新教材2023版高中化學(xué)第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第三節(jié)無機非金屬材料學(xué)案新人教版必修第二冊

第三節(jié)無機非金屬材料材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類使用的材料除了材料，還有無機非金屬材料等。從組成上看，許多無機非金屬材料含有等元素，具有等特點，以及特殊的等性能。隨著工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生，成為等高技術(shù)領(lǐng)域必需的材料。核心微網(wǎng)絡(luò)新課程標準1.知道常見無機非金屬材料，結(jié)合實例認識材料組成、性能及應(yīng)用的聯(lián)系；2.能從材料組成的角度對無機非金屬材料進行分類，能根據(jù)使用需求選擇適當?shù)牟牧?，能解釋使用注意事項，并能科學(xué)合理使用。素養(yǎng)新要求1.能從二氧化硅、二氧化碳的結(jié)構(gòu)角度分析兩者性質(zhì)的差異，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念；2.結(jié)合身邊的生活用品、電子產(chǎn)品、建筑物等用到的無機非金屬材料，感受化學(xué)就在身邊，化學(xué)材料作用巨大，提高學(xué)生努力學(xué)習(xí)化學(xué)，投身國家建設(shè)的社會責(zé)任感。學(xué)業(yè)基礎(chǔ)——自學(xué)·思記·嘗試一、硅酸鹽材料1.硅酸鹽的組成和性質(zhì)（1）概念：由、和組成的化合物的總稱（2）性質(zhì)：固態(tài)，大多不溶于水，化學(xué)性質(zhì)很（3）表示方法：如Na2SiO3→狀元隨筆硅酸鹽的結(jié)構(gòu)在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體，其結(jié)構(gòu)如圖所示。每個Si結(jié)合4個O，Si在中心，O在四面體的4個頂角；許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體所共有，與2個Si相結(jié)合。硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。硅氧四面體的結(jié)構(gòu)示意圖2.三種常見的硅酸鹽產(chǎn)品——傳統(tǒng)無機非金屬材料產(chǎn)品主要原料主要設(shè)備主要成分用途陶瓷（主要成分為含水的）——建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等玻璃、、玻璃窯、、建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿、高強度復(fù)合材料等水泥、水泥回轉(zhuǎn)窯建筑材料、水利工程【學(xué)而思】思考：根據(jù)制備玻璃的原料（純堿、石灰石、石英砂）和玻璃的成分（Na2SiO3、CaSiO3和SiO2），思考制備玻璃的化學(xué)方程式。純堿＋石英→Na2SiO3：_____________________________________________。石灰石＋石英→CaSiO3：____________________________________________。二、新型無機非金屬材料1.硅（1）硅的存在、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用單質(zhì)硅是應(yīng)用最為廣泛的材料。（2）高純硅的制備其中涉及的主要化學(xué)反應(yīng)為①________________________________________________________________________②________________________________________________________________________③________________________________________________________________________（3）化學(xué)性質(zhì)①常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，只與F2、HF（氫氟酸）、強堿（如NaOH）溶液反應(yīng)。Si＋F2=，Si＋HF=，Si＋2NaOH＋H2O=。②加熱條件下和某些非金屬單質(zhì)（如O2、Cl2）發(fā)生反應(yīng)。Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))。（4）用途①半導(dǎo)體材料，如等。②新型能源，如等。2.二氧化硅（1）存在水晶、瑪瑙、光導(dǎo)纖維的主要成分是。沙子中含有小粒的石英晶體。（2）結(jié)構(gòu)SiO2晶體是空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個Si結(jié)合個O，每個O結(jié)合個Si，N（Si）∶N（O）＝二氧化硅晶體的結(jié)構(gòu)模型圖（3）物理性質(zhì)熔點硬度溶解性于水（4）化學(xué)性質(zhì)（5）用途建筑材料、纖維（主要成分）、坩堝、飾物和工藝品。3.新型陶瓷4.碳納米材料碳納米材料在能源、、醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣闊的前景?！