5.3无机非金属材料 导学案 2025-2026学年高一下学期化学人教版必修第二册

无机非金属材料 非金属专题（三） ——无机非金属材料：硅 氮 精品学案 第1页/共13页 学科网（北京）股份有限公司 一、无机材料分类： 二、硅结构： Si的最外层有4个电子，Si的最低价为‒4，最高价为+4，常见价态为0和+4 三、硅酸盐材料： 结构 优点 硬度高、难溶于水、耐高温、 耐腐蚀等特点 在硅酸盐中，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为两个四面体共有，与两个Si 结合。硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料 四、传统硅酸盐材料：陶瓷、玻璃、水泥 1、陶瓷：硅酸盐 原料 制取过程 用途 黏土 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 2、玻璃： 主要成分 Na2SiO3、CaSiO3和SiO2（普通玻璃） 原料 纯碱（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）和石英砂（主要成分是SiO2） 制取过程 生产原理 SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑ 反应发生的原因是SiO2的沸点高于CO2，并非酸性更强 用途 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等 3、水泥： 原料 黏土、石灰石（CaCO3） 制取过程 生产原理 加入适量石膏可以调节水泥的硬化速度 用途 混凝土：水泥、沙子和碎石等与水混合，大量用于建筑和水利工程。 五、新型无机非金属： 1、硅：光电池、芯片 位置 ①第三周期、第IV主族 ②硅处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。 用途 太阳能电池 计算机芯片 工业制法 一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷（SiHCl3），再经氢气还原得到高纯硅。 ①SiO2＋2CSi＋2CO↑ 不能据此比较碳和硅的非金属性强弱 ②Si＋3HClSiHCl3＋H2 ③SiHCl3＋H2Si＋3HCl 以上两个反应条件不同，不是可逆反应 2、二氧化硅SiO2——不溶于水：石英、水晶、玛瑙、光纤 （1）用途：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。 建筑材料 玛瑙 光纤 石英坩埚 装饰材料 石英钟表 (2) SiO2化学性质： 1 与非金属 SiO2+2CSi+2CO↑(Si的还原性大于C！！！) 2 酸 SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O(刻蚀玻璃) 3 与碱 SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O 盛放NaOH溶液的试剂瓶不用玻璃塞，而用橡胶塞 4 金属氧化物 SiO2+CaOCaSiO3 5 盐 SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑ （3） 碳酸和硅酸酸性强弱的比较： 装置 饱和NaHCO3溶液的作用：除去CO2中混有的HCl 原理 Na2SiO3 + CO2 + H2O＝H2SiO3↓ + Na2CO3 结论 酸性：H2SiO3>H2SiO3 非金属性：C > Si （4） 玻璃雕花工艺： ①反应原理：SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O(刻蚀玻璃) ②保存HF 不能用玻璃瓶，要用塑料瓶。 ③SiO2是酸性氧化物，和氢氟酸(HF)反应是特性；与其它酸不反应、不是碱性氧化物。 （5）注意： 1molSiO2有4molSi-O键： 1mol晶体Si有2molSi-Si键：或者1mol金刚石有2molC-C键 3、 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。 随着人们对材料性能要求的不断提高， 具有特殊功能的陶瓷材料迅速发展，一系列如高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等新型陶瓷相继问世。这些新型陶瓷与传统陶瓷相比，在成分上有了很大变化。 • 高温结构陶瓷一般用碳化硅、氮化硅（Si3N4）或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具 有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与 金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用 于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。 • 压电陶瓷主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化。可用于滤 波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。 • 透明陶瓷主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物 透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温， 绝缘性好。可用于高压钠灯、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，可用于电力、交通、医疗 等领域。 4、 碳纳米材料：——富勒烯 富勒烯是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。 