高中第三节 无机非金属材料学案及答案

这是一份高中第三节 无机非金属材料学案及答案，共14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。
核心微网络
新课程标准
1.知道常见无机非金属材料，结合实例认识材料组成、性能及应用的联系；
2.能从材料组成的角度对无机非金属材料进行分类，能根据使用需求选择适当的材料，能解释使用注意事项，并能科学合理使用。
素养新要求
1.能从二氧化硅、二氧化碳的结构角度分析两者性质的差异，形成“结构决定性质”的观念；
2.结合身边的生活用品、电子产品、建筑物等用到的无机非金属材料，感受化学就在身边，化学材料作用巨大，提高学生努力学习化学，投身国家建设的社会责任感。
学业基础——自学·思记·尝试
一、硅酸盐材料
1.硅酸盐的组成和性质
（1）概念：由 、 和 组成的化合物的总称
（2）性质：固态，大多不溶于水，化学性质很
（3）表示方法：如Na2SiO3→
状元随笔 硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。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为两个四面体所共有，与2个Si相结合。硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
硅氧四面体的结构示意图
2.三种常见的硅酸盐产品——传统无机非金属材料
【学而思】
思考：根据制备玻璃的原料（纯碱、石灰石、石英砂）和玻璃的成分（Na2SiO3、CaSiO3和SiO2），思考制备玻璃的化学方程式。
纯碱＋石英→Na2SiO3：_____________________________________________。
石灰石＋石英→CaSiO3：____________________________________________。
二、新型无机非金属材料
1.硅
（1）硅的存在、结构、应用
单质硅是应用最为广泛的 材料。
（2）高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为
①________________________________________________________________________
②________________________________________________________________________
③________________________________________________________________________
（3）化学性质
①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF（氢氟酸）、强碱（如NaOH）溶液反应。
Si＋ F2=== ，Si＋ HF=== ，
Si＋2NaOH＋H2O=== 。
②加热条件下和某些非金属单质（如O2、Cl2）发生反应。
Si＋O2 eq \(=====,\s\up7(△)) 。
（4）用途
①半导体材料，如 等。
②新型能源，如 等。
2.二氧化硅
（1）存在
水晶、玛瑙、光导纤维的主要成分是 。
沙子中含有小粒的石英晶体。
（2）结构
SiO2晶体是 空间网状结构，每个Si结合 个O，每个O结合 个Si，N（Si）∶N（O）＝
二氧化硅晶体的结构模型图
（3）物理性质
（4）化学性质
（5）用途
建筑材料、 纤维（主要成分 ）、 坩埚、饰物和工艺品。
3.新型陶瓷
4.碳纳米材料
碳纳米材料在能源、 、医药等领域有广阔的前景。
【应用尝试】
1.将下列左栏中的物质与右栏中对应的性质、用途用线连起来：
2.填写下列物质主要化学成分的化学式或名称。
（1）刚玉：__________________________________；
（2）石英钟：___________________________________________；
（3）硅太阳能电池：____________________________________________；
（4）水晶镜片：_____________________________________________；
（5）门窗玻璃：_______________________________________________。
【学而思】
质疑：教材中描述“工业制备高纯硅的原理示意图”。能否通过反应SiO2＋2C eq \(=====,\s\up7(高温)) Si＋2CO↑，证明C、Si的非金属性强弱？
[即学即练]

1.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
（1）硅元素在自然界中既有化合态，又有游离态。（ ）
（2）SiO2是空间正四面体网状结构晶体。（ ）
（3）SiO2是酸性氧化物，与任何酸都不能发生反应。（ ）
（4）利用石英坩锅可熔融NaOH固体。（ ）
（5）氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。（ ）
（6）SiO2晶体是由SiO2分子直接组成的。（ ）
（7）水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2。（ ）
