高中化学第三节 无机非金属材料导学案及答案

这是一份高中化学第三节 无机非金属材料导学案及答案，共9页。

1．了解硅酸盐制品的生产原料及主要成分，培养“宏观辨识与社会责任”的核心素养。
2．了解新型无机非金属材料的性质，感受科学技术的重大应用，培养“科学探究与科学态度”的核心素养。
3．了解硅及其重要化合物的基本性质，培养“宏观辨识与变化观念”的核心素养。
4．归纳总结常见无机间的转化及应用。
知识点一 硅酸盐材料——传统无机非金属材料
无机非金属材料一般含有硅、氧元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。
1．硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，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。其结构示意图为。
2．硅酸盐材料
3．特种玻璃
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。(√)
(2)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。(√)
(3)水泥中的石膏调节水泥的硬化速率。(√)
(4)水泥、沙子和碎石等与水混合形成混凝土。(√)
(5)陶瓷一般不导电，可以生产绝缘材料。(√)
知识点二 新型无机非金属材料
1．硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在与结构
(2)硅的导电性
硅处于金属与非金属的过渡位置，其单质导电性介于导体与绝缘体之间，是重要的半导体材料。
(3)单质硅的制备
(4)硅和二氧化硅的用途
2．新型陶瓷
(1)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。
(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3．碳纳米材料
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)二氧化硅可制造光导纤维，用于导电。(×)
(2)碳化硅和氮化硅是两种新型材料。(√)
(3)富勒烯、碳纳米管和石墨烯的主要成分都是碳单质。(√)
(4)硅是制备光导纤维和光电池的材料。(×)
1．高纯硅的制备流程图
石英砂eq \(――――――――→,\s\up10(＋焦炭),\s\d11(1 800～2 000 ℃))粗硅eq \(――→,\s\up10(＋HCl),\s\d11(300 ℃))SiHCl3eq \(――――→,\s\up10(＋H2),\s\d11(1 100 ℃))高纯硅
2．含硅物质的主要化学性质拓展归纳