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，石墨烯主要应用在光电器件、 超级电容器、电池和复合材料等方面。 六、硅酸（H2SiO3）、原硅酸（H4SiO4）——都是弱酸，白色胶状沉淀。 化学性质 与碱 H2SiO3+2NaOH = Na2SiO3+2H2O 加热分解 H2SiO3SiO2＋H2O H4SiO4 H2SiO3＋H2O 制备 H2SiO3 Na2SiO3+2HCl = H2SiO3↓+2NaCl 或者：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl H4SiO4 Na2SiO3 +2 HCl + H2O = H4SiO4 ↓+ 2 NaCl 例题1、下列说法中，正确的是（ ） A. SiO2高温时可以与Na2CO3反应，说明碳酸酸性强于硅酸 B. 生产玻璃、陶瓷、水泥的原料中均有石灰石 C. 硅是应用最广泛的半导体材料，可以作光导纤维 D. AlN陶瓷具有良好的耐热冲击性，属于新型无机非金属材料 例题2、下列叙述错误的是（ ）——教材课后练习与应用第1题 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．高纯度的硅可用于制造计算机芯片 D．二氧化硅可用于生产玻璃 例题3、下列物品或设施： ——教材课后练习与应用第2题 ①混凝土桥墩 ②门窗玻璃 ③水晶镜片 ④石英钟 ⑤水晶项链 ⑥硅太阳能电池 ⑦石英光导纤维 ⑧计算机芯片 （1）含有硅单质的是 （填序号，下同）。 （2）含有二氧化硅的是 。 （3）含有硅酸盐的是 。 例题4、氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4和H2O。请写出该反应的化学方程式。想一想 为什么可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。 ——教材课后练习与应用第3题 例题5、SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH反应可生成Na2SiO3。Na2SiO3的 水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作黏合剂和防火剂。实验室盛放碱溶液 的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞。请解释原因，并写出相关反应的化学方程式 ——教材课后练习与应用第4题 例题6、氮化硅是一种性能优异的无机非金属材料，它的熔点高，硬度大，电绝缘性好，化学性质稳定，但 生产成本较高。 ——教材课后练习与应用第5题 （1）根据以上描述，推测氮化硅可能有哪些用途： （填字母）。 a. 制作坩埚 b. 用作建筑陶瓷 c. 制作耐高温轴承 d. 制作切削刀具 （2）请画出氮和硅的原子结构示意图，并根据元素周期律的知识，写出氮化硅的化学式。 （3）氮化硅在19世纪已经被化学家合成出来，但直到100多年后才逐渐应用于工业领域。材料的基础研究和实际应用之间存在着一定距离，你认为二者之间关系是怎样的？请查阅相关资料，与同学交流你的观点。 例题7、氮化硅（Si3N4）可由石英与焦炭在高温的氮气流中通过以下反应制备： ——教材课复习与提高第7题 3SiO2 + 6C + 2N2 Si3N4 + 6CO （1）请写出氮化硅中氮元素的化合价，以及以上反应中的氧化剂和还原剂。 （2）若该反应生成11.2 L一氧化碳（标准状况），则生成氮化硅的质量是多少？ 巩固练习： 1、在SiO2＋3CSiC＋2CO↑反应中，氧化剂和还原剂的质量比为(　　) A．36:30 B．60:36 C．2:1 D．1:2 2、二氧化硅是玻璃的主要成分之一。下列说法不正确的是(　　) A．二氧化硅是一种立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大 B．二氧化硅为酸性氧化物，能与水反应生成硅酸 C．实验室不能用磨口玻璃塞试剂瓶盛放氢氧化钠溶液 D．氢氟酸能雕刻玻璃，不能用玻璃瓶盛放氢氟酸 3、国际上已禁止民用产品使用石棉制品，避免吸入石棉纤维而诱发肺病。某石棉(硅酸盐)的化学式可表示为Ca2MgxSiyO22(OH)2，式中的x、y的值分别为(　　) A．8,3 B．5,8 C．3,8 D．8,5 4、硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下面几种物质中含有硅单质的是(　　) A．玛瑙　　　　　B．光导纤维 C．太阳能电池 D．水晶 5、下列物品中含有二氧化硅的是（　　） ①陶瓷②金刚砂③普通玻璃④有机玻璃⑤水晶项链⑥光导纤维⑦计算机芯片⑧玛瑙⑨硅太阳能电池⑩石英坩埚 A．①③④⑤⑥⑧ B．②③⑤⑥⑧⑩ C．③④⑤⑥⑧⑩ D．①③⑤⑥⑧⑩ 解析：①陶瓷主要成分为硅酸盐，含有二氧化硅、氧化铝； ②金刚砂主要成分为碳化硅； ③普通玻璃主要成分为硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅； ④有机玻璃成分为有机物； ⑤水晶项链主要成分二氧化硅； ⑥光导纤维主要成分二氧化硅； ⑦计算机芯片主要成分为晶体硅； ⑧玛瑙主要成分为二氧化硅； ⑨硅太阳能电池主要成分为晶体硅； ⑩石英坩埚主要成分为二氧化硅。 5、下列说法不正确的是(　　) A．水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐产品 B．大多数硅酸盐的性质稳定 C．透闪石的化学成分为Ca2Mg5Si8O22(OH)2，将其写成氧化物的形式为2CaO·5MgO·8SiO2·H2O D．新型陶瓷材料包括高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等 6、青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是(　　) A．