（8）光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”。（ ）
（9）硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质。（ ）
（10）普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。（ ）
（11）光电池可以将光能直接转化为电能。（ ）
2.我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是（ ）
A．陶俑 B．琉璃瓦
C．汉白玉 D．青花瓷
3.陶瓷版“冰墩墩”和“雪容融”均产自中国陶瓷之乡，下列说法错误的是（ ）
A．陶瓷、玻璃和水泥均属于无机非金属材料
B．陶瓷版“冰墩墩”上黑色涂料的主要成分为Fe2O3
C．陶瓷可用于日用的器皿、建筑材料等
D．陶瓷是以黏土及天然矿物岩为原料，经加工烧制而成的
4.关于地壳中含量占第一位和第二位的元素之间形成的化合物，有关其说法正确的是（ ）
A．化学性质不活泼
B．可溶于水且显酸性
C．熔沸点较低，物理性质与CO2相似
D．是酸性氧化物，不溶于任何酸
5.光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一。光导纤维的主要成分是（ ）
A．Si B．SiO2
C．Na2SiO3 D．SiCl4
6.下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是 （填序号）。
①硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。
②硅的导电性介于导体与绝缘体之间。
③硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应。
④水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。
⑤高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。
核心素养——合作·探究·分享
目标1硅的结构特点、特性与制法
例1.下列关于硅的说法中，错误的是（ ）
A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．单质硅和金刚石结构相似，但比金刚石硬度小，熔点低
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应
[提升1] 硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物在现代生活中有广泛应用。回答下列问题：
（1）陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中，生产普通玻璃的主要原料有________________________________________________________________________。
（2）高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图如下：
①工业上用石英砂和焦炭在电弧炉中加热到1 600～1 800 ℃，除生成粗硅外，也可以生成碳化硅，则在电弧炉内可能发生的反应的化学方程式为________________________________________________________________________。
②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，粗硅生成SiHCl3的化学方程式为________________________________________________________________________。
（3）还原炉中发生的化学反应为________________________________________________________________________。
状元随笔 解答信息实验题时要特别注意以下两点：
（1）分析题目信息，注意实验操作或具有特殊性质的物质；
（2）与已掌握的知识进行对比分析，充分利用信息进行知识迁移。
关键能力
1.晶体硅的结构
结构类似于金刚石。
2.硅单质的化学性质
（1）常温下：①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4；
②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
（2）加热条件下：①与O2反应：Si＋O2 eq \(=====,\s\up7(△)) SiO2；
②与Cl2反应：Si＋2Cl2 eq \(=====,\s\up7(△)) SiCl4；
③与C反应：Si＋C eq \(=====,\s\up7(高温)) SiC
状元随笔 高纯硅的制备
工业上制备高纯硅，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。
工业制备高纯硅的原理示意图
其中涉及的主要化学反应为：
SiO2＋2C eq \(=====,\s\up7(1 800～2 000℃)) Si＋2CO↑
Si＋3HCl eq \(=====,\s\up7(300℃)) SiHCl3＋H2
