化学必修 第二册第三节 无机非金属材料优质学案设计

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第三节 无机非金属材料


[明确学习目标] 1.知道常见的硅酸盐材料玻璃、水泥、陶瓷及生产它们的主要原料。2.了解高纯硅的制备原理。知道硅和二氧化硅的用途。3.知道一些新型的无机非金属材料硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳纳米材料等。


学生自主学习





硅酸盐材料


1．无机非金属材料多含有eq \(□,\s\up4(01))硅、eq \(□,\s\up4(02))氧等元素，具有eq \(□,\s\up4(03))耐高温、eq \(□,\s\up4(04))抗腐蚀、eq \(□,\s\up4(05))硬度高等特点，以及特殊的eq \(□,\s\up4(06))光学、eq \(□,\s\up4(07))电学等性能。


2．硅酸盐材料主要包括eq \(□,\s\up4(08))陶瓷、eq \(□,\s\up4(09))玻璃、eq \(□,\s\up4(10))水泥等。


3．在硅酸盐中，Si和O构成了eq \(□,\s\up4(11))硅氧四面体，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。


4．下列硅酸盐材料的主要原料分别是：


陶瓷：eq \(□,\s\up4(12))黏土；玻璃：eq \(□,\s\up4(13))纯碱、石灰石、石英砂；水泥：eq \(□,\s\up4(14))黏土和石灰石。


新型无机非金属材料


1．硅元素在周期表中的位置为：eq \(□,\s\up4(01))第三周期、第ⅣA族，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eq \(□,\s\up4(02))半导体材料。


高纯硅的制备原理为：eq \(□,\s\up4(03))SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up17(高温))Si＋2CO↑；


eq \(□,\s\up4(04))Si＋3HCleq \(=====,\s\up17(△))SiHCl3＋H2；eq \(□,\s\up4(05))SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up17(高温))Si＋3HCl。


高纯硅可用于生产计算机芯片和硅太阳能电池。二氧化硅可用来生产光导纤维。


2．常见的新型陶瓷有：eq \(□,\s\up4(06))高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。


碳化硅——俗称eq \(□,\s\up4(07))金刚砂——具有类似eq \(□,\s\up4(08))金刚石结构——硬度很大——可作砂纸、砂轮的磨料。


3．碳纳米材料主要包括eq \(□,\s\up4(09))富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。





1．单质硅在常温下化学性质稳定，所以硅在自然界中以游离态存在，这种说法是否正确？为什么？


提示：不正确。硅属于亲氧元素，虽然在常温下稳定，但在漫长的地质年代中，硅元素和氧结合在一起，都以化合态存在，主要以二氧化硅及硅酸盐的形式存在。


2．实验室中盛放碱液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？


提示：玻璃中含有SiO2，SiO2与碱反应生成具有黏合作用的硅酸盐，使瓶口和瓶塞黏结在一起而难以开启。


课堂互动探究





一、二氧化硅


1．硅元素的存在





2．二氧化硅


(1)存在


SiO2存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英、水晶、玛瑙、沙子、光导纤维的主要成分均是SiO2。


(2)结构


SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为1∶2的比例组成的正四面体结构的晶体。每个硅原子周围结合4个O原子，每个O原子周围结合2个Si原子。





(3)物理性质


熔点高，硬度大，难溶于水。


(4)化学性质





(5)用途


①沙子是基本的建筑材料。


②纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本材料，可以制作光导纤维。


③石英和玛瑙用来制作饰物和工艺品。


④实验室中使用的石英坩埚。


二、常见的硅酸盐——Na2SiO3


实验探究：


硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。





三、硅酸盐氧化物形式的书写


硅酸盐由于组成比较复杂，通常用氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为：


(1)顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水；氧化物之间以“·”隔开。


(2)原则：各元素原子总个数比符合原来的组成，若出现分数应化为整数。


例如：钠长石NaAlSi3O8不能写成eq \f(1,2)Na2O·eq \f(1,2)Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。


(3)各元素的化合价不能改变。





矿泉水一般是由岩石风化后，被地下水溶解其中的可溶部分生成的，此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2同时作用的过程。例如长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，此反应的离子方程式为：


2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋2HCOeq \\al(－,3)＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4


(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式。


①KAlSi3O8_____________________________________________________。


②Al2Si2O5(OH)4_________________________________________________。


(2)上述反应能够发生的原因是__________________________。


[批注点拨]





[解析] (1)将硅酸盐化学式写成氧化物时，需将氧以外的元素写成同价态的氧化物，并按活动性顺序排列，用“·”将它们连接起来，各种元素原子个数比符合原来的组成。


(2)此反应属于酸与盐发生的复分解反应，能发生的原因是酸性：H2CO3>H2SiO3。


[答案] (1)①K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O (2)H2CO3的酸性比H2SiO3强


[练1] 用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是( )


A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10)·3H2O]，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O


B．镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO·eq \f(1,2)SiO2


C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2


D．硅酸铜钡(BaCuSi2O6)，表示为BaO·CuO·2SiO2


答案 D


解析 A项，Ca(Al2Si3O10)·3H2O应改为CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O(排序错)；B项，Mg2SiO4应改为2MgO·SiO2(不能在系数中出现分数)；C项，


K2Al6Si6H4O24应改为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O(排序错)。


[练2] 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


答案 B


解析 CO2溶于水：CO2＋H2OH2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。根据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液无明显现象；过量的CO2通入浓Na2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入Ca(OH)2溶液至过量，Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O，CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2，最终生成Ca(HCO3)2而无沉淀；过量CO2通入饱和Na2CO3溶液中：Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3↓，生成的NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而结晶析出，故选B。


