5.3 无机非金属材料【基础必牢】化学人教版必修第二册

该高中化学知识清单系统梳理了无机非金属材料的知识体系。从硅的物理化学性质及工业提取入手，延伸至二氧化硅的性质与应用，再到硅酸的性质，进而分类介绍传统无机非金属材料（陶瓷、玻璃、水泥）和新型无机非金属材料（Si、SiO₂、新型陶瓷、碳纳米材料），并构建硅及其化合物的转化关系网络。 知识链路按照“单质性质-化合物性质-材料分类-转化关系”逻辑清晰呈现，通过表格对比传统与新型材料的成分、原料及用途，强调结构决定性质、性质决定用途的化学观念。工业提取硅流程体现科学探究过程，易错提醒和转化反应式助力科学思维培养，帮助学生建立完整的无机非金属材料认知框架。

5.3 无机非金属材料 一、硅 1．物理性质 硅是带有金属光泽的 ，熔沸点 、硬度 、有脆性； 硅是 材料，高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域，可用作 。 2．化学性质 （1）与绝大多数酸均不反应，但能与氢氟酸反应: （2）能与强碱反应，例如NaOH： 注： 作还原剂， 作氧化剂 （3） 能与非金属单质反应 与F2反应不需要条件： 与Cl2反应需要加热： 与O2反应需要加热： 与C反应需要高温： （4）工业提取Si 粗硅，实际掺杂了焦炭；提纯过程：C与HCl不反应，SiHCl3 熔点-126.5℃，沸点 33℃ ① ； ② ； ③ ； ①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,写出这一过程的化学方程式: ； ②H2还原SiHCl3过程中若混入O2,可能引起的后果是 ； ③流程中的 可循环利用，通过 能改变反应②和反应③的进行方向。 易错提醒 二、二氧化硅 1．物理性质 无定形SiO2为 ，SiO2晶体是 的。熔点 、 溶于水。 的主要成分均为SiO2；SiO2可用作 。 2．化学性质 ①酸性氧化物： 与NaOH反应： ； 与Na2O反应： ； 与CaO反应： ； ②特性：与HF反应 （可以用来 ） ③氧化性 与C反应： ④与盐反应 与Na2CO3反应： （不是强酸制弱酸，是产生气体，熵增效应） Na2SiO3的水溶液又俗称 ，水玻璃属于 （填“纯净物”或“混合物”）。 与CaCO3反应：SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑ （不是强酸制弱酸，是产生气体，熵增效应） 注：SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应可以用来制备玻璃。玻璃主要成分为 。 易错提醒 三、硅酸 1．硅酸（H2SiO3）： （1） 溶于水，酸性比碳酸弱，其酸性 使石蕊溶液变红； ； （2）与碱（NaOH）反应 ； （3）不稳定，受热易分解 ； 四、无机非金属材料的分类 1．传统的无机非金属材料(硅酸盐) 传统的无机非金属材料多数为硅酸盐材料，包括： 产品 主要成分 主要设备 原料 用途 陶瓷 陶瓷窑 主要成分： 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 普通玻璃 玻璃窑 生产建筑材料、光学仪器、各种器皿，还可制造玻璃纤维 水泥 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙 水泥回转窑 建筑和水利工程 （1）制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的 。制得的玻璃是混合物， 。 （2）钢化玻璃与普通玻璃的主要成分 ，制作工艺不同。 （3） 普通玻璃或玻璃成分为 ，石英玻璃成分为 。 （4）生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如， →光学玻璃（透光性好， 折射率高） →实验室使用的玻璃仪器（耐化学腐蚀、 耐温度急剧变化） →彩色玻璃 易错提醒 （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）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(　　) 参考答案：（1）×　（2）√　（3）√　（4）√　（5）√　（6）√ 易错辨析 2．新型无机非金属材料(Si和SiO2；新型陶瓷；碳纳米材料) （1）Si和SiO2 Si： SiO2： （2）新型陶瓷 类型 组成 性能 用途 高温结 构陶瓷 、氮化硅或某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐磨蚀等 火箭或汽车的发动机、高温电极材料 压电陶瓷 等 实现机械能与电能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好 高压钠灯、激光器和高温探测窗等 超导陶瓷 在某一临界温度下电阻为零,具有超导性 电力、交通、医疗等领域 （3）碳纳米材料 例子： 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。 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 ，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。 石墨烯是只有 的单层石墨，其独特的结构使其 。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、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。 （1）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(　　) （2）生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) （3）金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　) （4）富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳(　　) 参考答案：（1）√　（2）√　（3）×　（4）√ 易错辨析 无机非金属材料汇总 实例 成分 原料 传统无机非金属材料 硅酸二钙、硅酸三钙、 铝酸三钙 新型无机非金属材料 、氮化硅或某些金属氧化物 钛酸盐和锆酸盐等 氧化铝、氧化钇或氮化铝、氟化钙 YBa2Cu3O7-δ Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 五、硅及其化合物的相互转化 SiO2+2CSi+2CO↑ （氧化产物为CO） Si+3HClSiHCl3+H2 SiHCl3+H2Si+3HCl SiHCl3+3H2OH2SiO3↓+3HCl+H2↑ Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑ SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2O （硅酸钠的水溶液又称“水玻璃”） Si+O2SiO2 Si+2Cl2SiCl4 SiCl4＋2H2Si+4HCl Si+4HFSiF4↑+2H2↑ SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2O SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ （产生气体，熵增） SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（产生气体，熵增） Na2SiO3+H2O+CO2Na2CO3+H2SiO3 ↓ （现象：生成白色胶状沉淀；酸性:H2CO3>H2SiO3） H2SiO3 + 2NaOHNa2SiO3 + 2H2O H2SiO3H2O + SiO2 学科网（北京）股份有限公司 $ 5.3 无机非金属材料 一、硅 1．物理性质 硅是带有金属光泽的灰黑色固体，熔沸点高、硬度大、有脆性； 硅是半导体材料，高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域，可用作芯片、太阳能电池板。 2．化学性质 （1）与绝大多数酸均不反应，但能与氢氟酸反应:Si+4HFSiF4↑+2H2↑ （2）能与强碱反应，例如NaOH：Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑ 注： Si 作还原剂， H2O 作氧化剂 1. 能与非金属单质反应 与F2反应不需要条件：Si+2F2SiF4 与Cl2反应需要加热：Si+2Cl2SiCl4 与O2反应需要加热：Si+O2SiO2 与C反应需要高温：Si+CSiC（金刚砂） （4）工业提取Si 粗硅，实际掺杂了焦炭；提纯过程：C与HCl不反应，SiHCl3 熔点-126.5℃，沸点 33℃ ①SiO2+2CSi+2CO↑； ②Si+3HClSiHCl3+H2； ③SiHCl3+H2Si+3HCl； ①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,写出这一过程的化学方程式:SiHCl3+3H2OH2SiO3↓+3HCl+H2↑； ②H2还原SiHCl3过程中若混入O2,可能引起的后果是发生爆炸； ③流程中的H2和HCl可循环利用，通过调控反应温度能改变反应②和反应③的进行方向。 易错提醒 二、二氧化硅 1．物理性质 无定形SiO2为白色粉末，SiO2晶体是无色透明的。熔点高、难溶于水。 石英、玛瑙、沙子的主要成分均为SiO2；SiO2可用作光导纤维（“光纤”）、石英坩埚、石英玻璃。 2．化学性质 ①酸性氧化物： 与NaOH反应：SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2O； 与Na2O反应：SiO2＋Na2ONa2SiO3； 与CaO反应：SiO2+CaOCaSiO3； ②特性：与HF反应 SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2O（可以用来雕刻玻璃） ③氧化性 与C反应：SiO2+2CSi+2CO↑ (工业制备粗硅) ④与盐反应 与Na2CO3反应：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ （不是强酸制弱酸，是产生气体，熵增效应） Na2SiO3的水溶液又俗称“水玻璃”，水玻璃属于混合物（填“纯净物”或“混合物”）。 与CaCO3反应：SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑ （不是强酸制弱酸，是产生气体，熵增效应） 注：SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应可以用来制备玻璃。玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。 易错提醒 三、硅酸 1．