SiHCl3＋H2 eq \(=====,\s\up7(1 100℃)) Si＋3HCl
目标2含硅物质的性质应用与转化
例2. 歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案生动形象，但古瓷中所用颜料的成分一直是个谜。近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡（BaCuSi2Ox，铜为＋2价），下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是（ ）
A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2
B．性质稳定，不易脱色
C．易溶于强酸和强碱
D．x等于6
[提升2] A、B、C、D、E五种含硅元素的物质，相互转化关系如图所示：
（1）推断A～E的化学式：A ，B ，C ，D ，E 。
（2）①写出B―→A的化学方程式________________________________________________________________________。
②A―→C的离子方程式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
状元随笔 硅及其化合物转化关系题中的突破口
（1）硅、二氧化硅的结构：如硅与金刚石结构相似。
（2）硅、二氧化硅的物理性质：如硬度大，熔、沸点高。
（3）特征性质：
①与强碱溶液反应放出H2的非金属单质是硅。
②不与H2O反应、能与氢氟酸反应（或雕刻玻璃）的酸性氧化物为SiO2。
③难溶于水的无机酸是H2SiO3。
关键能力
硅及其化合物的“价—类二维图”
①SiH4＋2O2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) SiO2＋2H2O（拓展反应）
②SiH4 eq \(=====,\s\up7(高温)) Si＋2H2
③Si＋O2 eq \(=====,\s\up7(△)) SiO2
④SiO2＋2C eq \(=====,\s\up7(高温)) Si＋2CO↑
⑤Si＋2F2===SiF4（或Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑）
⑥Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
⑦SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
⑧SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
⑨H2SiO3 eq \(=====,\s\up7(△)) SiO2＋H2O
⑩Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓
状元随笔 硅酸钠
（1）物理性质：可溶于水，水溶液俗称“水玻璃”。“水玻璃”具有很强的黏合性，是建筑行业常用的黏合剂。
（2）化学性质：易与酸反应。
与强酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
与CO2反应：CO2不足，Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓；CO2过量，Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2SiO3↓。
学考评价——夯实·测控·演练
1.“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是（ ）
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
2.[2022·广东卷]广东一直是我国对外交流的重要窗口，馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是（ ）
3.材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是（ ）
4.中国高铁对实现“一带一路”的倡议有重要的作用。
（1）建设高铁轨道需要大量的水泥，生产水泥的主要原材料是黏土和 ；还需要加入适量 调节水泥硬化速率。
（2）高铁上的信息传输系统使用了光导纤维，其主要成分是 ；乘务员使用的无线通话机的芯片材料是 。
（3）高铁上安装有许多玻璃，氢氟酸可以处理玻璃表面的微裂纹，氢氟酸与玻璃中的二氧化硅反应的化学方程式为 。
（4）高铁上的卫生间没有任何异味，是由于所使用的马桶、地漏和洗手盆下水口都是纳米硅胶的高科技产品。向硅酸钠溶液中加入稀盐酸可产生硅酸胶体，该反应的离子方程式为 。
5.关于硅及其化合物的叙述中，正确的是（ ）
A.硅是良好的半导体材料，可以与NaOH溶液和氢氟酸反应
B.二氧化硅与石灰石反应：SiO2＋CaCO3 eq \(=====,\s\up7(高温)) CaSiO3＋CO↑
C.用焦炭还原二氧化硅生产硅：SiO2＋2C eq \(=====,\s\up7(高温)) Si＋2CO2↑
D.水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
