新教材高中化第5章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第3節(jié)基次時6無機非金屬材料案新人教版必修第二冊

PAGE10-基礎課時6無機非金屬材料學習任務1．了解硅酸鹽制品的生產(chǎn)原料及主要成分，培養(yǎng)“宏觀辨識與社會責任”的核心素養(yǎng)。2．了解新型無機非金屬材料的性質(zhì)，感受科學技術的重大應用，培養(yǎng)“科學探究與科學態(tài)度”的核心素養(yǎng)。3．了解硅及其重要化合物的基本性質(zhì)，培養(yǎng)“宏觀辨識與變化觀念”的核心素養(yǎng)。4．歸納總結常見無機間的轉化及應用。知識點一硅酸鹽材料——傳統(tǒng)無機非金屬材料無機非金屬材料一般含有硅、氧元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。1．硅酸鹽的結構在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體，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。其結構示意圖為。2．硅酸鹽材料產(chǎn)品原料主要設備主要成分用途陶瓷黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)——硅酸鹽建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等玻璃(普通)純堿、石灰石、石英砂玻璃窯Na2SiO3、CaSiO3、SiO2建筑材料、光學儀器、各種器皿、高強度復合材料等水泥石灰石、黏土、適量石膏水泥回轉窯硅酸鹽建筑和水利工程3．特種玻璃在玻璃中加入的元素或物質(zhì)玻璃特性用途含鉛原料光學玻璃：透光性好，折射率高制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡硼酸鹽耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化制造可用于實驗室使用的玻璃儀器金屬氧化物或鹽彩色玻璃用于建筑和裝飾[拓展鏈接]由原料和玻璃的成分及反應條件“熔融”，可知反應的化學方程式為SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up10(高溫))Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up10(高溫))CaSiO3＋CO2↑。判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)。(1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。 (√)(2)硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的混合物。 (×)(3)傳統(tǒng)無機非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸鹽。 (√)(4)硅酸鹽材料一般具有耐高溫、耐腐蝕、難被氧化的特點。 (√)(5)水泥中的石膏調(diào)節(jié)水泥的硬化速率。 (√)(6)水泥、沙子和碎石等與水混合形成混凝土。 (√)(7)陶瓷一般不導電，可以生產(chǎn)絕緣材料。 (√)知識點二新型無機非金屬材料1．硅和二氧化硅(1)硅元素的存在與結構存在原子結構示意圖周期表中位置含量存在形態(tài)地殼中居第二位氧化物和硅酸鹽第三周期、第ⅣA族(2)硅的導電性硅處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質(zhì)導電性介于導體與絕緣體之間，是重要的半導體材料。(3)單質(zhì)硅的制備(4)硅和二氧化硅的用途2．新型陶瓷(1)新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很多新的特性和功能。(2)碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，碳原子和硅原子通過共價鍵連接，具有類似金剛石的結構，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還耐高溫，可用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。(3)常見類型(了解)①高溫結構陶瓷，如碳化硅、氮化硅等。②壓電陶瓷，如鈦酸鹽和鋯酸鹽。③透明陶瓷，如Al2O3、氧化釔等氧化物。④超導陶瓷在某一臨界溫度下電阻為零。3．碳納米材料碳納米材料在能源、信息、醫(yī)藥等領域有著廣闊的應用前景。結構特點應用富勒烯由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱代表物C60開啟碳納米材料研究和應用的新時代碳納米管由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑用于生產(chǎn)復合材料、電池和傳感器等石墨烯只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)。(1)晶體硅是半導體材料，導電性介于導體與絕緣體之間。 (√)(2)二氧化硅可制造光導纖維，用于導電。 (×)(3)碳化硅和氮化硅是兩種新型材料。 (√)(4)富勒烯、碳納米管和石墨烯的主要成分都是碳單質(zhì)。 (√)(5)硅是制備光導纖維和光電池的材料。 (×)(6)粗硅制備反應為SiO2＋Ceq\o(=,\s\up10(高溫))Si＋CO2。 (×)中國北京曙光公司研制了第一款具有我國完全自主知識產(chǎn)權的高性能CPU芯片——“龍芯”1號。(1)“龍芯”1號(芯片)的主要化學成分是________。(2)在計算機長距離聯(lián)網(wǎng)使用的傳輸很快的線路中使用的材料叫________，主要化學成分是________。(3)秦兵馬俑制品的主要生產(chǎn)原料是________，主要成分為________。[答案](1)硅(2)光導纖維二氧化硅(3)黏土硅酸鹽高純硅制備和含硅物質(zhì)的主要化學性質(zhì)1．高純硅的制備流程圖石英砂eq\o(→,\s\up10(＋焦炭),\s\do10(高溫))粗硅eq\o(→,\s\up10(＋HCl),\s\do10(300℃))SiHCl3eq\o(→,\s\up10(＋H2),\s\do10(1100℃))高純硅2．含硅物質(zhì)的主要化學性質(zhì)拓展歸納注意：(1)氫氟酸不能用玻璃試劑瓶保存，氫氟酸能腐蝕玻璃，可用于玻璃制品蝕刻花紋。(2)強堿溶液不能用玻璃塞試劑瓶保存，應用橡膠塞。(3)水玻璃在空氣中變質(zhì)生成沉淀。1．下列有關硅及其化合物的說法正確的是()A．在粗硅的制取中發(fā)生反應2C＋SiO2eq\o(=,\s\up10(高溫))2CO↑＋Si，硅被還原，所以碳的還原性大于硅的B．硅酸鈉屬于鹽，不屬于堿，所以硅酸鈉可以保存在帶磨口玻璃塞的試劑瓶中C．用SiO2制取硅酸，應先使二氧化硅與氫氧化鈉溶液反應，然后通入CO2D．由Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up10(高溫))CO2↑＋Na2SiO3可知，硅酸的酸性大于碳酸的C[Si的還原性比C的強，但能發(fā)生反應2C＋SiO2eq\o(=,\s\up10(高溫))2CO↑＋Si，H2CO3的酸性比H2SiO3的強，但能發(fā)生反應Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up10(高溫))CO2↑＋Na2SiO3，原因是這兩個反應均在高溫下進行，且產(chǎn)物中均有氣體生成，氣體從反應體系中逸出，有利于反應的進行，A、D項錯誤；不能用帶磨口玻璃塞的試劑瓶盛放Na2SiO3溶液，因為Na2SiO3溶液本身是一種黏合劑，B項錯誤；SiO2不能與水直接反應，所以制取硅酸可用可溶性硅酸鹽與CO2或鹽酸反應：Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓、Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓，C項正確。]2．下列關于SiO2和CO2的敘述正確的是()A．兩者都是酸性氧化物，故均不與酸反應B．兩者都可以與NaOH溶液反應C．兩者熔、沸點均較低D．兩者都能與水反應生成對應的酸且碳酸的酸性強于硅酸B[SiO2能與氫氟酸反應生成四氟化硅和水，故A錯誤；SiO2和CO2都是酸性氧化物，都能與NaOH溶液反應，故B正確；CO2熔、沸點較低，SiO2熔、沸點較高，故C錯誤；二氧化硅不溶于水，不能與水反應，故D錯誤。]3．(素養(yǎng)題)多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅的主要原料。已知多晶硅第三代工業(yè)制取流程如圖所示；下列說法錯誤的是()A．Y可能是H2B．制取粗硅的過程中焦炭與石英會發(fā)生副反應生成碳化硅，在該副反應中，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為1∶1C．SiHCl3中硅元素的化合價為＋4價D．Y與SiHCl3制備多晶硅的反應屬于置換反應B[Y能夠還原SiHCl3為硅單質(zhì)，則Y可能是H2，A正確；制取粗硅的過程中焦炭與石英會發(fā)生副反應生成SiC：3C＋SiO2eq\o(=,\s\up10(高溫))SiC＋2CO↑，在該反應中碳既是氧化劑，又是還原劑，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為1∶2，B錯誤；SiHCl3中H是－1價，Cl是－1價，則Si的化合價為＋4價，C正確；H2與SiHCl3制備多晶硅的反應：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up10(1100℃))Si＋3HCl，屬于置換反應，D正確。]常見無機物的轉化及應用歸納1．鈉及其化合物2．鐵及其化合物3．鋁及其化合物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四種常見物質(zhì)含有同一種元素，其中E是一種強酸，在一定條件下，它們有如圖所示轉化關系。下列推斷不合理的是()A．X可能是一種氫化物B．Y不可能轉化為XC．Y可能直接轉化為ED．若X是單質(zhì)，則X轉化為Y的反應可能是化合反應B[X是一種氫化物時，X可以是NH3，則Y是NO、Z是NO2、E是HNO3，X還可以是H2S，則Y是SO2、Z是SO3、E是H2SO4，A項合理；如果X是S，Y是SO2，Z是SO3，E是H2SO4，則SO2＋2H2S=3S＋2H2O，B項不合理；如果X是S，Y是SO2，Z是SO3，E是H2SO4，則SO2＋H2O2=H2SO4，C項合理；若X是N2、Y是NO、Z是NO2、E是HNO3，則N2＋O2eq\o(=,\s\up12(放電))2NO，D項合理。]