青石棉是一种硅酸盐材料 B．青石棉中含有一定量的石英晶体 C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O D．1mol青石棉能使1molHNO3被还原 7、将过量的CO2分别通入：①CaCl2溶液；②浓Na2SiO3溶液；③Ca(OH)2溶液；④饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是(　　) A．①②③④ B．②④ C．①②③ D．②③ 8、硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上 (1)下列物质不属于硅酸盐的是________ A．陶瓷　　　B．玻璃 C．水泥　　　 D．生石灰 (2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2和CO2都属于酸性氧化物，性质相似，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为_________________，工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃，其反应方程式为______________ (3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作________ (4)工业上常利用反应2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________________(填化学式，下同)，氧化剂是________________________________________ 9、将下列天然硅酸盐改写成氧化物的形式： (1)石棉　CaMg3Si4O12______________________ (2)绿柱石　Be3Al2Si6O18__________________ (3)白云母　H4K2Al6Si6O24______________ (4)翡翠　NaAlSi2O6_______________________ 10、A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种非金属元素，它们能发生如图所示的转化关系，该元素(用R表示)的单质能与NaOH溶液反应生成盐(Na2RO3)和氢气。请回答下列问题。 (1)写出各物质的化学式：A________；B__________；C________；D________；E________ (2)写出反应①的化学方程式：_______________________________________________，该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为______ (3)写出反应④的离子方程式：__________________________________________ (4)写出反应⑤的离子方程式：_______________________________________ (5)H2CO3的酸性强于E的，请用离子方程式予以证明：____________________________________ 11、除去下列各粉末状混合物中的杂质(括号内物质为杂质)，请按下列提供的试剂和操作，将序号填在下表内。 试剂：A.盐酸；B.烧碱溶液；C.氧气；D.水；E.二氧化碳；F.不需要其他试剂 操作：①加热；②过滤；③蒸发；④蒸馏；⑤结晶；⑥萃取 混合物 试剂 操作 SiO2(CaCO3) NaCl(SiO2) SiO2(H2SiO3) Fe2O3(SiO2) 12、某实验小组设计了如下装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。 已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO ＋ PdCl2＋ H2O===CO2＋2HCl ＋Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊) (1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是_________________________________ (2)装置B的作用是_________________________________________________________ (3)装置C、D中所盛试剂分别为____________、____________，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为_________________________________ (4)该装置的缺点是__________________________________________________________ (5)资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物SiC。取18 g SiO2和8.4 g焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体为13.44 L，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则Si和SiC的物质的量之比为__________________________________________________ (6)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：______________________________________ $