6.为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的装置，一次实验即可达到目的（不必选其他酸性物质）。请据此回答：
（1）锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为 。
（2）装置B所盛的试剂是 ，其作用是 。
（3）装置C所盛试剂是 ，C中反应的离子方程式是________________________________________________________________________。
（4）由此得到的结论是酸性 > > 。
练后感悟
CO2与SiO2的性质区别
第三节 无机非金属材料
金属 硅、氧 耐高温、抗腐蚀、硬度高 光学、电学 航空、航天、信息和新能源
学业基础
一、
1．硅 氧 金属 稳定 Na2O·SiO2
2．黏土 铝硅酸盐 硅酸盐 纯碱 石灰石 石英砂 Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 石灰石 黏土 硅酸盐
【学而思】
提示：SiO2＋Na2CO3 eq \(=====,\s\up14(高温)) Na2SiO3＋CO2↑
SiO2＋CaCO3 eq \(=====,\s\up14(高温)) CaSiO3＋CO2↑
二、
1．(1)二 氧化物和硅酸盐 三 ⅣA 半导体
(2)①SiO2＋2C eq \(=====,\s\up14(1 800～2 000 ℃)) Si＋2CO↑
②Si＋3HCl eq \(=====,\s\up14(300 ℃)) SiHCl3＋H2
③SiHCl3＋H2 eq \(=====,\s\up14(1 100 ℃)) Si＋3HCl
(3)2 SiF4 4 SiF4↑＋2H2↑ Na2SiO3＋2H2↑ SiO2
(4)硅芯片 硅太阳能电池
2．(1)石英 SiO2(或二氧化硅) (2)立体 4 2 1∶2 (3)高 大 不溶
(4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
CaO＋SiO2 eq \(=====,\s\up14(高温)) CaSiO3
2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O
(5)光导 SiO2 石英
3．SiC 金刚砂 共价 金刚石 大 高温抗氧化
4．信息 单层石墨 复合 复合 传感器 C60
【应用尝试】
1．①—c ②—a ③—e ④—b ⑤—d
2．(1)Al2O3 (2)SiO2 (3)Si (4)SiO2 (5)硅酸盐
【学而思】
提示：不能。硅的还原性比碳强，而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。
[即学即练]
1．答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)×
(7)√ (8)√ (9)√ (10)√ (11)√
2．答案：C
3．解析：水泥、玻璃、陶瓷均属于无机非金属材料，故A正确；Fe2O3是红棕色物质，而陶瓷版“冰墩墩”上为黑色涂料，故不是氧化铁，故B错误；陶瓷可用于日用的器皿、建筑材料等，故C正确；陶瓷是以黏土及天然矿物岩为原料，经加工烧制发生复杂的化学反应而制成的，故D正确。
答案：B
4．答案：A
5．解析：光导纤维的主要成分是SiO2。
答案：B
6．解析：①硅在自然界中只有化合态，没有游离态，硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，硅石的主要成分是SiO2，①不正确；②正确；③硅在常温下能与F2、HF和强碱溶液反应，③不正确；④水晶的成分是SiO2，④不正确；⑤SiO2用于制光导纤维而不是硅，⑤不正确。
答案：②
核心素养
[例1] 解析：硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属；硅原子与碳原子最外层电子数相同，晶体结构相似，但硅晶体比金刚石的硬度小，熔点低；硅的化学性质不活泼，常温能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应；加热至一定温度时，硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。
答案：C
[提升1] 解析：(1)生产普通玻璃的主要原料有纯碱、石英砂、石灰石。(2)①二氧化硅与焦炭在高温下发生反应生成粗硅或碳化硅，化学方程式为SiO2＋2C eq \(=====,\s\up14(高温)) Si＋2CO↑、SiO2＋3C eq \(=====,\s\up14(高温)) SiC＋2CO↑。②粗硅与氯化氢在250～300 ℃条件下反应生成SiHCl3和氢气。(3)还原炉内，氢气与SiHCl3发生氧化还原反应，生成Si和HCl，化学方程式为SiHCl3＋H2 eq \(=====,\s\up14(高温)) Si＋3HCl。
答案：(1)纯碱、石英砂、石灰石
(2)①SiO2＋2C eq \(=====,\s\up14(高温)) Si＋2CO↑、SiO2＋3C eq \(=====,\s\up14(高温)) SiC＋2CO↑
②Si＋3HCl eq \(=====,\s\up14(250～300 ℃)) SiHCl3＋H2
(3)SiHCl3＋H2 eq \(=====,\s\up14(高温)) Si＋3HCl