5．下列各組物質(zhì)中，滿足表中圖示物質(zhì)在一定條件下一步轉化關系的組合有()序號XYZW①SiNa2SiO3H2SiO3SiO2②NaNaOHNa2CO3NaCl③Cl2Ca(ClO)2HClOHCl④FeFeCl3FeCl2Fe(OH)2A．①②③B．①③④C．只有②③D．②③④A[①Si溶于NaOH溶液可得到Na2SiO3，向Na2SiO3溶液中滴加稀鹽酸可得到H2SiO3，H2SiO3受熱分解生成SiO2，SiO2與C在高溫下反應可得到Si，①正確；②Na與H2O反應生成NaOH，NaOH與少量CO2反應生成Na2CO3、Na2CO3與稀鹽酸反應生成NaCl，NaCl在熔融條件下電解生成Na，②正確；③Cl2與石灰乳反應生成Ca(ClO)2，Ca(ClO)2與稀鹽酸反應生成HClO，HClO在光照條件下分解生成HCl，電解HCl溶液可得到Cl2，③正確；④Fe與Cl2反應生成FeCl3，F(xiàn)eCl3與Fe反應生成FeCl2，F(xiàn)eCl2與氫氧化鈉溶液反應生成Fe(OH)2，由Fe(OH)2通過一步反應得不到Fe，④錯誤。A項符合題意。]6．如圖是利用二氧化硅制備硅及其化合物的流程，下列說法正確的是()A．SiO2屬于兩性氧化物B．酸性：H2SiO3>H2CO3C．硅膠吸水后可重復再生D．圖中所示轉化反應都是氧化還原反應C[SiO2不與除HF之外的酸反應，SiO2是酸性氧化物，不屬于兩性氧化物，A項錯誤；由Na2SiO3、CO2和H2O反應生成H2SiO3可知，H2CO3酸性強于H2SiO3，B項錯誤；硅膠吸水后再經(jīng)加熱除水即可以重復使用，C項正確；圖中有的轉化反應不是氧化還原反應，如SiO2與NaOH溶液的反應等，D項錯誤。]1．下列關于無機非金屬材料的說法中正確的是()A．傳統(tǒng)無機非金屬材料是指：光導纖維、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料B．新型無機非金屬材料雖然克服了傳統(tǒng)無機非金屬材料的缺點，但強度比較差C．高溫結構材料具有耐高溫、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損、密度小等優(yōu)點D．傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽[答案]C2．下列關于硅酸鹽材料的說法錯誤的是()A．生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、水泥、陶瓷B．生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土C．普通玻璃的主要成分只有SiO2D．普通硅酸鹽水泥的生產(chǎn)以石灰石和黏土為主要原料C[普通玻璃的主要成分為硅酸鈣、硅酸鈉和二氧化硅，C項錯誤。]3．硅是組成無機非金屬材料的一種主要元素，下列有關硅的化合物的敘述錯誤的是()A．氮化硅陶瓷是一種新型無機非金屬材料，其化學式為Si3N4B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔點高，可用于制作高溫結構陶瓷和軸承C．光導纖維是一種新型無機非金屬材料，其主要成分為SiD．氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)和二氧化鋯(ZrO2)都可用作制高溫結構陶瓷的材料C[光導纖維的主要成分是二氧化硅，屬于新型無機非金屬材料，C項錯誤。]4．下列反應不能一步完成的是()A．SiO2→Na2SiO3 B．SiO2→H2SiO3C．Na2SiO3→H2SiO3 D．H2SiO3→SiO2B[二氧化硅可與氫氧化鈉直接反應生成硅酸鈉；Na2SiO3溶液中通入CO2或加入鹽酸都可以生成H2SiO3；硅酸可直接加熱分解生成二氧化硅，故只有B符合題意。]5．(素養(yǎng)題)用SiHCl3與過量H2反應制備純硅的裝置如圖(熱源及夾持裝置已略去)：(1)裝置B中的試劑是________，裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是________________________。(2)反應一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是__________________________________________________________，裝置D中發(fā)生反應的化學方程式為___________________________。(3)為保證制備純硅實驗的成功，操作的關鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度以及________________________________。(4)為鑒定產(chǎn)品硅中是否含微量鐵單質(zhì)，將試樣用稀鹽酸溶解，取上層清液后需再加入的試劑是________(填字母)。a．碘水b．氯水c．NaOH溶液d．KSCN溶液e．Na2SO3溶液[解析](1)為防止SiHCl3與H2O強烈反應，需要干燥劑干燥氫氣，濃硫酸具有吸水性且不和氫氣反應，所