高中化学人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料学案设计

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料学案设计，共12页。学案主要包含了 硅酸盐材料，新型无机非金属材料等内容，欢迎下载使用。

一、 硅酸盐材料
1．无机非金属材料
2．传统无机非金属材料
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而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗？
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）单质硅的制备：
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？
硅和二氧化硅的用途
2．新型陶瓷
3．碳纳米材料
碳纳米材料在_________________等领域有着广阔的应用前景。
【情境·思考】
从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃；精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级（10-6 m），用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性，有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。
试分析传统无机非金属材料和新型无机非金属材料各有什么优点？
知识点 二氧化碳与二氧化硅的性质比较
【知识拓展】硅及其化合物性质的“九大反常”
（1）碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价，而硅常见的是+4价。
（2）硅的还原性比碳强，而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。
（3）非金属单质与强碱反应一般不生成氢气，而硅却能与强碱溶液反应产生氢气。
（4）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而硅不但能与氢氟酸反应，而且还有H2生成（类似于较活泼金属与酸的置换反应），Si+4HF====SiF4↑+2H2↑。
（5）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
（6）非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的熔、沸点却很高。
（7）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O。
（8）无机酸一般易溶于水，而H2SiO3却难溶于水。
（9）因H2CO3的酸性强于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应：Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3，但在高温下Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑也能发生。
盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞，你知道这是为什么吗？
SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，能认为SiO2属于两性氧化物吗？
【典例】（2019·嘉兴高一检测）下列叙述正确的是（ ）
A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似
B．因为CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强
C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂
D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物
【母题追问】（1）利用化学方程式说明碳酸和硅酸的酸性强弱。
C项发生的反应中碳的作用是否相同？
2018年 11月5日至7日，世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题，围绕“全球光纤光缆供需走势”、“5G和物联网带来的需求展望”、“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为SiO2。
下列叙述正确的是（ ）
A．CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸
B．SiO2与CO2都不能与酸反应
C．SiO2与CO2（干冰）都能够与氢氧化钠溶液反应
D．水晶的主要成分是SiC
1．（2019·兰州高一检测）下列关于二氧化硅的叙述不正确的是（ ）
①光导纤维主要成分是SiO2，故SiO2可以导电 ②能跟强碱反应，但不能与水反应 ③SiO2的熔、沸点较低 ④既不是酸性氧化物，又不是碱性氧化物
A．②和③ B．①③④ C．②和④ D．只有④
2．硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是（ ）
A．水晶项链是硅酸盐制品
B．硅单质广泛用于光纤通讯
C．利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
D．水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料
3．下列关于碳和硅的叙述中，正确的是（ ）
A．其氧化物都能与NaOH溶液反应
B．其单质在加热时都能跟O2反应
C．其氧化物都能溶于水生成相应的酸
D．碳和硅两种元素共有两种单质
【素养提升】
“玛瑙”早期被书写成“马脑”。因“色如马脑，故从彼名”。自佛经传入中国后，翻译人员考虑到“马脑属玉石类”，于是巧妙地译成“玛瑙”。
玛瑙的主要成分为二氧化硅，由于与水化二氧化硅（硅酸）交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属，颜色可从极淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸（H2SiO3）？
模块1：无机非金属材料
一、 硅酸盐材料
1．无机非金属材料
2．传统无机非金属材料
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而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗？
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↑。
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）单质硅的制备：
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？
不能。比较氧化性、还原性的强弱，必须是在通常情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。
硅和二氧化硅的用途
2．新型陶瓷
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。
【情境·思考】
从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃；精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级（10-6 m），用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性，有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。
传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的比较：传统无机非金属材料具有性质稳定、抗腐蚀、耐高温等优点，但质脆，经不起热冲击。新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征如：强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。
试分析传统无机非金属材料和新型无机非金属
材料各有什么优点？
知识点 二氧化碳与二氧化硅的性质比较
【知识拓展】硅及其化合物性质的“九大反常”
（1）碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价，而硅常见的是+4价。
（2）硅的还原性比碳强，而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。
（3）非金属单质与强碱反应一般不生成氢气，而硅却能与强碱溶液反应产生氢气。
（4）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而硅不但能与氢氟酸反应，而且还有H2生成（类似于较活泼金属与酸的置换反应），Si+4HF====SiF4↑+2H2↑。
（5）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
（6）非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的熔、沸点却很高。
（7）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O。
（8）无机酸一般易溶于水，而H2SiO3却难溶于水。
（9）因H2CO3的酸性强于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应：Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3，但在高温下Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑也能发生。
盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞，你知道这是为什么吗？
试剂瓶的瓶塞一般是毛玻璃，易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液，从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开，所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞。
SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，能认为SiO2属于两性氧化物吗？
SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水。
【典例】（2019·嘉兴高一检测）下列叙述正确的是（ C ）
A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似
B．因为CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强
C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂
D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物
【母题追问】（1）利用化学方程式说明碳酸和硅酸的酸性强弱。
向硅酸钠溶液中通入CO2气体，发生反应Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3，根据“较强酸制较弱酸”的原理，可知碳酸的酸性比硅酸强。
C项发生的反应中碳的作用是否相同？
相同。反应C+CO2 2CO、2C+SiO2 Si+2CO↑中碳都作还原剂。
2018年 11月5日至7日，世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题，围绕“全球光纤光缆供需走势”、“5G和物联网带来的需求展望”、“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为SiO2。
下列叙述正确的是（ C ）
A．CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸
B．SiO2与CO2都不能与酸反应
C．SiO2与CO2（干冰）都能够与氢氧化钠溶液反应
D．水晶的主要成分是SiC
1．（2019·兰州高一检测）下列关于二氧化硅的叙述不正确的是（ B ）
①光导纤维主要成分是SiO2，故SiO2可以导电 ②能跟强碱反应，但不能与水反应 ③SiO2的熔、沸点较低 ④既不是酸性氧化物，又不是碱性氧化物
A．②和③ B．①③④ C．②和④ D．只有④
2．硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是（ D ）
A．水晶项链是硅酸盐制品
B．硅单质广泛用于光纤通讯
C．利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
D．水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料
3．下列关于碳和硅的叙述中，正确的是（ B ）
A．其氧化物都能与NaOH溶液反应
B．其单质在加热时都能跟O2反应
C．其氧化物都能溶于水生成相应的酸
D．碳和硅两种元素共有两种单质
【素养提升】
“玛瑙”早期被书写成“马脑”。因“色如马脑，故从彼名”。自佛经传入中国后，翻译人员考虑到“马脑属玉石类”，于是巧妙地译成“玛瑙”。
玛瑙的主要成分为二氧化硅，由于与水化二氧化硅（硅酸）交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属，颜色可从极淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸（H2SiO3）？
二氧化硅不与水反应，故应先与碱（如NaOH溶液）反应生成硅酸盐，再与酸（如盐酸）反应生成硅酸。
产品
原料
主要成分
应用
陶瓷
_____（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
普通
玻璃
_______________________
（SiO2）
_____________________
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
水泥
______________、
少量石膏
水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土
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___位
_________________