[例2] 解析：BaCuSi2Ox中，Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，O为－2价，由化合价规则：(＋2)＋(＋2)＋2×(＋4)＋(－2)×x＝0，得x＝6，则用氧化物形式表示硅酸铜钡为BaO·CuO·2SiO2，A、D项正确；由题干信息可知硅酸铜钡的性质稳定，不易脱色，故B项正确，C项错误。
答案：C
[提升2] 解析：在空气中燃烧生成D，B可能为Si，B和D都能与NaOH溶液反应生成A，则A为Na2SiO3，A和盐酸反应生成C，C为H2SiO3，H2SiO3受热分解又生成SiO2，证明B为Si，E为CaSiO3。
答案：(1)Na2SiO3 Si H2SiO3 SiO2 CaSiO3
(2)①Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
②Si＋2H＋===H2SiO3↓
学考评价
1．答案：C
2．解析：鎏金饰品是用金汞合金制成的金泥涂饰器物的表面，经过烘烤，汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺，其中不含硅酸盐，故A项不符合题意；蒜头纹银盒中主要成分为金属银，其中不含硅酸盐，故B项不符合题意；广彩瓷咖啡杯是由黏土等硅酸盐产品烧制而成，其主要成分为硅酸盐，故C项符合题意；铜镀金钟座是铜和金等制得而成，其中不含硅酸盐，故D项不符合题意。
答案：C
3．解析：刚玉的主要成分是三氧化二铝，金刚石的成分是碳。大理石、石灰石的主要成分都是碳酸钙；水泥、玻璃属于硅酸盐；沙子、石英的主要成分都是二氧化硅。
答案：A
4．解析：(1)生产水泥的主要原料是：石灰石和黏土；还需加入适量石膏调节水泥硬化速率；(2)光导纤维，其主要成分是SiO2，具有良好的导光性，硅单质是半导体材料，常用于计算机芯片的材料和太阳能电池，乘务员使用的无线通话机的芯片材料是硅；(3)玻璃中含有二氧化硅，二氧化硅和氢氟酸反应生成四氟化硅和水，反应方程式为：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；(4)向硅酸钠溶液中滴入稀盐酸，反应生成硅酸胶体，离子方程式：Si＋2H＋===H2SiO3(胶体)。
答案：(1)石灰石 石膏
(2)SiO2 Si
(3)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(4)Si＋2H＋===H2SiO3(胶体)
5．解析：B项正确的化学方程式为CaCO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up14(高温)) CaSiO3＋CO2↑；C项正确的化学方程式为SiO2＋2C eq \(=====,\s\up14(高温)) 2CO↑＋Si；D项水泥的主要成分是3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3。
答案：A
6．解析：根据强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐分析可知，分液漏斗中盛装盐酸，A中盛放Na2CO3，根据Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑可以知道酸性HCl强于H2CO3，然后将生成的CO2通入Na2SiO3溶液中，反应为Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，由此判断酸性H2CO3>H2SiO3，但需注意的是A中反应会有HCl气体逸出，故将CO2通入Na2SiO3溶液前需将CO2中的HCl吸收，故可选用饱和NaHCO3溶液。
答案：(1)盐酸 (2)饱和NaHCO3溶液 吸收HCl气体
(3)Na2SiO3溶液 Si＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋C (4)HCl H2CO3 H2SiO3
产品
主要原料
主要设备
主要成分
用途
陶瓷
（主要成分为含水的 ）
——

建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃
、
、

玻璃窑
、
、

建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等
水泥
、

水泥
回转窑

建筑材料、水利工程
熔点
硬度
溶解性


于水
文物
选项
A.南宋鎏金饰品
B.蒜头纹银盒
文物
选项
C.广彩瓷咖啡杯
D.铜镀金钟座
选项
材料
主要化学成分
A
刚玉、金刚石
三氧化二铝
B
大理石、石灰石
碳酸钙
C
普通水泥、普通玻璃
硅酸盐
D
沙子、石英
二氧化硅
CO2
SiO2
类别
均为酸性氧化物
物理性质
常温下是气体，熔、沸点低，能溶于水
硬度大，熔点高的固体，不溶于水
化学性质
与水反应
CO2＋H2O===H2CO3
不反应
与酸反应
不反应
只与HF反应：SiO2＋4HF
===SiF4↑＋2H2O
与NaOH
反应
CO2（少量）＋2NaOH
===Na2CO3＋H2O
CO2（过量）＋NaOH
===NaHCO3
SiO2＋2NaOH===
Na2SiO3＋H2O
与CaO
反应
CO2＋CaO===CaCO3
SiO2＋CaO eq \(=====,\s\up7(高温)) CaSiO3