緫?yīng)用嘗試】1.將下列左欄中的物質(zhì)與右欄中對應(yīng)的性質(zhì)、用途用線連起來：2.填寫下列物質(zhì)主要化學(xué)成分的化學(xué)式或名稱。（1）剛玉：__________________________________；（2）石英鐘：___________________________________________；（3）硅太陽能電池：____________________________________________；（4）水晶鏡片：_____________________________________________；（5）門窗玻璃：_______________________________________________?！緦W(xué)而思】質(zhì)疑：教材中描述“工業(yè)制備高純硅的原理示意圖”。能否通過反應(yīng)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑，證明C、Si的非金屬性強弱？[即學(xué)即練]1.判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”。（1）硅元素在自然界中既有化合態(tài)，又有游離態(tài)。（）（2）SiO2是空間正四面體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)晶體。（）（3）SiO2是酸性氧化物，與任何酸都不能發(fā)生反應(yīng)。（）（4）利用石英坩鍋可熔融NaOH固體。（）（5）氫氟酸不能用玻璃試劑瓶保存。（）（6）SiO2晶體是由SiO2分子直接組成的。（）（7）水晶、石英、沙子、瑪瑙、光導(dǎo)纖維的主要成分均是SiO2。（）（8）光導(dǎo)纖維在強堿性條件下易發(fā)生“斷路”。（）（9）硅酸鹽是一大類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)物質(zhì)。（）（10）普通玻璃和水泥的生產(chǎn)原料均含石灰石。（）（11）光電池可以將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。（）2.我國古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸鹽的是（）A．陶俑B．琉璃瓦C．漢白玉D．青花瓷3.陶瓷版“冰墩墩”和“雪容融”均產(chǎn)自中國陶瓷之鄉(xiāng)，下列說法錯誤的是（）A．陶瓷、玻璃和水泥均屬于無機非金屬材料B．陶瓷版“冰墩墩”上黑色涂料的主要成分為Fe2O3C．陶瓷可用于日用的器皿、建筑材料等D．陶瓷是以黏土及天然礦物巖為原料，經(jīng)加工燒制而成的4.關(guān)于地殼中含量占第一位和第二位的元素之間形成的化合物，有關(guān)其說法正確的是（）A．化學(xué)性質(zhì)不活潑B．可溶于水且顯酸性C．熔沸點較低，物理性質(zhì)與CO2相似D．是酸性氧化物，不溶于任何酸5.光導(dǎo)纖維被認為是20世紀最偉大的發(fā)明之一。光導(dǎo)纖維的主要成分是（）A．SiB．SiO2C．Na2SiO3D．SiCl46.下列關(guān)于硅、硅酸鹽的說法正確的是（填序號）。①硅廣泛存在于自然界中，天然單質(zhì)硅叫硅石。②硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間。③硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)起反應(yīng)。④水泥、玻璃、水晶飾物都是硅酸鹽材料。⑤高純度的硅單質(zhì)廣泛用于制作光導(dǎo)纖維。核心素養(yǎng)——合作·探究·分享目標1硅的結(jié)構(gòu)特點、特性與制法例1.下列關(guān)于硅的說法中，錯誤的是（）A．硅是非金屬元素，它的晶體單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體B．單質(zhì)硅和金剛石結(jié)構(gòu)相似，但比金剛石硬度小，熔點低C．硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)D．加熱到一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬反應(yīng)[提升1]硅在地殼中的含量較高。硅及其化合物在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用?；卮鹣铝袉栴}：（1）陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸鹽材料。其中，生產(chǎn)普通玻璃的主要原料有________________________________________________________________________。（2）高純硅是現(xiàn)代信息、半導(dǎo)體和光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)都需要的基礎(chǔ)材料。工業(yè)上提純硅有多種技術(shù)路線，其中一種工藝流程示意圖如下：①工業(yè)上用石英砂和焦炭在電弧爐中加熱到1600～1800℃，除生成粗硅外，也可以生成碳化硅，則在電弧爐內(nèi)可能發(fā)生的反應(yīng)的化學(xué)方程式為________________________________________________________________________。