温煅烧。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑶水泥 原料：黏土和石灰石 工业设备：水泥回转窑 条件：高温煅烧 石膏的作用：调节水泥硬化速率 对比陶瓷、玻璃、水泥三种传统硅酸盐材料的原料、制作条件和用途。 材料 原料 制作条件 用途 陶瓷 黏土（含水的铝硅酸盐） 高温烧结 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 玻璃窑中高温反应 生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 水泥 黏土和石灰石 高温煅烧，加石膏调节硬化速率 建筑领域 典例精讲 【例1】判断正误 (1)玻璃纤维是有机物(　　) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定(　　) (3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　) (4)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(　　) (5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　) (6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　) 【答案】× √ √ √ √ √ 【解析】 ×；玻璃纤维是无机非金属材料。 √；硅酸盐结构复杂，多数不溶于水且化学性质稳定。 √；硅氧四面体中硅原子与氧原子通过共价键结合。 √；水泥原料是黏土和石灰石，玻璃原料是纯碱、石灰石和石英砂，陶瓷原料是黏土。 √；陶瓷高温烧结，玻璃在玻璃窑中高温反应，水泥高温煅烧。 √；玻璃和水泥生产过程中都有物理变化和化学变化。 三、 新型无机非金属材料 任务1：请同学们分组讨论沙子和芯片的成分是什么呢？ 【问题思考】硅的存在形式、性质、用途和高纯硅的制备方法分别是什么？ 【学生答案】：存在形式：在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在。性质：晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。用途：利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片，用于光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ①硅的存在形式 在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在。 ②硅的性质和用途 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高。 硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,是应用最广泛的半导体材料。 利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 任务2：请同学们分组讨论如何从沙滩到用户? 高纯硅的制备 【问题】高纯硅的制备方法分别是什么？ 【交互动画】高纯硅的制备 【学生答案】：高纯硅的制备方法：一般先制得粗硅（），再将粗硅转化为三氯硅烷（），最后经氢气还原得到高纯硅（）。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ③高纯硅的制备 典例精讲 【例1】高纯度晶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”。它可以按下列方法制备： 下列说法不正确的是( ) A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑ B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子 C.步骤③中的反应为氧化还原反应 D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料 【答案】A 【解析】步骤①的化学方程式应为，A 错误；步骤①中硅元素从价变为 0 价，每生成 1 mol Si，转移 4 mol 电子，B 正确；步骤③中，有元素化合价变化，是氧化还原反应，C 正确；高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，D 正确。 任务3：请同学们分组讨论沙子、石英砂、石英、玛瑙、水晶的主要成分是什么吗？ 【问题思考】二氧化硅的物理性质、化学性质和用途分别是什么？ 【交互动画】二氧化硅的性质和用途 【学生答案】：物理性质：硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电；化学性质：具有酸性氧化物的通性（类比），不溶于水，不与水反应；与碱性氧化物反应（如）；与某些盐反应（如）；与强碱反应（如），还具有特性（如）；用途：可用来生产光导纤维，光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （2）二氧化硅 ①二氧化硅的物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电 ②具有酸性氧化物的通性（类比CO2） a.不溶于水，不与水反应（特殊） b.与碱性氧化物反应 c.与某些盐反应 d.与强碱反应 ③SiO2的特性 ③弱氧化性 ④二氧化硅的用途 二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大， 抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 典例精讲 【例2】下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是( )，含有硅单质的是( )。 ①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维　⑦计算机芯片 A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦ 【答案】A C 任务4：请同学们分组讨论你了解新型无机非金属材料吗？ 【问题思考】 新型陶瓷在组成、结构、性能和应用方面有哪些特点？ 【学生答案】组成上不再限于传统的硅酸盐体系；结构是碳原子和硅原子通过共价键连接；性能方面具有硬度大、高温抗氧化性能等，可作为砂纸和砂轮的磨料，还可用于耐高温结构材料、耐高温半导体材料等；应用领域不断拓展，如高温结构陶瓷可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等，压电陶瓷可用于滤波器、扬声器等，透明陶瓷可用于高压钠灯、激光器等，超导陶瓷可用于电力、交通、医疗等领域。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 2.新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。 