必修 第二册第三节 无机非金属材料学案

这是一份必修 第二册第三节 无机非金属材料学案，共10页。
知识点一 硅酸盐材料——传统无机非金属材料
无机非金属材料一般含有硅、氧元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。
1．硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，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。其结构示意图为。
2．硅酸盐材料
3．特种玻璃
[拓展链接]
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＋Na2CO3eq \(=====,\s\up10(高温))Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3eq \(=====,\s\up10(高温))CaSiO3＋CO2↑。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(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)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。(√)
(4)硅酸盐材料一般具有耐高温、耐腐蚀、难被氧化的特点。(√)
(5)水泥中的石膏调节水泥的硬化速率。(√)
(6)水泥、沙子和碎石等与水混合形成混凝土。(√)
(7)陶瓷一般不导电，可以生产绝缘材料。(√)
知识点二 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)硅的导电性
硅处于金属与非金属的过渡位置，其单质导电性介于导体与绝缘体之间，是重要的半导体材料。
(3)单质硅的制备
(4)硅和二氧化硅的用途
2．新型陶瓷
(1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，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，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
(3)常见类型(了解)
①高温结构陶瓷，如碳化硅、氮化硅等。
②压电陶瓷，如钛酸盐和锆酸盐。
③透明陶瓷，如Al2O3、氧化钇等氧化物。
④超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零。
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。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)晶体硅是半导体材料，导电性介于导体与绝缘体之间。(√)
(2)二氧化硅可制造光导纤维，用于导电。(×)
(3)碳化硅和氮化硅是两种新型材料。(√)
(4)富勒烯、碳纳米管和石墨烯的主要成分都是碳单质。(√)
(5)硅是制备光导纤维和光电池的材料。(×)
(6)粗硅制备反应为SiO2＋Ceq \(=====,\s\up10(高温))Si＋CO2。(×)
中国北京曙光公司研制了第一款具有我国完全自主知识产权的高性能CPU芯片——“龙芯”1号。
(1)“龙芯”1号(芯片)的主要化学成分是________。
(2)在计算机长距离联网使用的传输很快的线路中使用的材料叫________，主要化学成分是________。
(3)秦兵马俑制品的主要生产原料是________，主要成分为________。
[答案] (1)硅 (2)光导纤维 二氧化硅 (3)黏土 硅酸盐
1．高纯硅的制备流程图
石英砂eq \(―――→,\s\up10(＋焦炭),\s\d10(高温))粗硅eq \(――――→,\s\up10(＋HCl),\s\d10(300 ℃))SiHCl3eq \(――――→,\s\up10(＋H2),\s\d10(1 100 ℃))高纯硅
2．含硅物质的主要化学性质拓展归纳


注意：(1)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存，氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃制品蚀刻花纹。
(2)强碱溶液不能用玻璃塞试剂瓶保存，应用橡胶塞。
(3)水玻璃在空气中变质生成沉淀。
1．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\up10(高温))2CO↑＋Si，硅被还原，所以碳的还原性大于硅的
B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up10(高温))CO2↑＋Na2SiO3可知，硅酸的酸性大于碳酸的
C [Si的还原性比C的强，但能发生反应2C＋SiO2eq \(=====,\s\up10(高温))2CO↑＋Si，H2CO3的酸性比H2SiO3的强，但能发生反应Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up10(高温))CO2↑＋Na2SiO3，原因是这两个反应均在高温下进行，且产物中均有气体生成，气体从反应体系中逸出，有利于反应的进行，A、D项错误；不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3溶液，因为Na2SiO3溶液本身是一种黏合剂，B项错误；SiO2不能与水直接反应，所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2或盐酸反应：Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓、Na2SiO3＋2HCl=== 2NaCl＋H2SiO3↓，C项正确。]
2．下列关于SiO2和CO2的叙述正确的是( )
A．两者都是酸性氧化物，故均不与酸反应
B．两者都可以与NaOH溶液反应
C．两者熔、沸点均较低
D．两者都能与水反应生成对应的酸且碳酸的酸性强于硅酸
B [SiO2能与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，故A错误；SiO2和CO2都是酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应，故B正确；CO2熔、沸点较低，SiO2熔、沸点较高，故C错误；二氧化硅不溶于水，不能与水反应，故D错误。]
3．(素养题)多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如图所示；下列说法错误的是( )
A．Y可能是H2
B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
C．SiHCl3中硅元素的化合价为＋4价
D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
B [Y能够还原SiHCl3为硅单质，则Y可能是H2，A正确；制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成SiC：3C＋SiO2eq \(=====,\s\up10(高温))SiC＋2CO↑，在该反应中碳既是氧化剂，又是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2，B错误； SiHCl3中H是－1价，Cl是－1价，则Si的化合价为＋4价，C正确； H2与SiHCl3制备多晶硅的反应：SiHCl3＋H2eq \(=======,\s\up10(1 100 ℃))Si＋3HCl，属于置换反应，D正确。]
1．钠及其化合物
2．铁及其化合物
3．铝及其化合物
4．氯及其化合物
5．硫及其化合物
6．氮及其化合物
7．硅及其化合物
4．已知X、Y、Z、E四种常见物质含有同一种元素，其中E是一种强酸，在一定条件下，它们有如图所示转化关系。下列推断不合理的是( )
A．X可能是一种氢化物
B．Y不可能转化为X