②在流化床反應(yīng)的產(chǎn)物中，SiHCl3大約占85%，還有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，粗硅生成SiHCl3的化學(xué)方程式為________________________________________________________________________。（3）還原爐中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為________________________________________________________________________。狀元隨筆解答信息實驗題時要特別注意以下兩點：（1）分析題目信息，注意實驗操作或具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)；（2）與已掌握的知識進行對比分析，充分利用信息進行知識遷移。關(guān)鍵能力1.晶體硅的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)類似于金剛石。2.硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)（1）常溫下：①與氟氣反應(yīng)：Si＋2F2=SiF4；②與氫氟酸反應(yīng)：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；③與NaOH溶液反應(yīng)：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑（2）加熱條件下：①與O2反應(yīng)：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2；②與Cl2反應(yīng)：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4；③與C反應(yīng)：Si＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))SiC狀元隨筆高純硅的制備工業(yè)上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，再以其為原料制備高純硅。例如，可以將粗硅轉(zhuǎn)化為三氯硅烷（SiHCl3），再經(jīng)氫氣還原得到高純硅。工業(yè)制備高純硅的原理示意圖其中涉及的主要化學(xué)反應(yīng)為：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl目標2含硅物質(zhì)的性質(zhì)應(yīng)用與轉(zhuǎn)化例2.歌曲《青花瓷》中所描繪的“瓶身描繪的牡丹一如你初妝”“色白花青的錦鯉躍然于碗底”等圖案生動形象，但古瓷中所用顏料的成分一直是個謎。近年來科學(xué)家才得知大多為硅酸鹽，如藍紫色的硅酸銅鋇（BaCuSi2Ox，銅為＋2價），下列關(guān)于硅酸銅鋇的說法不正確的是（）A．可用氧化物形式表示為BaO·CuO·2SiO2B．性質(zhì)穩(wěn)定，不易脫色C．易溶于強酸和強堿D．x等于6[提升2]A、B、C、D、E五種含硅元素的物質(zhì)，相互轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖所示：（1）推斷A～E的化學(xué)式：A，B，C，D，E。（2）①寫出B→A的化學(xué)方程式________________________________________________________________________。②A→C的離子方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。狀元隨筆硅及其化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系題中的突破口（1）硅、二氧化硅的結(jié)構(gòu)：如硅與金剛石結(jié)構(gòu)相似。（2）硅、二氧化硅的物理性質(zhì)：如硬度大，熔、沸點高。（3）特征性質(zhì)：①與強堿溶液反應(yīng)放出H2的非金屬單質(zhì)是硅。②不與H2O反應(yīng)、能與氫氟酸反應(yīng)（或雕刻玻璃）的酸性氧化物為SiO2。③難溶于水的無機酸是H2SiO3。關(guān)鍵能力硅及其化合物的“價—類二維圖”①SiH4＋2O2eq\o(=,\s\up7(點燃))SiO2＋2H2O（拓展反應(yīng)）②SiH4eq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2H2③Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2④SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑⑤Si＋2F2=SiF4（或Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑）⑥Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑⑦SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O⑧SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O⑨H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))SiO2＋H2O⑩Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓狀元隨筆硅酸鈉（1）物理性質(zhì)：可溶于水，水溶液俗稱“水玻璃”?！