结构：碳原子和硅原子通过共价键连接 性能:硬度大——砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能:耐高温结构材料;耐高温半导体材料 任务5：请同学们分组讨论什么是碳纳米材料吗？它有哪些用途？请观看视频并总结！ 【问题思考】 分组讨论什么是碳纳米材料，它有哪些用途？ 【学生答案】碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯。富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，代表物，其发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代；碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径，比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器；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，可用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 3.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物：C60，C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 纳米车的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 (3)石墨烯——新材料之王 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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 典例精讲 【例3】判断正误 (1)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) (2)SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物(　　) (3)因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强(　　) (4)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2(　　) (5)CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似(　　) (6)可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸(　　) (7)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　) 【答案】√ × × √ × × × 【解析】√；光导纤维的主要原料是二氧化硅。 ×；两性氧化物是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， 与氢氟酸反应生成的不是盐和水，不属于两性氧化物。 ×；该反应是在高温条件下进行的，不能根据此反应判断硅酸和碳酸的酸性强弱。 √；水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分都是二氧化硅。 ×； 是由分子构成的， 是原子晶体，两者物理性质差异很大。 ×； 不溶于水，不能与水反应一步制得硅酸。 ×；同素异形体是由同种元素组成的不同单质，金刚砂是碳化硅，和金刚石不是同素异形体。 一、硅酸盐材料 1.材料分类 金属材料 无机非金属材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 2.硅酸盐 定义：由金属、硅、氧等元素形成的盐 结构：硅氧四面体 特点：硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 ⑴陶瓷 原料：黏土（含水的铝硅酸盐） 条件：高温烧结 性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 用途：建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 ⑵玻璃 原料:纯碱、石灰石和石英砂 设备:玻璃窑 原理: 成分:、、， 应用:生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ①硅的存在形式 在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在。 ②硅的性质和用途 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高。 硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,是应用最广泛的半导体材料。 利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 ③高纯硅的制备 （2）二氧化硅 ①二氧化硅的物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电 ②具有酸性氧化物的通性（类比CO2） a.不溶于水，不与水反应（特殊） b.与碱性氧化物反应 c.与某些盐反应 d.与强碱反应 ③SiO2的特性 ③弱氧化性 ④二氧化硅的用途 二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大， 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 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。 结构：碳原子和硅原子通过共价键连接 性能:硬度大——砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能:耐高温结构材料;耐高温半导体材料 3.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物：C60，C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 纳米车的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 (3)石墨烯——新材料之王 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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 1．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是(　　) A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷 B．普通玻璃的主要成分是二氧化硅 C．陶瓷的主要原料是黏土 D．硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料 【答案】B 2. 