人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料导学案

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第三节　无机非金属材料 课标解读内容要求学业要求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、硅和二氧化硅的主要性质。1.通过无机非金属材料的学习,认识化学对社会发展的重要贡献,具有可持续发展的意识,能对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。2.通过实例认识二氧化硅、硅、硅酸盐等的性质和应用,认识和了解它们在生产、生活中的应用。 学习任务一　硅酸盐材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　陶瓷在我国有悠久的历史,手工制造陶瓷的一般过程如图所示。请你结合初中学过的知识,回答下列问题。(1)制造陶瓷的原料是什么?(2)手工制造陶瓷的过程中,一定发生化学变化的是哪个过程?答案　(1)制造陶瓷的原料是黏土。(2)一定发生化学变化的是④烧结。1.硅酸盐的结构、特点结构特点硅氧四面体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 　2.陶瓷产品主要原料制备过程生产应用陶瓷①　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 　3.玻璃和水泥产品主要原料主要设备主要成分用途普通玻璃②　纯碱、石灰石、石英砂　 ③　玻璃窑　 ④　Na2SiO3、 CaSiO3、SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等水泥⑤　石灰石、黏土　 ⑥　水泥回转窑　 ⑦　硅酸盐　 和沙子、碎石、水等混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程 判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕”)。1.制水泥、玻璃的共同原料是石灰石(　√　)2.硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(　✕　)3.汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏土(　√　)4.传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐　(　√　)1.下图是常见的硅酸盐产品。请指明各图中展示的硅酸盐产品所属的类别。它们都是混合物吗?答案　图1、2属于陶瓷,图3属于水泥,图4属于玻璃。它们都是混合物。2.钢化玻璃是普通平板玻璃经过再加工处理而成的一种玻璃。为提高玻璃的强度,通常使用化学或物理的方法,在玻璃表面形成压应力,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身抗风压性、寒暑性、冲击性等。利用题目信息分析钢化玻璃与普通玻璃成分是否相同?答案　相同。3.用石灰水抹墙和用水泥砌墙的硬化原理是否相同,为什么?答案　不相同。石灰水抹墙时发生的反应为Ca(OH)2+CO2 CaCO3↓+H2O,而水泥的硬化是发生了复杂的物理化学变化,二者原理不同。1.关于玻璃的认识(1)制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。制得的玻璃是混合物,没有固定的熔点。(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。(3)常见玻璃种类玻璃种类性能用途含铅的光学玻璃透光性好,折射率高制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜加入硼酸盐的玻璃耐化学腐蚀、耐高温急剧变化制实验玻璃仪器加入金属氧化物或盐得到的彩色玻璃具有多种颜色建筑、装饰 2.关于水泥的认识(1)水泥具有吸水性,在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质,因而变硬的水泥不能使用。(2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放出CO2。 1.唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于(　　)A.氧化铝 B.二氧化硅C.硅酸盐 D.合金答案　C　唐三彩、秦兵马俑制品由黏土经高温烧结而成,属于硅酸盐产品。2.下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是(　　)A.水泥中加入石膏可以调节水泥的硬化速率B.生产玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英砂C.玻璃有固定的熔、沸点D.陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品答案　C　在水泥中加入适量石膏,可以调节水泥的硬化速率,故A正确;生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂,故B正确;玻璃是混合物,一般混合物都没有固定的熔、沸点,故C错误;陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品,故D正确。3.