八ＡА本哂泻軓姷酿ず闲?，是建筑行業(yè)常用的黏合劑。（2）化學(xué)性質(zhì)：易與酸反應(yīng)。與強酸反應(yīng)：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓。與CO2反應(yīng)：CO2不足，Na2SiO3＋CO2＋H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓；CO2過量，Na2SiO3＋2CO2＋2H2O=2NaHCO3＋H2SiO3↓。學(xué)考評價——夯實·測控·演練1.“九秋風(fēng)露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關(guān)說法中正確的是（）A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品B．制水泥的原料為純堿、石灰石和石英砂C．硅酸鹽制品的性質(zhì)穩(wěn)定、熔點較高D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽2.[2022·廣東卷]廣東一直是我國對外交流的重要窗口，館藏文物是其歷史見證。下列文物主要由硅酸鹽制成的是（）文物選項A.南宋鎏金飾品B.蒜頭紋銀盒文物選項C.廣彩瓷咖啡杯D.銅鍍金鐘座3.材料與化學(xué)密切相關(guān)，表中對應(yīng)關(guān)系錯誤的是（）選項材料主要化學(xué)成分A剛玉、金剛石三氧化二鋁B大理石、石灰石碳酸鈣C普通水泥、普通玻璃硅酸鹽D沙子、石英二氧化硅4.中國高鐵對實現(xiàn)“一帶一路”的倡議有重要的作用。（1）建設(shè)高鐵軌道需要大量的水泥，生產(chǎn)水泥的主要原材料是黏土和；還需要加入適量調(diào)節(jié)水泥硬化速率。（2）高鐵上的信息傳輸系統(tǒng)使用了光導(dǎo)纖維，其主要成分是；乘務(wù)員使用的無線通話機的芯片材料是。（3）高鐵上安裝有許多玻璃，氫氟酸可以處理玻璃表面的微裂紋，氫氟酸與玻璃中的二氧化硅反應(yīng)的化學(xué)方程式為。（4）高鐵上的衛(wèi)生間沒有任何異味，是由于所使用的馬桶、地漏和洗手盆下水口都是納米硅膠的高科技產(chǎn)品。向硅酸鈉溶液中加入稀鹽酸可產(chǎn)生硅酸膠體，該反應(yīng)的離子方程式為。5.關(guān)于硅及其化合物的敘述中，正確的是（）A.硅是良好的半導(dǎo)體材料，可以與NaOH溶液和氫氟酸反應(yīng)B.二氧化硅與石灰石反應(yīng)：SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO↑C.用焦炭還原二氧化硅生產(chǎn)硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO2↑D.水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO26.為確認HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性強弱，某學(xué)生設(shè)計了如下圖所示的裝置，一次實驗即可達到目的（不必選其他酸性物質(zhì)）。請據(jù)此回答：（1）錐形瓶中裝某可溶性正鹽溶液，分液漏斗所盛試劑應(yīng)為。（2）裝置B所盛的試劑是，其作用是。（3）裝置C所盛試劑是，C中反應(yīng)的離子方程式是________________________________________________________________________。（4）由此得到的結(jié)論是酸性>>。練后感悟CO2與SiO2的性質(zhì)區(qū)別CO2SiO2類別均為酸性氧化物物理性質(zhì)常溫下是氣體，熔、沸點低，能溶于水硬度大，熔點高的固體，不溶于水化學(xué)性質(zhì)與水反應(yīng)CO2＋H2O=H2CO3不反應(yīng)與酸反應(yīng)不反應(yīng)只與HF反應(yīng)：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O與NaOH反應(yīng)CO2（少量）＋2NaOH=Na2CO3＋H2OCO2（過量）＋NaOH=NaHCO3SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O與CaO反應(yīng)CO2＋CaO=CaCO3SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3第三節(jié)無機非金屬材料金屬硅、氧耐高溫、抗腐蝕、硬度高光學(xué)、電學(xué)航空、航天、信息和新能源學(xué)業(yè)基礎(chǔ)一、1．硅氧金屬穩(wěn)定Na2O·SiO22．黏土鋁硅酸鹽硅酸鹽純堿石灰石石英砂Na2SiO3CaSiO3SiO2石灰石黏土硅酸鹽【學(xué)而思】提示：SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up14(高溫))Na2SiO3＋CO2↑SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up14(高溫))CaSiO3＋CO2↑二、1．