人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料导学案

第三节　无机非金属材料

学习任务一　硅酸盐材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

陶瓷在我国有悠久的历史,手工制造陶瓷的一般过程如图所示。请你结合初中学过的知识,回答下列问题。

(1)制造陶瓷的原料是什么?

(2)手工制造陶瓷的过程中,一定发生化学变化的是哪个过程?

答案　(1)制造陶瓷的原料是黏土。

(2)一定发生化学变化的是④烧结。

1.硅酸盐的结构、特点

　2.陶瓷

　3.玻璃和水泥

判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕”)。

1.制水泥、玻璃的共同原料是石灰石(　√　)

2.硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(　✕　)

3.汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏土(　√　)

4.传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐　(　√　)

1.下图是常见的硅酸盐产品。请指明各图中展示的硅酸盐产品所属的类别。它们都是混合物吗?

答案　图1、2属于陶瓷,图3属于水泥,图4属于玻璃。它们都是混合物。

2.钢化玻璃是普通平板玻璃经过再加工处理而成的一种玻璃。为提高玻璃的强度,通常使用化学或物理的方法,在玻璃表面形成压应力,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身抗风压性、寒暑性、冲击性等。利用题目信息分析钢化玻璃与普通玻璃成分是否相同?

答案　相同。

3.用石灰水抹墙和用水泥砌墙的硬化原理是否相同,为什么?

答案　不相同。石灰水抹墙时发生的反应为Ca(OH)2+CO2 CaCO3↓+H2O,而水泥的硬化是发生了复杂的物理化学变化,二者原理不同。

1.关于玻璃的认识

(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。

(3)常见玻璃种类

2.关于水泥的认识

(1)水泥具有吸水性,在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质,因而变硬的水泥不能使用。

(2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放出CO2。

1.唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于(　　)

A.氧化铝 B.二氧化硅

C.硅酸盐 D.合金

答案　C　唐三彩、秦兵马俑制品由黏土经高温烧结而成,属于硅酸盐产品。

2.下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是(　　)

A.水泥中加入石膏可以调节水泥的硬化速率

B.生产玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英砂

C.玻璃有固定的熔、沸点

D.陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品

答案　C　在水泥中加入适量石膏,可以调节水泥的硬化速率,故A正确;生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂,故B正确;玻璃是混合物,一般混合物都没有固定的熔、沸点,故C错误;陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品,故D正确。

3.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)

A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁

B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成

C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐

D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点

答案　A　氧化铁为红棕色固体,瓷器的青色不可能来自氧化铁,A错误。

学习任务二　新型无机非金属材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1.硅和二氧化硅

(1)主要应用

(2)高纯硅的制备

涉及的主要化学反应为:

(a)SiO2+2C Si+2CO↑

(b)Si+3HCl SiHCl3+H2

(c)SiHCl3+H2 Si+3HCl

2.新型陶瓷——碳化硅(SiC)

3.碳纳米材料

(1)富勒烯:由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,其代表物为C60。

(2)碳纳米管: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。

(3)石墨烯:只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,其电阻率低、热导率高,具有很高的强度。

判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕”)。

1.光电池可以将光能直接转化为电能(　√　)

2.Si是太阳能电池和光导纤维的主要成分(　✕　)

3.碳化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温陶瓷和轴承(　√　)

4.石墨烯属于有机化合物(　✕　)

1.二氧化硅是一种酸性氧化物。实验室中要熔化烧碱固体,现有三种坩埚:石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚。你认为应该选哪一种?简述选择的依据。

答案　选择铁坩埚。铁不与烧碱(NaOH)反应,而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2,能与NaOH反应,使得坩埚受损。

2.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(生成Na2SiO3和CaSiO3)而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗?

答案　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+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑、SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑。

3.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?

答案　不能。因为比较物质氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,题述反应是在高温条件下发生的,所以不能比较碳和硅还原性的强弱。

4.半导体或芯片是由晶体硅生产的。它们被广泛用于集成电路,如计算机、电视等,还有的被应用于先进的微波传送、激光转换系统、医疗诊断和治疗设备等。虽然芯片比较坚硬,但是可被HF溶液腐蚀,生成SiF4和一种气体,请写出该反应的化学方程式。

答案　反应的化学方程式为Si+4HF SiF4+2H2↑。

1.硅的化学性质

(1)在常温下不活泼,但能与氢氟酸反应:Si+4HF SiF4↑+2H2↑。

(2)加热条件下能与O2、Cl2等反应:Si+O2 SiO2;Si+2Cl2 SiCl4。

2.注意二氧化硅的两个反应

(1)碱性试剂如NaOH溶液、Na2CO3溶液等不能用带玻璃塞的试剂瓶存放的原因:碱性试剂能与玻璃塞的主要成分SiO2反应:2NaOH+SiO2 Na2SiO3+H2O,Na2SiO3具有黏合性,能将瓶塞和试剂瓶黏结在一起。

(2)氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛放;可用氢氟酸雕刻玻璃花纹。

3.新型陶瓷

1.具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世,填补了我国计算机制造史上的一项空白,下列对晶体硅的叙述中正确的是(　　)