注意：(1)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存，氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃制品蚀刻花纹。
(2)强碱溶液不能用玻璃塞试剂瓶保存，应用橡胶塞。
(3)水玻璃在空气中变质生成沉淀。
1．下列有关普通玻璃的说法不正确的是( )
A．制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英砂
B．玻璃在加热熔化时有固定的熔点
C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口黏在一起
B [玻璃是混合物，没有固定的熔点，B错误。]
2．(素养题)多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如图所示；下列说法错误的是( )
A．Y可能是H2
B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
C．SiHCl3中硅元素的化合价为＋4价
D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
B [Y能够还原SiHCl3为硅单质，则Y可能是H2，A正确；制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成SiC：3C＋SiO2eq \(=====,\s\up10(高温))SiC＋2CO↑，在该反应中碳既是氧化剂，又是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2，B错误； SiHCl3中H是－1价，Cl是－1价，则Si的化合价为＋4价，C正确； H2与SiHCl3制备多晶硅的反应：SiHCl3＋H2eq \(=======,\s\up10(1 100 ℃))Si＋3HCl，属于置换反应，D正确。]
1．钠及其化合物
2．铁及其化合物
3．铝及其化合物
4．氯及其化合物
5．硫及其化合物
6．氮及其化合物
7．硅及其化合物
3．已知X、Y、Z、E四种常见物质含有同一种元素，其中E是一种强酸，在一定条件下，它们有如图所示转化关系。下列推断不合理的是( )
A．X可能是一种氢化物
B．Y不可能转化为X
C．Y可能直接转化为E
D．若X是单质，则X转化为Y的反应可能是化合反应
B [X是一种氢化物时，X可以是NH3，则Y是NO、Z是NO2、E是HNO3，X还可以是H2S，则Y是SO2、Z是SO3、E是H2SO4，A项合理；如果X是S，Y是SO2，Z是SO3，E是H2SO4，则SO2＋2H2S===3S＋2H2O，B项不合理；如果X是S，Y是SO2，Z是SO3，E是H2SO4，则SO2＋H2O2===H2SO4，C项合理；若X是N2、Y是NO、Z是NO2、E是HNO3，则N2＋O2eq \(=====,\s\up10(放电))2NO，D项合理。]
4．下列各组物质中，满足表中图示物质在一定条件下一步转化关系的组合有( )
A．①②③B．①③④
C．只有②③D．②③④
A [①Si溶于NaOH溶液可得到Na2SiO3，向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸可得到H2SiO3，H2SiO3受热分解生成SiO2，SiO2与C在高温下反应可得到Si，①正确；②Na与H2O反应生成NaOH，NaOH与少量CO2反应生成Na2CO3、Na2CO3与稀盐酸反应生成NaCl，NaCl在熔融条件下电解生成Na，②正确；③Cl2与石灰乳反应生成Ca(ClO)2，Ca(ClO)2与稀盐酸反应生成HClO，HClO在光照条件下分解生成HCl，电解HCl溶液可得到Cl2，③正确；④Fe与Cl2反应生成FeCl3，FeCl3与Fe反应生成FeCl2，FeCl2与氢氧化钠溶液反应生成Fe(OH)2，由Fe(OH)2通过一步反应得不到Fe，④错误。A项符合题意。]
1．研究人员制得了具有超导特性的双层石墨烯新材料。以下对石墨烯的推测不正确的是( )
A．石墨烯性质稳定，不能在氧气中燃烧
B．石墨烯与石墨都具有导电性
C．石墨烯与金刚石互为同素异形体
D．石墨烯与石墨都具有较高的熔点
A [石墨烯是由碳元素组成的单质，能在氧气中燃烧，A错误；石墨烯具有超导特性，可以导电，石墨中各层之间有可以自由移动的电子，所以石墨也可以导电，B正确；石墨烯和金刚石都是由碳元素组成的单质，所以二者互为同素异形体，C正确；石墨烯和石墨都具有较高的熔点，D正确。]
2．硅是组成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是( )
A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4
B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为Si
D．氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)和二氧化锆(ZrO2)都可用作制高温结构陶瓷的材料
C [光导纤维的主要成分是二氧化硅，属于新型无机非金属材料，C项错误。]
3．下列物质：①氢氟酸；②浓硫酸；③烧碱溶液；④Na2CO3固体；⑤氧化钙；⑥浓硝酸。其中在一定条件下能与SiO2反应的有( )
A．①③④⑤ B．②③⑥
C．①②⑥ D．全部
A [二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅与水，①正确；二氧化硅不与氢氟酸以外的酸反应，即不与浓硫酸、浓硝酸反应，②⑥错误；二氧化硅与烧碱溶液反应生成硅酸钠与水，③正确；二氧化硅与Na2CO3固体在高温条件下反应生成硅酸钠与二氧化碳，④正确；二氧化硅与氧化钙在高温时反应生成硅酸钙，⑤正确。]
4．(素养题)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图(热源及夹持装置已略去)：
(1)装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(2)反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________________________
________________________________________________________________，
装置D中发生反应的化学方程式为___________________________________
________________________________________________________________。
(3)为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及___________________________________________________
___________________________________________________________________。
(4)为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是________(填字母)。
a．碘水 b．氯水 c．NaOH溶液 d．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液
[解析] (1)为防止SiHCl3与H2O强烈反应，需要干燥剂干燥氢气，浓硫酸具有吸水性且不和氢气反应，所以可以作干燥剂；升高温度能使SiHCl3汽化，从而使SiHCl3和氢气在D中反应。(2)D中发生反应SiHCl3＋H2eq \(=======,\s\up10(1 100 ℃))Si＋3HCl，Si为固态，所以看到的现象是有固体物质生成。(3)Si是亲氧元素，为防止Si被氧化，需要排尽装置中的空气。(4)向溶液中加入强氧化剂，然后加入KSCN溶液检验铁离子，这几种物质中氯水具有强氧化性，故选bd。
[答案] (1)浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 (2)有固体物质生成 SiHCl3＋H2eq \(=======,\s\up10(1 100 ℃))Si＋3HCl (3)排尽装置中的空气 (4)bd产品
原料
主要设备
主要成分
用途
陶瓷
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
—
硅酸盐
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃
(普通)
纯碱、石灰石、石英砂
玻璃窑
Na2SiO3、
CaSiO3、
SiO2
建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等
水泥
石灰石、黏土、
适量石膏
水泥
回转窑
硅酸盐
建筑和水利工程
在玻璃中加入
的元素或物质
玻璃特性
用途
含铅原料
光学玻璃：透光性好，折射率高
制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜
硼酸盐
耐化学腐蚀、耐温度急剧变化
制造可用于实验室使用的玻璃仪器
金属氧化物或盐
彩色玻璃
用于建筑和装饰
存在
原子结构
示意图
周期表
中位置
含量
存在形态
地壳中居第二位
氧化物和硅酸盐
第三周期、第ⅣA族
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C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代
米管
由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径
用于生产复合材料、电池和传感器等
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、电池和复合材料等
高纯硅制备和含硅物质的主要化学性质
常见无机物的转化及应用归纳
序号
X
Y
Z
W
①
Si
Na2SiO3
H2SiO3
SiO2
②
Na
NaOH
Na2CO3
NaCl
③
Cl2
Ca(ClO)2
HClO
HCl
④
Fe
FeCl3
FeCl2
Fe(OH)2