人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料优秀学案

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一、硅酸盐材料
1．无机非金属材料
从组成上看，许多无机非金属材料多含_________等元素，具有_________、_________、_________等特点，以及特殊的_________、_________等性能。
2．硅酸盐及其结构
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了____________结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，许多这样的四面体通过顶角的O相互连接，即每个Si结合_____个O，每个O结合_____个Si。
(2)硅酸盐的特性
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_______、_______溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(3)最简单的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称_________，具有黏结力强、耐高温等特性，可用作_________和_________。
硅酸钠溶液与CO2反应的化学方程式为_____________________________________________。
3．常见的硅酸盐材料
二、新型无机非金属材料
1．硅和二氧化硅
(1)硅
硅位于元素周期表第______周期、第______族，正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的_________材料。
硅在自然界主要以_________ (如地壳中的大多数矿物)和_________（如水晶、玛瑙）的形式存在。
(2)高纯硅的制备
eq \x(石英砂)eq \(――――――→,\s\up7(焦炭),\s\d5(1 800～2 000 ℃))eq \x(粗硅)eq \(――→,\s\up7(HCl),\s\d5(300 ℃))eq \x(SiHCl3)eq \(――→,\s\up7(H2),\s\d5(1 100 ℃))eq \x(高纯硅)
① ② ③
其中涉及的主要化学反应为
①____________________________________；
②____________________________________；
③____________________________________。
(3)硅和二氧化硅的用途
①高纯硅广泛用于_____________和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制造____________和____________等。
②SiO2用于生产____________。
2．新型陶瓷
(1)组成：不再限于传统的硅酸盐体系。
(2)特性和功能：在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(3)常见的类型：____________陶瓷、_________陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。
3．碳纳米材料
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有广阔的前景，主要包括_________、_________、_________等。
►问题一 硅酸盐材料
【典例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、耐高温
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
【变式练1-1】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
【变式练1-2】下列关于水玻璃的性质和用途的叙述不正确的是( )
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
►问题二 硅及其化合物
【典例2】下列有关硅及其化合物的说法正确的是( )
A．在粗硅的制取中发生反应2C＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))2CO↑＋Si，Si被还原，所以C的还原性大于Si
B．Na2SiO3属于盐，不属于碱，所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．用SiO2制取硅酸，应先使SiO2与NaOH溶液反应，然后通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CO2↑＋Na2SiO3可知，H2SiO3的酸性大于H2CO3
【归纳小结】二氧化硅的化学性质
(1)稳定性：不与水、酸（除HF外）反应；
(2)酸性氧化物：
①CaO反应：CaO+SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3
②与NaOH溶液反应：③特性：与氢氟酸反应：
【变式练2-1】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．①③和④ C．②和④ D．只有④
【变式练2-2】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
►问题三 新型无机非金属材料
【典例3】氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃条件下反应制得。根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途不可能是( )
A．制汽轮机叶片 B．制有色玻璃
C．制永久性模具 D．制造轴承
【变式练3-1】下列关于无机非金属材料的说法中不正确的是( )
A．黏土的主要成分是含水的铝硅酸盐，是陶瓷的主要原料，陶瓷可用于生产绝缘材料、卫生洁具等
B．普通硅酸盐水泥的主要原料是石膏，水泥大量用于建筑和水利工程
C．金刚砂硬度大可作砂轮的磨料，具有良好的高温抗氧化性能，可用作耐高温半导体材料
D．石墨烯具有电阻率低、热导率高、强度高的特点，可用于生产动力电池和超轻海绵
【变式练3-2】平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了在－20 ℃能发热4 h的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35 m、重量仅为10 kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。下列说法不正确的是( )
A．石墨烯是能导热的金属材料
B．铝合金是密度较小的金属材料
C．碳纤维是无机非金属材料
D．新型材料种类多、用途广
【基础强化】
1．据报道我国科学家最近研制出一种新型“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。下列相关叙述错误的是( )
A．它耐高温、抗氧化
B．它比钢铁轻，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
2．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无砂粘土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”，“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是( )
A．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
B．“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化
C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
3．硅是带来人类文明的重要元素之一，科学家也提出硅是“21世纪的能源”。这主要是由于硅及其化合物对社会发展所起的巨大促进作用。下列关于硅及其化合物的说法中错误的是( )
A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B．高纯度的二氧化硅广泛用于制作光导纤维，光导纤维遇强碱会“断路”
C．陶瓷、玻璃、水泥容器均不能贮存氢氟酸
D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图)。下列说法正确的是( )
A．图中所有反应都不属于氧化还原反应
B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维
C．可用盐酸除去石英(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高
5．下列有关硅的说法不正确的是( )
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应
6．下列关于二氧化硅的叙述正确的是( )
A．硅原子和碳原子最外层电子数相同，二氧化硅和二氧化碳分子结构也相同
B．二氧化硅能与氢氧化钠溶液和氢氟酸反应，所以二氧化硅是两性氧化物