下列有关硅的说法不正确的是(　　) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 【答案】C 3.化学创造美好生活，下列说法错误的是 A．超导陶瓷可应用于磁悬浮技术 B．手机芯片和光导纤维的主要成分都是硅单质 C．光化学烟雾和臭氧层空洞的形成均与NOx有关 D．SiC硬度很大，可用作砂轮的磨料，是一种新型无机非金属材料 【答案】B 4.光纤通信是一种现代化的通讯手段，光纤通信容量大，一对光纤上可同时传送3万门电话。制造光导纤维的主要原料是SiO2，则SiO2属于 A．酸 B．碱 C．盐 D．酸性氧化物 【答案】D 5.高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应流程如下： 下列说法不正确的是 A． 制备粗硅的反应方程式为 B．反应①②③均为氧化还原反应 C．流程中HCl和H2可以循环利用 D．反应②与反应③互为可逆反应 【答案】C 考点1硅酸盐材料 1．（2022·河北·高考真题）定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是 A．传统陶瓷是典型的绝缘材料 B．陶瓷主要成分为和 C．陶瓷烧制的过程为物理变化 D．白瓷的白色是因铁含量较高 【答案】A 【详解】A．陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，常用于高压变压器的开关外包装和器件，A正确； B．陶瓷的主要成分为硅酸盐，而不是SiO2和MgO，B错误； C．陶瓷烧制过程发生复杂的化学反应，由新物质生成，属于化学变化，C错误； D．由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越多，陶瓷的颜色越深，白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含，D错误； 故答案为：A。 2．（23-24高一下·辽宁·期中）下列说法正确的是 A．石灰石、纯碱、石英砂是生产玻璃的原料 B．二氧化硅是酸性氧化物，能与水反应生成硅酸 C．工业制备粗硅： D．依据，可推测硅酸的酸性比碳酸强 【答案】A 【详解】A．生产玻璃的原料有石灰石、纯碱、石英砂，故A正确； B．二氧化硅与水不反应，故B错误； C．工业制备粗硅的方程式为，故C错误； D．碳酸的酸性大于硅酸，是高温条件下的反应，不能据此推测硅酸的酸性比碳酸强，故D错误； 选A。 3．（23-24高一下·辽宁·期中）材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法正确的是 A．碳化硅属于新型陶瓷，可用作耐高温半导体材料 B．生产水泥的原料是纯碱、石灰石、石英砂 C．高考涂答题卡用的铅笔芯的主要成分是铅 D．光伏电站使用的太阳能电池和通信工程使用的光导纤维的主要成分都是二氧化硅 【答案】A 【详解】A．SiC熔沸点高，硬度大，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料，故A正确； B．生产水泥的主要原料是黏土、石灰石，在水泥回转窑中反应生成水泥，生产玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英，故B错误； C．石墨质软，能在纸上留下灰黑色痕迹，是制作铅笔芯的常用材料，故C错误； D．硅是良好的半导体材料，太阳能光电池成分为晶体硅，不是二氧化硅，故D错误； 故选A。 考点2 新型无机非金属材料 4．（25-26高一下·全国·课后作业）有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是 A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料 B．自然界中存在大量单质硅 C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制 D．自然界硅的贮量丰富 【答案】B 【详解】A．硅常温下为固体，性质较稳定，便于贮存，较为安全，A正确； B．硅在自然界中含量丰富，主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在，仅次于氧，B错误； C．硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用说明燃烧放出的热量大，硅燃烧生成二氧化硅，二氧化硅是固体，容易得到有效控制，C正确； D．硅在地壳中含量丰富，约占地壳质量的27.7%，是仅次于氧元素，因此自然界硅的贮量丰富说法正确，D正确； 故选B。 5．（2025高二上·江苏南京·学业考试）信息传输离不开光导纤维。下列物质可用于制作光导纤维主要材料的是 A．铝合金 B．铁 C．二氧化硅 D．硅 【答案】C 【详解】A．铝合金是金属材料，不具备光导纤维所需的透光性和信号传输能力，A错误； B．铁是金属，不透明，无法传输光信号，B错误； C．二氧化硅是制造光导纤维的核心材料，因其高纯度、透光性强且能全反射传输光信号，C正确； D．硅单质主要用于半导体芯片，而非光导纤维，D错误； 故选C。 6．（23-24高一下·广东茂名·期末）工业制备高纯硅的原理示意图如下： 下列说法错误的是 A．硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在 B．反应①为 C．反应③中的不可用焦炭代替 D．上述流程中能循环利用的物质有、HCl 【答案】B 【分析】石英砂主要成分是二氧化硅，与焦炭反应生成硅和CO，粗硅和HCl在高温下反应生成SiHCl3和氢气，SiHCl3和氢气再反应生成纯硅和HCl； 【详解】A．自然界中不存在游离态硅，硅为亲氧元素，硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在，A正确； B．根据原理图，反应①为二氧化硅和焦炭在高温下反应生成硅和CO，反应方程式为(粗)，B错误； C．反应③中的用焦炭代替会产生杂质，C正确； D．流程②、③中分别会有、HCl生成，所以整个流程中能循环利用的物质有和HCl，D正确； 故选B。 （更多的见分层作业) / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三节 无机非金属材料 课时1 无机非金属材料 一、知识目标 1.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，明确传统硅酸盐材料的重要作用。 2.掌握晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，体会新型无机非金属材料在高科技领域的重要价值。 3.理解典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途之间的关系。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识无机非金属材料的种类、用途；从微观上理解硅酸盐的结构特点及其对材料性质的影响。 2.证据推理与模型认知：通过对硅及其化合物性质和用途的学习，建立结构决定性质、性质决定用途的化学思维模型。 3.科学探究与创新意识：通过分组讨论和实验探究，培养学生的探究能力和创新思维，了解无机非金属材料的制备方法和应用前景。 