C．Y可能直接转化为E
D．若X是单质，则X转化为Y的反应可能是化合反应
B [X是一种氢化物时，X可以是NH3，则Y是NO、Z是NO2、E是HNO3，X还可以是H2S，则Y是SO2、Z是SO3、E是H2SO4，A项合理；如果X是S，Y是SO2，Z是SO3，E是H2SO4，则SO2＋2H2S===3S＋2H2O，B项不合理；如果X是S，Y是SO2，Z是SO3，E是H2SO4，则SO2＋H2O2===H2SO4，C项合理；若X是N2、Y是NO、Z是NO2、E是HNO3，则N2＋O2eq \(=====,\s\up12(放电))2NO，D项合理。]
5．下列各组物质中，满足表中图示物质在一定条件下一步转化关系的组合有( )
A．①②③ B．①③④ C．只有②③ D．②③④
A [①Si溶于NaOH溶液可得到Na2SiO3，向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸可得到H2SiO3，H2SiO3受热分解生成SiO2，SiO2与C在高温下反应可得到Si，①正确；②Na与H2O反应生成NaOH，NaOH与少量CO2反应生成Na2CO3、Na2CO3与稀盐酸反应生成NaCl，NaCl在熔融条件下电解生成Na，②正确；③Cl2与石灰乳反应生成Ca(ClO)2，Ca(ClO)2与稀盐酸反应生成HClO，HClO在光照条件下分解生成HCl，电解HCl溶液可得到Cl2，③正确；④Fe与Cl2反应生成FeCl3，FeCl3与Fe反应生成FeCl2，FeCl2与氢氧化钠溶液反应生成Fe(OH)2，由Fe(OH)2通过一步反应得不到Fe，④错误。A项符合题意。]
6．如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是( )
A．SiO2属于两性氧化物
B．酸性：H2SiO3>H2CO3
C．硅胶吸水后可重复再生
D．图中所示转化反应都是氧化还原反应
C [SiO2不与除HF之外的酸反应，SiO2是酸性氧化物，不属于两性氧化物，A项错误；由Na2SiO3、CO2和H2O反应生成H2SiO3可知，H2CO3酸性强于H2SiO3，B项错误；硅胶吸水后再经加热除水即可以重复使用，C项正确；图中有的转化反应不是氧化还原反应，如SiO2与NaOH溶液的反应等，D项错误。]
1．下列关于无机非金属材料的说法中正确的是( )
A．传统无机非金属材料是指：光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差
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
[答案] C
2．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是( )
A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷
B．生产陶瓷的主要原料是黏土
C．普通玻璃的主要成分只有SiO2
D．普通硅酸盐水泥的生产以石灰石和黏土为主要原料
C [普通玻璃的主要成分为硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅，C项错误。]
3．硅是组成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是( )
A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4
B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为Si
D．氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)和二氧化锆(ZrO2)都可用作制高温结构陶瓷的材料
C [光导纤维的主要成分是二氧化硅，属于新型无机非金属材料，C项错误。]
4．下列反应不能一步完成的是( )
A．SiO2→Na2SiO3 B．SiO2→H2SiO3
C．Na2SiO3→H2SiO3 D．H2SiO3→SiO2
B [二氧化硅可与氢氧化钠直接反应生成硅酸钠；Na2SiO3溶液中通入CO2或加入盐酸都可以生成H2SiO3；硅酸可直接加热分解生成二氧化硅，故只有B符合题意。]
5．(素养题)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图(热源及夹持装置已略去)：
(1)装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________________。
(2)反应一段时间后，装置D中观察到的现象是__________________________________________________________，装置D中发生反应的化学方程式为___________________________。
(3)为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及________________________________。
(4)为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是________(填字母)。
a．碘水 b．氯水 c．NaOH溶液 d．KSCN溶液
e．Na2SO3溶液
[解析] (1)为防止SiHCl3与H2O强烈反应，需要干燥剂干燥氢气，浓硫酸具有吸水性且不和氢气反应，所以可以作干燥剂；升高温度能使SiHCl3气化，从而使SiHCl3和氢气在D中反应。(2)D中发生反应SiHCl3＋H2eq \(=========,\s\up10(1 100 ℃))Si＋3HCl，Si为固态，所以看到的现象是有固体物质生成。(3)Si是亲氧元素，为防止Si被氧化，需要排尽装置中的空气。(4)向溶液中加入强氧化剂，然后加入KSCN溶液检验铁离子，这几种物质中氯水具有强氧化性，故选bd。
[答案] (1)浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3气化
(2)有固体物质生成 SiHCl3＋H2eq \(=======,\s\up10(1 100 ℃))Si＋3HCl
(3)排尽装置中的空气 (4)bd
学 习 任 务
1．了解硅酸盐制品的生产原料及主要成分，培养“宏观辨识与社会责任”的核心素养。
2．了解新型无机非金属材料的性质，感受科学技术的重大应用，培养“科学探究与科学态度”的核心素养。
3．了解硅及其重要化合物的基本性质，培养“宏观辨识与变化观念”的核心素养。
4．归纳总结常见无机间的转化及应用。
产品
原料
主要设备
主要成分
用途
陶瓷
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
——
硅酸盐
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃
(普通)
纯碱、石灰石、石英砂
玻璃窑
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
石灰石、黏土、适量石膏
水泥
回转窑
硅酸盐
建筑和水利工程
在玻璃中加入的元素或物质
玻璃特性
用途
含铅原料
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
硼酸盐
耐化学腐蚀、耐温度急剧变化
制造可用于实验室使用的玻璃仪器
金属氧化物或盐
彩色玻璃
用于建筑和装饰
存在
原子结构示意图
周期表中位置
含量
存在形态
地壳中居第二位
氧化物和硅酸盐
第三周期、第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、电池和传感器等
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、电池和复合材料等
高纯硅制备和含硅物质的主要化学性质
常见无机物的转化及应用归纳
序号
X
Y
Z
W
①
Si
Na2SiO3
H2SiO3
SiO2
②
Na
NaOH
Na2CO3
NaCl
③
Cl2
Ca(ClO)2
HClO
HCl
④
Fe
FeCl3
FeCl2
Fe(OH)2