____________________
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
碳纳
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__________、电池和
传感器
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
陶器
瓷器
精细陶瓷
纳米陶瓷
物质
二氧化硅
二氧化碳
存在
存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中
空气，燃料的燃烧产物
物理性质
固体，难溶于水，熔、沸点高，硬度大
通常情况下为无色无味气体，密度比空气大，微溶于水
化
学
性
质
①与水
不反应
CO2+H2O====H2CO3
②与酸
只与氢氟酸反应：SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O
不反应
③与碱液
（NaOH）
SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）
CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O或CO2+NaOH====NaHCO3
④与碱性
氧化物
如与CaO反应：SiO2+CaO CaSiO3
如与Na2O反应：CO2+Na2O====Na2CO3
⑤与碳
反应
SiO2+2C Si+2CO↑
CO2+C 2CO
用途
制饰品、坩埚、光导纤维
干冰用于人工降雨
产品
原料
主要成分
应用
陶瓷
_黏土（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
普通
玻璃
纯碱、石灰石和石英
（SiO2）
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
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
水泥
黏土和石灰石、
少量石膏
水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土
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2位
氧化物和硅酸盐

第三周期、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
碳纳
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
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
陶器
瓷器
精细陶瓷
纳米陶瓷
物质
二氧化硅
二氧化碳
存在
存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中
空气，燃料的燃烧产物
物理性质
固体，难溶于水，熔、沸点高，硬度大
通常情况下为无色无味气体，密度比空气大，微溶于水
化
学
性
质
①与水
不反应
CO2+H2O====H2CO3
②与酸
只与氢氟酸反应：SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O
不反应
③与碱液
（NaOH）
SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）
CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O或CO2+NaOH====NaHCO3
④与碱性
氧化物
如与CaO反应：SiO2+CaO CaSiO3
如与Na2O反应：CO2+Na2O====Na2CO3
⑤与碳
反应
SiO2+2C Si+2CO↑
CO2+C 2CO
用途
制饰品、坩埚、光导纤维
干冰用于人工降雨