C．二氧化硅中硅元素为＋4价，二氧化硅具有氧化性
D．在二氧化硅中，每个硅原子结合2个氧原子
7．下列有关硅及其化合物的说法正确的是( )
A．硅在自然界中以游离态和化合态两种形式存在
B．硅晶体是良好的半导体，可用于制造光导纤维
C．木材浸过水玻璃后，不易着火
D．SiO2是酸性氧化物，不与任何酸发生反应
8．下列关于硅酸及其盐的叙述不正确的是( )
A．硅酸是一种弱酸，可由其酸性氧化物SiO2与水化合而制得
B．硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，黏土的主要成分是硅酸盐
C．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，具有黏合性
D．SO2通入Na2SiO3溶液中产生胶状沉淀，说明酸性H2SO3＞H2SiO3
9．世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋混凝土、7 000多块铝板和1 200多块玻璃等建成。
(1)生产硅酸盐产品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是__________。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为___________________________________________________________。由方程式________(填“能”或“不能”)判断出酸性H2SiO3＞H2CO3。
(2)作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
①硅酸钠在空气中易与二氧化碳和水生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式：_________________________________。由此得出酸性：H2SiO3______(填“＞”或“＜”)H2CO3。
②硅酸钠和盐酸反应的离子方程式：________________________________________。
(3)博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法正确的是________(填字母)。
A．古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B．高岭土为含水的铝硅酸盐
C．n＝3
D．我国在新石器时代已能烧制陶器
10．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)下列物质不含有硅酸盐的是________(填字母)。
A．陶瓷 B．玻璃 C．水泥 D．生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为_______________________，工艺师常用_____________(填物质名称)来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作____________。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________(填字母)。
A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚
C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚
(4)工业上常利用反应2C＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氧化剂是________。
【能力提升】
1．由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示，下列说法不正确的是( )
eq \x(粗SiO2)eq \(――――→,\s\up7(NaOH溶液),\s\d5(Ⅰ))eq \x(X)eq \(――→,\s\up7(稀硫酸),\s\d5(Ⅱ))eq \x(Y)eq \(――→,\s\up7(灼烧),\s\d5(Ⅲ))eq \x(SiO2)
A．SiO2可用于制造光导纤维
B．步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4
C．步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D．若在实验室中完成步骤Ⅲ，一般在蒸发皿中进行
2．Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是( )
A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NH4Cleq \(=====,\s\up7(△))CaSiO3＋2CaCl2＋4NH3↑＋2H2O
B．具有吸水性，需要密封保存
C．能与SO2反应生成新盐
D．与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO2
3．证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是( )
A．加入过量的盐酸，观察是否有气泡冒出
B．加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解
C．加热至高温，观察是否有气泡冒出，是否有硅酸钙生成
D．先加过量的盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现；若有不溶物则滤出，投入氢氧化钠溶液中看其是否溶解
4．某实验小组设计了如图装置探究焦炭还原二氧化硅。
已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO＋PdCl2＋H2O===CO2＋2HCl＋Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。
(1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是_____________________________________。
(2)装置B的作用是_______________________________________________。
(3)装置C、D中所盛试剂分别为______________、____________，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为________________________________。
(4)该装置的缺点是_______________________________________。
(5)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：_____________________________________________________。
5．单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500 ℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。
相关信息如下：
a．四氯化硅接触水会发生化学反应；
b．硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；
c．有关物质的物理常数见下表：
请回答下列问题：
(1)写出装置A中发生反应的化学方程式：____________________________________，D中发生反应的化学方程式：________________________________________。
(2)A中g管的作用是_______________________________________，装置C中的试剂是_____________，作用是________________________________。
(3)装置E中的h瓶需要冷却的理由是______________________________________________。
(4)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是__________________(填写元素符号)。
(5)过量的氯气可以用石灰乳来处理，请写出该反应的化学方程式：______________________________。
1．了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。
2．了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。
3．能从材料组成的角度对无机非金属材料进行分类。
陶瓷
普通玻璃
普通水泥
原料
主要原料：____________，
辅助原料：适量的石膏
设备
陶瓷窑
主要成分
含水的铝硅酸盐
硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
用途
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等
大量用于建筑和水利工程
物质
SiCl4
BCl3
AlCl3
FeCl3
PCl5
沸点/℃
57.7
12.8
－
315
－
熔点/℃
－70.0
－107.2
－
－
－
升华温度/℃
－
－
180
300
162