高中化学人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料学案

第三节　无机非金属材料

一、硅酸盐材料

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

微点拨：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＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，

SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。

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)单质硅的制备

(3)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．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。

1．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)二氧化硅在电子工业中是最重要的半导体材料。 (　　)

[答案]　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×

2．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

3．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

高纯硅的制备与重要硅的化合物的性质

1．高纯硅的工业制备原理流程图

2．硅及其重要化合物的主要性质

微点拨：(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．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。]

2．下列说法正确的是(　　)

A．SiO2熔点高、硬度大，可用于制光导纤维

B．SiO2具有导电性，可用于制作光导纤维和光电池

C．由于HF能与SiO2反应，所以可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记

D．在一定条件下，SiO2SiCl4Si物质间转化均能实现

C　[SiO2可用于制光导纤维不是因为它的熔点高、硬度大，也不是因为它具有导电性，而是由于它能够有效地传导光信号，制造光电池利用的是单质硅的半导体性能，A、B错误；SiO2不与盐酸反应，D错误。]

3．下列有关硅及其化合物的说法中正确的是(　　)

A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在带有磨口玻璃塞的试剂瓶中

B．氢氟酸可用带橡胶塞的玻璃试剂瓶保存

C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料

D．水玻璃在空气中变质生成H2SiO3沉淀

D　[A项，Na2SiO3溶液具有黏合性，错误；B项，氢氟酸与玻璃中的SiO2反应，不能用玻璃瓶保存氢氟酸，错误；C项，石英玻璃不属硅酸盐材料，错误。]

4．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＋H2Si＋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＋H2Si＋3HCl

(3)排尽装置中的空气　(4)bd

[素材一]　1.随着5G技术的应用，硅光芯片被广泛提及，从概念到产品，它的发展速度让人惊叹。硅光芯片作为硅光子技术中的一种，有着非常可观的前景。

硅光芯片是将硅光材料和器件通过特殊工艺制造的集成电路。硅光芯片具有集成度高、成本低、传输线更好等特点。

2．目前，利用太阳能发电主要有光伏和光热两种方式。光伏发电主要利用以硅为基底的太阳能电池板将光能直接转化为电能。而光热发电，是通过吸收太阳光转化为热能，再通过发电机组将热能转化为电能。

[素材二]　2018年11月5日至7日，世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题，围绕“全球光纤光缆供需走势”“5G和物联网带来的需求展望”“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。

[素材三]　从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃；精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级(10－6m)，用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性，有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。

1．素材一中硅光芯片和光伏电池板主要涉及的物质成分是什么？

提示：硅单质。

2．素材二中光缆的主要制作成分是什么？该成分属于什么物质属类？写出代表其通性的化学方程式。

提示：SiO2。属于酸性氧化物。SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

3．素材三中涉及传统陶瓷与新型陶瓷的优点缺点是什么？

提示：传统陶瓷具有抗腐蚀性、耐高温等优点，但质脆，经不起热冲击。新型陶瓷除了具有传统陶瓷的优点外还有强度高，具有光学、电学特性和生物功能等。

通过素材中对硅光芯片、光缆、传统陶瓷与新型陶瓷的介绍，培养学生“宏观辨识与社会责任”的核心素养。

1．硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下面几种物质中含有硅单质的是(　　)

A．玛瑙　　　　　 B．光导纤维

C．太阳能电池     D．水晶

C　[玛瑙、光导纤维和水晶的主要成分是SiO2，硅单质可用来制造太阳能电池板。]

2．宇航员在升空、返回或遇到紧急情况时，必须穿上10公斤重的航天服，我国宇航员的航天服是由我国科学家研制的新型“连续纤维增韧”航空材料做成的，主要由碳化硅、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

B　[由题目信息中“连续纤维增韧”可知，该航天服的韧性很好，质地并不是很脆，B错误。]

3．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。]

4．(素养题)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．陶瓷具有耐高温、耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点

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；秦兵马俑是陶制品，陶制品是由黏土或含有黏土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的，B正确；陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物，陶瓷的主要成分是硅酸盐，与水泥、玻璃等同属硅酸盐产品，C正确；陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐具有耐高温、耐酸碱侵蚀、抗氧化等特点，D正确。]

5．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)下列物质不属于硅酸盐的是________。

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和CO2都属于酸性氧化物，性质相似，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，其反应方程式为________________。

(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作________。

(4)工业上常利用反应2C＋SiO2Si＋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__________________________________________。

[解析]　(1)生石灰是CaO，为碱性氧化物且不含硅元素，不属于硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸，因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”，具有阻燃的功能，因此可用作防火剂。(4)题给反应中C(碳)被氧化；SiO2中＋4价的硅被还原，因此SiO2作氧化剂。

[答案]　(1)D　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　氢氟酸　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O　(3)防火剂　(4)C　SiO2