规律方法


强酸制弱酸原理


强酸可与弱酸盐反应生成相应的弱酸和强酸盐，而弱酸一般不与强酸盐反应。如：


(1)2CH3COONa＋H2SO4===2CH3COOH＋Na2SO4;


(2)2CH3COOH＋Na2CO3===2CH3COONa＋H2O＋CO2↑；


(3)Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓；


(4)CaCl2＋CO2＋H2O不反应。


本课归纳总结


1.硅酸钠水溶液俗称水玻璃，常用于制备黏合剂、防腐剂和耐火材料。


2．传统的无机非金属材料主要有水泥、玻璃和陶瓷。


3．硅以化合态存在于自然界中，常用作半导体材料和合金材料。


4．石英、水晶、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2。





5．必记的几个反应


(1)SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up17(高温))Si＋2CO↑


(2)Si＋3HCleq \(=====,\s\up17(△))SiHCl3＋H2


(3)SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up17(高温))Si＋3HCl


(4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O


(5)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O














学习效果检测


1．SiO2属于酸性氧化物的理由主要是( )


A．硅是非金属元素


B．SiO2对应的水化物是可溶性弱酸


C．SiO2能与强碱反应生成盐和水


D．SiO2不能与酸反应


答案 C


2．在①浓硝酸、②水、③盐酸、④氢氟酸、⑤氢氧化钾溶液中，常温时能与二氧化硅起化学反应的有( )


A．①② B．②④ C．④⑤ D．③④


答案 C


3．和空气接触可发生非氧化还原反应的物质是( )


①Na ②Na2SiO3溶液 ③Na2O2 ④烧碱溶液


⑤石灰水 ⑥Fe(OH)2


A．①③④ B．②④⑤


C．②③⑥ D．①④⑤


答案 B


解析 Na在空气中与O2反应生成Na2O；Na2O2在空气中与CO2和H2O均能反应生成O2；Fe(OH)2在空气中与O2和水反应生成Fe(OH)3，以上过程均有元素化合价的变化，是氧化还原反应。


4．下列说法正确的是( )


A．CO2＋H2O＋Na2SiO3===H2SiO3↓＋Na2CO3，说明酸性：H2CO3>H2SiO3


B．SiO2＋Na2CO3eq \(=====,\s\up17(高温))Na2SiO3＋CO2↑，说明酸性：H2SiO3>H2CO3


C．在复分解反应中必须是酸性强的生成酸性弱的


D．已知酸性：H2CO3>HClO>HCOeq \\al(－,3)，则CO2＋H2O＋2NaClO===Na2CO3＋2HClO


答案 A


解析 由于H2CO3能与盐反应生成H2SiO3，则说明H2CO3酸性大于H2SiO3，A正确；在B项中，由于在高温条件下反应，CO2为气体溢出，不能说明酸性强弱；在C项中，H2S＋CuSO4===CuS↓＋H2SO4，此反应为弱酸生成强酸；在D项中由HClO>HCOeq \\al(－,3)，产物应为NaHCO3。


5．NaOH、KOH等碱性溶液可以贮存在下列哪种试剂瓶中( )


A．具有玻璃塞的细口瓶 B．具有玻璃塞的广口瓶


C．带滴管的滴瓶 D．具有橡胶塞的细口瓶


答案 D


解析 NaOH、KOH等碱性溶液能与玻璃中的SiO2反应生成具有黏性的物质，将瓶塞和瓶口黏结在一起以及液体存放在细口瓶中，固体存放在广口瓶中。


6．某研究性学习小组进行了“实验室制Si”的研究，他们以课本为基础，查阅资料得到以下可供参考的信息：


①工业上在高温时用C还原SiO2可制得Si；


②Mg在点燃的条件下按质量比8∶5与SiO2反应生成一种白色固体化合物和另一种硅化物；


③金属硅化物与稀硫酸反应生成硫酸盐与SiH4；


④Si和SiO2均不能与稀H2SO4反应；


⑤SiH4在空气中自燃。


他们的研究报告中记载着“……选用合适的物质在适合的条件下充分反应；再用足量稀硫酸溶解固体产物；然后过滤、洗涤、干燥，最后称量……用稀硫酸溶解固体产物时，发现有爆鸣声和火花，其产率也只有预期的63%左右。”请回答下列问题：


(1)该小组“实验室制Si”的化学反应方程式是________________。


(2)写出②的反应方程式：______________________________________。


(3)该过程中产率比预期低的原因是________________________________。


(4)你估计“用稀硫酸溶解固体产物时，发现有爆鸣声和火花”的原因是什么？请用必要的文字和化学方程式予以说明：_________________。


答案 (1)2C＋SiO2eq \(=====,\s\up17(高温))Si＋2CO↑


(2)SiO2＋4Mgeq \(=====,\s\up17(点燃))2MgO＋Mg2Si


(3)部分硅与镁反应生成了硅化镁


(4)SiH4能自燃，而有爆鸣声和火花就是由SiH4的自燃引起的，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O


解析 (1)碳可以在高温下还原SiO2制得Si。反应的化学方程式为2C＋SiO2eq \(=====,\s\up17(高温))Si＋2CO↑。


(2)(3)Mg与SiO2反应类似于Mg与CO2的反应，先生成MgO和Si，Si再和Mg反应生成Mg2Si，故可生成MgO和Mg2Si。