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、抗氧化等优点答案　A　氧化铁为红棕色固体,瓷器的青色不可能来自氧化铁,A错误。 学习任务二　新型无机非金属材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1.硅和二氧化硅(1)主要应用硅半导体材料→硅芯片、　硅太阳能　电池 二氧化硅光导纤维 (2)高纯硅的制备涉及的主要化学反应为:(a)SiO2+2C Si+2CO↑(b)Si+3HCl SiHCl3+H2(c)SiHCl3+H2 Si+3HCl2.新型陶瓷——碳化硅(SiC)俗称结构特点主要性能生产应用金刚砂碳原子和硅原子通过共价键连接,具有类似金刚石的结构硬度很大、优异的高温抗氧化性能砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料 3.碳纳米材料(1)富勒烯:由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,其代表物为C60。(2)碳纳米管:由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大,有相当高的强度和优良的电学性能,可用于生产复合材料、电池和传感器等。(3)石墨烯:只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,其电阻率低、热导率高,具有很高的强度。判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕”)。1.光电池可以将光能直接转化为电能(　√　)2.Si是太阳能电池和光导纤维的主要成分(　✕　)3.碳化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温陶瓷和轴承(　√　)4.石墨烯属于有机化合物(　✕　)1.二氧化硅是一种酸性氧化物。实验室中要熔化烧碱固体,现有三种坩埚:石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚。你认为应该选哪一种?简述选择的依据。答案　选择铁坩埚。铁不与烧碱(NaOH)反应,而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2,能与NaOH反应,使得坩埚受损。2.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(生成Na2SiO3和CaSiO3)而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗?答案　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↑。3.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?答案　不能。因为比较物质氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,题述反应是在高温条件下发生的,所以不能比较碳和硅还原性的强弱。4.半导体或芯片是由晶体硅生产的。它们被广泛用于集成电路,如计算机、电视等,还有的被应用于先进的微波传送、激光转换系统、医疗诊断和治疗设备等。虽然芯片比较坚硬,但是可被HF溶液腐蚀,生成SiF4和一种气体,请写出该反应的化学方程式。答案　反应的化学方程式为Si+4HF SiF4+2H2↑。1.硅的化学性质(1)在常温下不活泼,但能与氢氟酸反应:Si+4HF SiF4↑+2H2↑。(2)加热条件下能与O2、Cl2等反应:Si+O2 SiO2;Si+2Cl2 SiCl4。2.注意二氧化硅的两个反应(1)碱性试剂如NaOH溶液、Na2CO3溶液等不能用带玻璃塞的试剂瓶存放的原因:碱性试剂能与玻璃塞的主要成分SiO2反应:2NaOH+SiO2 Na2SiO3+H2O,Na2SiO3具有黏合性,能将瓶塞和试剂瓶黏结在一起。(2)氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛放;可用氢氟酸雕刻玻璃花纹。3.新型陶瓷类型组成性能用途高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物耐高温、抗氧化、耐磨蚀等火箭或汽车的发动机、高温电极材料压电陶瓷钛酸盐和锆酸盐等实现机械能与电能的相互转化滤波器、扬声器、超声波探伤器、点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化钇或氮化铝、氟化钙具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷—在某一临界温度下电阻为零,具有超导性电力、交通、医疗等领域 1.具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世,填补了我国计算机制造史上的一项空白,下列对晶体硅的叙述中正确的是(　　)A.晶体硅和金刚石的物理性质相似B.硅在地壳中含量居第二位,可以游离态的形式存在于自然界中C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但提炼工艺复杂,价格非常昂贵D.晶体硅具有金属光泽,属于金属材料,可以导电答案　A　A项,晶体硅和金刚石的熔点高、硬度大,具有相似的物理性质;B项,在自然界中没有游离态硅存在;C项,晶体硅的价格已不昂贵,已经广泛应用于电子器件及电脑配件中;D项,晶体硅属于无机非金属材料。2.碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是(　　)A.