化学必修 第二册第三节 无机非金属材料教案设计

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专题03  无机非金属材料 【知识导图】【目标导航】1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系。2.结合真实情景中的应用实例，了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。本专题在各种考试中主要考查无机非金属材料的相关知识，包括硅及其化合物的性质、用途、制备以及传统及新型无机非金属材料的特点和用途，主要以选择题的形式出现。【重难点精讲】一、硅单质1.存在硅单质主要有晶体和无定形两大类。2.物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。3.化学性质(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。反应的化学方程式分别为：与氟：Si＋2F2===SiF4；与氢氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；与碱：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为Si＋O2SiO2。4、主要应用：半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池5、高纯硅的制备涉及的主要化学反应为(a)SiO2＋2CSi＋2CO↑(b)Si＋3HClSiHCl3＋H2(c)SiHCl3＋H2Si＋3HCl二、二氧化硅1.存在自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。2.物理性质熔点高，硬度大，难溶于水。3.结构SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。4.化学性质SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。(1)SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。(2)在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。(3)在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3。(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。5、主要应用：光导纤维三、硅酸、硅酸盐1.硅酸(1)物理性质硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。(2)化学性质①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3SiO2＋H2O。(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。2.硅酸盐(1)硅酸盐的结构、特点结构特点硅氧四面体硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。四、无机非金属材料1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。(1)常见硅酸盐材料比较 原料制备过程生产应用陶瓷黏土原料经高温烧结而成建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等玻璃纯碱、石灰石和石英砂原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等水泥黏土、石灰石原料与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉即得制作混凝土，用于建筑和水利工程(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。2.新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。(1)新型陶瓷新型材料成分性能主要应用金刚砂碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石硬度很大、高温抗氧化性能优异砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅、金属氧化物耐高温、抗氧化、耐腐蚀用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷钛酸盐、锆酸盐等能实现机械能和电能的相互转化用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10临界温度下具有超导性用于电力、交通、医疗领域等(2)碳纳米材料新型材料结构特点主要性能主要应用富勒烯碳原子构成的一系列笼形分子在溶解性、磁性、非线性光学性质、光导电性等方面表现出优异性能工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等碳纳米管石墨片层卷成的直径纳米级的管状物比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质生产复合材料、电池和传感器等石墨烯一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高、具有很高的强度应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面（3） 传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别类别传统无机非金属材料新型无机非金属材料主要成分硅酸盐不一定是硅酸盐主要特性抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击大都强度高、硬度大，耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等特别提醒：1．氢氟酸能腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。2．不能依据反应2C＋SiO2Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。此类反应能进行的原因是因为在高温条件下，生成物中的气体从反应体系中逸出，有利于反应向右进行。3．SiO2虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应。4．C与SiO2反应的产物是CO不是CO2。5．不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。【典题精练】考点1、考查硅及其化合物的性质1．下列叙述中正确的是(　　)A．因为Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强B．碳和硅都是ⅣA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似C．二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸，所以二氧化硅是两性氧化物D．二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反应生成硅酸名师归纳：硅及其化合物性质“反常”小结(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。(3)Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑。(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。(6)一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。(7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。(8)一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐―→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3(胶体)。但在高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进行)。(9)一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：C＋H2O(g)H2＋CO。(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。考点2、考查硅及其化合物的用途例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名师归纳：(1)传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，经过高温发生复杂的物理、化学变化制成，产品都为硅酸盐。(2)生产中采用不同的原料和工艺，也可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，利用含有铅的原料可制得光学玻璃；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃。考点3、考查硅及其化合的制备例3、硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：_________________________。②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学方程式：____________________；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是___________________。(2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光导纤维D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅名师归纳：考点4、考查无机非金属材料的有关知识4．下列关于无机非金属材料的说法中不正确的是(　　)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．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点C．高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点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名师归纳：四种新型的无机非金属材料对比