A.晶体硅和金刚石的物理性质相似

B.硅在地壳中含量居第二位,可以游离态的形式存在于自然界中

C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但提炼工艺复杂,价格非常昂贵

D.晶体硅具有金属光泽,属于金属材料,可以导电

答案　A　A项,晶体硅和金刚石的熔点高、硬度大,具有相似的物理性质;B项,在自然界中没有游离态硅存在;C项,晶体硅的价格已不昂贵,已经广泛应用于电子器件及电脑配件中;D项,晶体硅属于无机非金属材料。

2.碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是(　　)

A.碳纳米管属于胶体

B.石墨烯属于有机化合物

C.C60与金刚石互为同素异形体

D.均具有相同的熔点

答案　C　碳纳米管是一种纳米材料,与胶粒直径吻合,需要分散到分散剂中才能形成胶体,故A错误;石墨烯是由石墨剥离出的单层碳原子结构的单质,不属于有机化合物,故B错误;C60与金刚石同属于碳的单质,互为同素异形体,故C正确;不同的新型碳材料因结构不同应具有不同的熔点,故D错误。

3.根据不同部位工作条件的不同,航天飞机使用了多种防热材料。例如,机身和机翼下表面使用高温结构陶瓷。下列关于新型陶瓷材料的叙述中错误的是(　　)

A.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,可以作为高级耐火材料

B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,是生物陶瓷

C.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,可用于制造陶瓷发动机的受热面

D.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,但是强度比较差

答案　D　新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,具有较高的强度和耐磨性,能抵抗冷热冲击,常用于发动机的受热面,D项错误。

1.据报道,碳纳米管是由碳原子构成的大分子组成的,其导电性是单质铜的1万倍。下列叙述中,不正确的是(　　)

A.14C的质子数为6

B.石墨和碳纳米管互为同素异形体

C.金刚石和碳纳米管分子互为同位素

D.碳纳米管是非金属导体

答案　C　金刚石和碳纳米管都是由碳元素组成的不同单质,互为同素异形体,故C错误。

2.据报道,我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的。下列叙述不正确的是(　　)

A.它耐高温、抗氧化

B.它比钢铁轻、硬,但质地较脆

C.它没有固定熔点

D.它是一种新型无机非金属材料

答案　B　航空材料的特点是质轻、强度高、稳定性好,故A项正确、B项不正确;复合材料属于混合物,没有固定的熔、沸点,根据其组成可知新型航空材料属于新型无机非金属材料,故C、D项正确。

3.宁波博物馆墙面通过两种方式装饰而成:第一种方式是用民间收集的上百万片明清砖瓦手工砌成瓦片墙,另一种方式是用竹条加入混凝土,在表面展现竹的纹理。博物馆展品中陈列着大量宋代精美瓷器——青花瓷。下列说法错误的是(　　)

A.古代的陶瓷、砖瓦及现代的玻璃、水泥等,大多是硅酸盐产品

B.工业上制取水泥的主要原料为黏土、石灰石

C.博物馆窗户上普通玻璃的主要成分是SiO2

D.青花瓷胎体的原料为高岭土

答案　C　普通玻璃是硅酸盐产品,其主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。

4.由SiO2制取Si的过程中不涉及的化学反应(反应条件未说明)是(　　)

A.2C+SiO2 Si+2CO↑

B.SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O

C.Si+3HCl SiHCl3+H2

D.SiHCl3+H2 Si+3HCl

答案　B　由SiO2制取Si时要先制得粗硅,反应为2C+SiO2 Si+2CO↑,然后进行提纯,反应依次为Si+3HCl SiHCl3+H2、SiHCl3+H2 Si+3HCl。

5.下列有关硅及其化合物的叙述中,正确的是(　　)

A.硅是光导纤维的主要成分

B.硅是构成岩石与许多矿物的基本元素

C.SiO2是酸性氧化物,不与任何酸发生反应

D.可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸

答案　B　光导纤维的主要成分是二氧化硅,故A错误;硅是亲氧元素,岩石与许多矿物的基本元素中含有Si元素,故B正确;SiO2是酸性氧化物,但可与氢氟酸发生反应,故C错误;二氧化硅不溶于水,不能通过SiO2与水反应一步制得硅酸,故D错误。

6.稻壳是大米外面的一层壳。某稻壳灰的成分见下表:

通过如下流程可由稻壳灰制备较纯净的二氧化硅。

请回答下列问题:

(1)根据氧化物的性质进行分类,稻壳灰中涉及的氧化物最多有　　　　　　类。 

(2)写出步骤①中二氧化硅发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)通过流程分析,滤渣A的成分是　　　　　　(填化学式)。 

(4)已知滤渣B为硅酸,写出步骤③反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案　(1)3　

(2)SiO2+2OH- Si+H2O　

(3)Fe2O3、C

(4)H2SiO3 H2O+SiO2

解析　(1)二氧化硅为酸性氧化物,氧化钠、氧化钾、氧化铁为碱性氧化物,氧化铝为两性氧化物,所以最多涉及3种氧化物。(2)二氧化硅为酸性氧化物,与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水,反应的离子方程式为SiO2+2OH- Si+H2O。(3)氧化钠、氧化钾均能与水反应生成可溶性碱,氧化铝为两性氧化物,能够与强碱反应生成可溶性偏铝酸盐,二氧化硅为酸性氧化物,与氢氧化钠反应生成可溶性硅酸钠,三氧化二铁与氢氧化钠不反应,所以滤渣A为Fe2O3、C。(4)硅酸不稳定,受热易分解生成二氧化硅和水。