碳纳米管属于胶体B.石墨烯属于有机化合物C.C60与金刚石互为同素异形体D.均具有相同的熔点答案　C　碳纳米管是一种纳米材料,与胶粒直径吻合,需要分散到分散剂中才能形成胶体,故A错误;石墨烯是由石墨剥离出的单层碳原子结构的单质,不属于有机化合物,故B错误;C60与金刚石同属于碳的单质,互为同素异形体,故C正确;不同的新型碳材料因结构不同应具有不同的熔点,故D错误。3.根据不同部位工作条件的不同,航天飞机使用了多种防热材料。例如,机身和机翼下表面使用高温结构陶瓷。下列关于新型陶瓷材料的叙述中错误的是(　　)A.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,可以作为高级耐火材料B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,是生物陶瓷C.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,可用于制造陶瓷发动机的受热面D.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,但是强度比较差答案　D　新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,具有较高的强度和耐磨性,能抵抗冷热冲击,常用于发动机的受热面,D项错误。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1.据报道,碳纳米管是由碳原子构成的大分子组成的,其导电性是单质铜的1万倍。下列叙述中,不正确的是(　　)A.14C的质子数为6B.石墨和碳纳米管互为同素异形体C.金刚石和碳纳米管分子互为同位素D.碳纳米管是非金属导体答案　C　金刚石和碳纳米管都是由碳元素组成的不同单质,互为同素异形体,故C错误。2.据报道,我国科学家近年来研制出一种新型“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的。下列叙述不正确的是(　　)A.它耐高温、抗氧化B.它比钢铁轻、硬,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答案　B　航空材料的特点是质轻、强度高、稳定性好,故A项正确、B项不正确;复合材料属于混合物,没有固定的熔、沸点,根据其组成可知新型航空材料属于新型无机非金属材料,故C、D项正确。3.宁波博物馆墙面通过两种方式装饰而成:第一种方式是用民间收集的上百万片明清砖瓦手工砌成瓦片墙,另一种方式是用竹条加入混凝土,在表面展现竹的纹理。博物馆展品中陈列着大量宋代精美瓷器——青花瓷。下列说法错误的是(　　)A.古代的陶瓷、砖瓦及现代的玻璃、水泥等,大多是硅酸盐产品B.工业上制取水泥的主要原料为黏土、石灰石C.博物馆窗户上普通玻璃的主要成分是SiO2D.青花瓷胎体的原料为高岭土答案　C　普通玻璃是硅酸盐产品,其主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。4.由SiO2制取Si的过程中不涉及的化学反应(反应条件未说明)是(　　)A.2C+SiO2 Si+2CO↑B.SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2OC.Si+3HCl SiHCl3+H2D.SiHCl3+H2 Si+3HCl答案　B　由SiO2制取Si时要先制得粗硅,反应为2C+SiO2 Si+2CO↑,然后进行提纯,反应依次为Si+3HCl SiHCl3+H2、SiHCl3+H2 Si+3HCl。 5.下列有关硅及其化合物的叙述中,正确的是(　　)A.硅是光导纤维的主要成分B.硅是构成岩石与许多矿物的基本元素C.SiO2是酸性氧化物,不与任何酸发生反应D.可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸答案　B　光导纤维的主要成分是二氧化硅,故A错误;硅是亲氧元素,岩石与许多矿物的基本元素中含有Si元素,故B正确;SiO2是酸性氧化物,但可与氢氟酸发生反应,故C错误;二氧化硅不溶于水,不能通过SiO2与水反应一步制得硅酸,故D错误。6.稻壳是大米外面的一层壳。某稻壳灰的成分见下表:组分SiO2CNa2OK2OAl2O3Fe2O3质量分数/%59.2038.800.250.500.640.61 通过如下流程可由稻壳灰制备较纯净的二氧化硅。请回答下列问题:(1)根据氧化物的性质进行分类,稻壳灰中涉及的氧化物最多有　　　　　　类。 (2)写出步骤①中二氧化硅发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)通过流程分析,滤渣A的成分是　　　　　　(填化学式)。 (4)已知滤渣B为硅酸,写出步骤③反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　。 答案　(1)3　(2)SiO2+2OH- Si+H2O　(3)Fe2O3、C(4)H2SiO3 H2O+SiO2解析　(1)二氧化硅为酸性氧化物,氧化钠、氧化钾、氧化铁为碱性氧化物,氧化铝为两性氧化物,所以最多涉及3种氧化物。(2)二氧化硅为酸性氧化物,与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水,反应的离子方程式为SiO2+2OH- Si+H2O。(3)氧化钠、氧化钾均能与水反应生成可溶性碱,氧化铝为两性氧化物,能够与强碱反应生成可溶性偏铝酸盐,二氧化硅为酸性氧化物,与氢氧化钠反应生成可溶性硅酸钠,三氧化二铁与氢氧化钠不反应,所以滤渣A为Fe2O3、C。(4)硅酸不稳定,受热易分解生成二氧化硅和水。