一、教学重点 1.典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 二、教学难点 1.典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 一、传统无机非金属材料 产品 原料 主要成分 应用 陶瓷 (含水的铝硅酸盐) 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 普通玻璃 () 生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料 水泥 、少量石膏 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土 (1)硅元素的存在与结构 存在 原子结构示意图 周期表中位置 含量 存在形态 地壳中居第 位 (2)单质硅的制备 ； ； 。 (3)硅和二氧化硅的用途 三、碳纳米材料 碳纳米材料在 等领域有着广阔的应用前景。 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 、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 一、新课导入 【播放视频】 【问题思考】观看壮观建筑视频后，思考这些地标性建筑用到了哪些材料？ 【学生答案】 【问题思考】结合生活经验，列举身边常见物品是由什么材料制成的？ 【学生答案】 二、 硅酸盐材料 【问题思考】材料可以如何进行分类呢？ 【学生答案】 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 1.材料分类 ①金属材料： ③有机高分子材料 ④复合材料 任务1：请同学们阅读资料卡片分组讨论硅酸盐的结构。 【问题思考】阅读资料卡片，分组讨论硅酸盐的结构是怎样的？ 【学生答案】 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 2.硅酸盐 任务2：请同学们分组讨论你所知道的身边的硅酸盐材料 【问题思考】查阅资料，说说陶瓷的原料、制作条件、用途和性能分别是什么？ 【学生答案】 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑴陶瓷 原料： 条件： 性能： 用途： 任务3：请同学们阅读资料卡片分组讨论如何制作各种玻璃？ 【问题思考】分组讨论如何制作各种玻璃，玻璃的原料、设备、原理、成分和应用分别是什么？ 【学生答案】 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑵玻璃 原料: 设备: 原理: 成分: 应用: 任务4： 请同学们分组探讨制造水泥的主要原料是什么？ 【问题思考】分组探讨制造水泥的主要原料、工业设备、石膏的作用和制作条件分别是什么？ 【学生答案】 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑶水泥 原料： 工业设备： 条件： 石膏的作用： 对比陶瓷、玻璃、水泥三种传统硅酸盐材料的原料、制作条件和用途。 材料 原料 制作条件 用途 陶瓷 玻璃 水泥 典例精讲 【例1】判断正误 (1)玻璃纤维是有机物(　　) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定(　　) (3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　) (4)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(　　) (5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　) (6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　) 三、 新型无机非金属材料 任务1：请同学们分组讨论沙子和芯片的成分是什么呢？ 【问题思考】硅的存在形式、性质、用途和高纯硅的制备方法分别是什么？ 【学生答案】： 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ①硅的存在形式 ②硅的性质和用途 任务2：请同学们分组讨论如何从沙滩到用户? 高纯硅的制备 【问题】高纯硅的制备方法分别是什么？ 【交互动画】高纯硅的制备 【学生答案】： 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ③高纯硅的制备 典例精讲 【例1】高纯度晶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”。它可以按下列方法制备： 下列说法不正确的是( ) A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑ B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子 C.步骤③中的反应为氧化还原反应 D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料 任务3：请同学们分组讨论沙子、石英砂、石英、玛瑙、水晶的主要成分是什么吗？ 【问题思考】二氧化硅的物理性质、化学性质和用途分别是什么？ 【交互动画】二氧化硅的性质和用途 【学生答案】 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （2）二氧化硅 ①二氧化硅的物理性质 ②具有酸性氧化物的通性（类比CO2） ③弱氧化性 ④二氧化硅的用途 典例精讲 【例2】下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是( )，含有硅单质的是( )。 ①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维　⑦计算机芯片 A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦ 任务4：请同学们分组讨论你了解新型无机非金属材料吗？ 【问题思考】 新型陶瓷在组成、结构、性能和应用方面有哪些特点？ 【学生答案】 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 2.新型陶瓷 结构： 性能: 任务5：请同学们分组讨论什么是碳纳米材料吗？它有哪些用途？请观看视频并总结！ 【问题思考】 分组讨论什么是碳纳米材料，它有哪些用途？ 【学生答案】 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 3.