(1)二氧化物和硅酸鹽三ⅣA半導(dǎo)體(2)①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up14(1800～2000℃))Si＋2CO↑②Si＋3HCleq\o(=,\s\up14(300℃))SiHCl3＋H2③SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up14(1100℃))Si＋3HCl(3)2SiF44SiF4↑＋2H2↑Na2SiO3＋2H2↑SiO2(4)硅芯片硅太陽能電池2．(1)石英SiO2(或二氧化硅)(2)立體421∶2(3)高大不溶(4)SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2OCaO＋SiO2eq\o(=,\s\up14(高溫))CaSiO32NaOH＋SiO2=Na2SiO3＋H2O(5)光導(dǎo)SiO2石英3．SiC金剛砂共價金剛石大高溫抗氧化4．信息單層石墨復(fù)合復(fù)合傳感器C60【應(yīng)用嘗試】1．①—c②—a③—e④—b⑤—d2．(1)Al2O3(2)SiO2(3)Si(4)SiO2(5)硅酸鹽【學(xué)而思】提示：不能。硅的還原性比碳強，而碳在高溫下卻能從SiO2中還原出硅。[即學(xué)即練]1．答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√(6)×(7)√(8)√(9)√(10)√(11)√2．答案：C3．解析：水泥、玻璃、陶瓷均屬于無機非金屬材料，故A正確；Fe2O3是紅棕色物質(zhì)，而陶瓷版“冰墩墩”上為黑色涂料，故不是氧化鐵，故B錯誤；陶瓷可用于日用的器皿、建筑材料等，故C正確；陶瓷是以黏土及天然礦物巖為原料，經(jīng)加工燒制發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而制成的，故D正確。答案：B4．答案：A5．解析：光導(dǎo)纖維的主要成分是SiO2。答案：B6．解析：①硅在自然界中只有化合態(tài)，沒有游離態(tài)，硅主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在，硅石的主要成分是SiO2，①不正確；②正確；③硅在常溫下能與F2、HF和強堿溶液反應(yīng)，③不正確；④水晶的成分是SiO2，④不正確；⑤SiO2用于制光導(dǎo)纖維而不是硅，⑤不正確。答案：②核心素養(yǎng)[例1]解析：硅雖然外形像金屬(有金屬光澤)，但實際上屬于非金屬；硅原子與碳原子最外層電子數(shù)相同，晶體結(jié)構(gòu)相似，但硅晶體比金剛石的硬度小，熔點低；硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫能與氟氣、氫氟酸和NaOH溶液等發(fā)生反應(yīng)；加熱至一定溫度時，硅還能與氯氣、氧氣等非金屬發(fā)生反應(yīng)。答案：C[提升1]解析：(1)生產(chǎn)普通玻璃的主要原料有純堿、石英砂、石灰石。(2)①二氧化硅與焦炭在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成粗硅或碳化硅，化學(xué)方程式為SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up14(高溫))Si＋2CO↑、SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up14(高溫))SiC＋2CO↑。②粗硅與氯化氫在250～300℃條件下反應(yīng)生成SiHCl3和氫氣。(3)還原爐內(nèi)，氫氣與SiHCl3發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成Si和HCl，化學(xué)方程式為SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up14(高溫))Si＋3HCl。答案：(1)純堿、石英砂、石灰石(2)①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up14(高溫))Si＋2CO↑、SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up14(高溫))SiC＋2CO↑②Si＋3HCleq\o(=,\s\up14(250～300℃))SiHCl3＋H2(3)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up14(高溫))Si＋3HCl[例2]解析：BaCuSi2Ox中，Ba為＋2價，Cu為＋2價，Si為＋4價，O為－2價，由化合價規(guī)則：(＋2)＋(＋2)＋2×(＋4)＋(－2)×x＝0，得x＝6，則用氧化物形式表示硅酸銅鋇為BaO·CuO·2SiO2，A、D項正確；由題干信息可知硅酸銅鋇的性質(zhì)穩(wěn)定，不易脫色，故B項正確，C項錯誤。答案：C[提升2]解析：在空氣中燃燒生成D，B可能為Si，B和D都能與NaOH溶液反應(yīng)生成A，則A為Na2SiO3，A和鹽酸反應(yīng)生成C，C為H2SiO3，H2SiO3受熱分解又生成SiO2，證明B為Si，E為CaSiO3。答案：(1)Na2SiO3SiH2SiO3SiO2CaSiO3(2)①Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑②SiO32-＋2H＋=H2學(xué)考評價1．答案：C2．解析：鎏金飾品是用金汞合金制成的金泥涂飾器物的表面，經(jīng)過烘烤