化学必修 第二册第三节 无机非金属材料教学设计
展开专题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
解析：A项中反应不是在水溶液中进行，产物中有气体生成，故不能通过此反应判断H2CO3与H2SiO3的酸性强弱，A项错误；CO2和SiO2的物理性质差异较大，B项错误；SiO2与氢氟酸的反应不属于碱性氧化物与酸生成盐和水的反应，在此反应中SiO2并没有表现出碱性氧化物的性质，C项错误。
答案：D
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
解析：水晶项链主要成分是二氧化硅,A错;光纤是由二氧化硅制造而成的,B错;石英中的二氧化硅不与盐酸反应,C错；传统无机非金属材料包括水泥、玻璃、陶瓷等，D正确。
答案：D
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
解析：(1)①根据给定的反应物和生成物写出化学方程式，注意反应条件和配平。②写出反应物和给出的生成物H2SiO3和HCl，用原子守恒法找出另一种生成物为H2，并配平。
(2)A项中水泥是硅酸盐材料；B、C项根据硅的化合物的用途可知，两项说法都正确；D项中玻璃是混合物，没有固定的熔点；E项中盐酸和硅不反应。
答案：(1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑
氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3(2)BC
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
解析：无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类。传统无机非金属材料是指我们常说的硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、砖瓦、陶瓷等；新型无机非金属材料是指一些新型的具有特殊结构和特殊功能的非硅酸盐型材料。新型无机非金属材料与传统无机非金属材料相比，具有许多优良性能，如耐高温、耐磨损、耐酸碱腐蚀、具有压电效应、具有生物功能等。
答案：D
名师归纳：四种新型的无机非金属材料对比
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