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 (3)石墨烯——新材料之王 典例精讲 【例3】判断正误 (1)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) (2)SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物(　　) (3)因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强(　　) (4)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2(　　) (5)CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似(　　) (6)可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸(　　) (7)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　) 一、硅酸盐材料 1.材料分类 金属材料 无机非金属材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 2.硅酸盐 定义：由金属、硅、氧等元素形成的盐 结构：硅氧四面体 特点：硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 ⑴陶瓷 原料：黏土（含水的铝硅酸盐） 条件：高温烧结 性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 用途：建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 ⑵玻璃 原料:纯碱、石灰石和石英砂 设备:玻璃窑 原理: 成分:、、， 应用:生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ①硅的存在形式 在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在。 ②硅的性质和用途 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高。 硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,是应用最广泛的半导体材料。 利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 ③高纯硅的制备 （2）二氧化硅 ①二氧化硅的物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电 ②具有酸性氧化物的通性（类比CO2） a.不溶于水，不与水反应（特殊） b.与碱性氧化物反应 c.与某些盐反应 d.与强碱反应 ③SiO2的特性 ③弱氧化性 ④二氧化硅的用途 二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大， 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 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。 结构：碳原子和硅原子通过共价键连接 性能:硬度大——砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能:耐高温结构材料;耐高温半导体材料 3.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物：C60，C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 纳米车的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 (3)石墨烯——新材料之王 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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 1．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是(　　) A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷 B．普通玻璃的主要成分是二氧化硅 C．陶瓷的主要原料是黏土 D．硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料 2. 下列有关硅的说法不正确的是(　　) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 3.化学创造美好生活，下列说法错误的是 A．超导陶瓷可应用于磁悬浮技术 B．手机芯片和光导纤维的主要成分都是硅单质 C．光化学烟雾和臭氧层空洞的形成均与NOx有关 D．SiC硬度很大，可用作砂轮的磨料，是一种新型无机非金属材料 4.光纤通信是一种现代化的通讯手段，光纤通信容量大，一对光纤上可同时传送3万门电话。制造光导纤维的主要原料是SiO2，则SiO2属于 A．酸 B．碱 C．盐 D．酸性氧化物 5.高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应流程如下： 下列说法不正确的是 A． 制备粗硅的反应方程式为 B．反应①②③均为氧化还原反应 C．流程中HCl和H2可以循环利用 D．反应②与反应③互为可逆反应 考点1硅酸盐材料 1．（2022·河北·高考真题）定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是 A．传统陶瓷是典型的绝缘材料 B．陶瓷主要成分为和 C．陶瓷烧制的过程为物理变化 D．白瓷的白色是因铁含量较高 2．（23-24高一下·辽宁·期中）下列说法正确的是 A．石灰石、纯碱、石英砂是生产玻璃的原料 B．二氧化硅是酸性氧化物，能与水反应生成硅酸 C．工业制备粗硅： D．依据，可推测硅酸的酸性比碳酸强 3．（23-24高一下·辽宁·期中）材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法正确的是 A．碳化硅属于新型陶瓷，可用作耐高温半导体材料 B．生产水泥的原料是纯碱、石灰石、石英砂 C．高考涂答题卡用的铅笔芯的主要成分是铅 D．光伏电站使用的太阳能电池和通信工程使用的光导纤维的主要成分都是二氧化硅 考点2 新型无机非金属材料 4．（25-26高一下·全国·课后作业）有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是 A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料 B．自然界中存在大量单质硅 C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制 D．自然界硅的贮量丰富 5．（2025高二上·江苏南京·学业考试）信息传输离不开光导纤维。下列物质可用于制作光导纤维主要材料的是 A．铝合金 B．铁 C．二氧化硅 D．硅 6．（23-24高一下·广东茂名·期末）工业制备高纯硅的原理示意图如下： 下列说法错误的是 A．硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在 B．反应①为 C．反应③中的不可用焦炭代替 D．上述流程中能循环利用的物质有、HCl （更多的见分层作业) / 学科网（北京）股份有限公司 $