硅酸（H2SiO3）： （1）难溶于水，酸性比碳酸弱，其酸性不能使石蕊溶液变红； Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3 ↓ （现象：生成白色胶状沉淀） ； （2）与碱（NaOH）反应 H2SiO3 + 2NaOHNa2SiO3 + 2H2O； （3）不稳定，受热易分解 H2SiO3H2O + SiO2； 四、无机非金属材料的分类 1．传统的无机非金属材料(硅酸盐) 传统的无机非金属材料多数为硅酸盐材料，包括：玻璃、陶瓷、水泥 产品 主要成分 主要设备 原料 用途 陶瓷 含水的铝硅酸盐 陶瓷窑 黏土 主要成分：含水的铝硅酸盐 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 普通玻璃 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 玻璃窑 石英砂、纯碱、石灰石 生产建筑材料、光学仪器、各种器皿，还可制造玻璃纤维 水泥 硅酸三钙、 硅酸二钙、 铝酸三钙 水泥回转窑 黏土、石灰石、适量石膏 建筑和水利工程 （1）制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。制得的玻璃是混合物，没有固定的熔点。 （2）钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同，制作工艺不同。 （3） 普通玻璃或玻璃成分为硅酸盐，石英玻璃成分为SiO2。 （4）生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如， 铅→光学玻璃（透光性好， 折射率高） 硼酸盐→实验室使用的玻璃仪器（耐化学腐蚀、 耐温度急剧变化） 金属氧化物或盐→彩色玻璃 易错提醒 2．新型无机非金属材料(Si和SiO2；新型陶瓷；碳纳米材料) （1）Si和SiO2 Si：芯片、太阳能电池板 SiO2：石英、玛瑙、沙子、石英坩埚、石英玻璃、光导纤维（“光纤”） （2）新型陶瓷 类型 组成 性能 用途 高温结 构陶瓷 碳化硅(俗称金刚砂)、氮化硅或某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐磨蚀等 火箭或汽车的发动机、高温电极材料 压电陶瓷 钛酸盐和锆酸盐等 实现机械能与电能的相互转化 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 或氮化铝、氟化钙 具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好 高压钠灯、激光器和高温探测窗等 超导陶瓷 YBa2Cu3O7-δ Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 在某一临界温度下电阻为零,具有超导性 电力、交通、医疗等领域 （3）碳纳米材料 例子：富勒烯（例如C60）、碳纳米管、石墨烯， 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。 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。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、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。 无机非金属材料汇总 实例 成分 原料 传统无机非金属材料 陶瓷 含水的铝硅酸盐 黏土 玻璃 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 石英砂、纯碱、石灰石 水泥 硅酸二钙、硅酸三钙、 铝酸三钙 黏土、石灰石、石膏 新型无机非金属材料 Si 芯片、太阳能电池板 SiO2 石英、玛瑙、沙子、石英坩埚、石英玻璃、光导纤维（“光纤”） 新型陶瓷 高温结构陶瓷 碳化硅(俗称金刚砂)、氮化硅或某些金属氧化物 压电陶瓷 钛酸盐和锆酸盐等 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇或氮化铝、氟化钙 超导陶瓷 YBa2Cu3O7-δ Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 碳纳米材料 富勒烯（例如C60）、碳纳米管、石墨烯， 五、硅及其化合物的相互转化 SiO2+2CSi+2CO↑ （氧化产物为CO） Si+3HClSiHCl3+H2 SiHCl3+H2Si+3HCl SiHCl3+3H2OH2SiO3↓+3HCl+H2↑ Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑ SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2O （硅酸钠的水溶液又称“水玻璃”） Si+O2SiO2 Si+2Cl2SiCl4 SiCl4＋2H2Si+4HCl Si+4HFSiF4↑+2H2↑ SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2O SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ （产生气体，熵增） SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（产生气体，熵增） Na2SiO3+H2O+CO2Na2CO3+H2SiO3 ↓ （现象：生成白色胶状沉淀；酸性:H2CO3>H2SiO3） H2SiO3 + 2NaOHNa2SiO3 + 2H2O H2SiO3H2O + SiO2 学科网（北京）股份有限公司 $