課程14無機(jī)非金屬材料 【寒假輔導(dǎo)班】 高中化學(xué)人教版（2019）必修第二冊 學(xué)案

課程14無機(jī)非金屬材料1.了解硅酸鹽及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)。2.了解硅和二氧化硅的性質(zhì)，認(rèn)識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機(jī)非金屬材料。3.知道硅及其化合物在材料家族中的應(yīng)用，增強(qiáng)關(guān)注社會的意識和責(zé)任感。一、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料——硅酸鹽材料1.硅酸鹽及其結(jié)構(gòu)（1）硅酸鹽的概念硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。它們種類繁多、組成各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在自然界中廣泛存在。（2）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。（3）硅酸鹽的特性：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、熔點(diǎn)高、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)。2.常見的硅酸鹽材料陶瓷普通玻璃普通水泥原料黏土純堿、石灰石、石英砂主要原料：石灰石、黏土輔助原料：適量的石膏設(shè)備—玻璃窯水泥回轉(zhuǎn)窯主要成分成分復(fù)雜硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)特點(diǎn)抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣玻璃是非晶體，稱為玻璃態(tài)物質(zhì)，無固定熔點(diǎn)，在某一溫度范圍內(nèi)軟化可加工成制品具有水硬性，與水摻和攪拌并靜置后，很容易凝固變硬用途建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿、制造玻璃纖維大量用于建筑和水利工程3.硅酸鈉(俗名泡花堿)（1）硅酸鈉易溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，具有黏結(jié)力強(qiáng)、耐高溫等特性，常用作黏合劑和防火劑。（2）硅酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其離子方程式是SiOeq\o\al(2－,3)＋2H＋=H2SiO3↓。（3）少量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中，反應(yīng)的離子方程式是SiOeq\o\al(2－,3)＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋COeq\o\al(2－,3)。二、新型無機(jī)非金屬材料1.硅和二氧化硅（1）硅的存在與性質(zhì)①硅在自然界主要以硅酸鹽和氧化物的形式存在；②單質(zhì)硅是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料；③高溫下，硅能與氧氣反應(yīng)生成SiO2，與氯氣反應(yīng)生成SiCl4。（2）工業(yè)制備高純硅的原理eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up7(1800～2000℃),\s\do5(①焦炭))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up7(300℃),\s\do5(②HCl))eq\x(SiHCl3)eq\o(→,\s\up7(1100℃),\s\do5(③H2))eq\x(高純硅)①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑；②Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl。上述反應(yīng)共同的反應(yīng)類型是氧化還原反應(yīng)(或置換反應(yīng))，反應(yīng)①中焦炭的作用是還原劑，反應(yīng)③中氫氣的作用是還原劑。（3）二氧化硅的性質(zhì)①二氧化硅硬度大、熔點(diǎn)高，不溶于水；②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；③具有氧化性：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑；④特性：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。2.新型陶瓷（1）新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷相比，在成分上有很大的變化，在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面具有很多新的特性和功能。（2）常見新型陶瓷及其用途(連線)（3）高溫結(jié)構(gòu)陶瓷——碳化硅(SiC)碳化硅俗稱金剛砂，它是由碳原子和硅原子通過共價鍵連接而形成，與金剛石的結(jié)構(gòu)類似，具有硬度大和優(yōu)異的高溫抗氧化性能。3.碳納米材料（1）富勒烯是由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是C60。（2）碳納米管是由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑。比表面積大，具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能。（3）石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度。一、單選題1．陶瓷是火與土的結(jié)晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質(zhì)與化學(xué)有著密切的關(guān)系。下列說法錯誤的是A．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氧化鐵B．聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成C．陶瓷是應(yīng)用較早的人造材料，主要化學(xué)成分是硅酸鹽D．陶瓷化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)2．有關(guān)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和光導(dǎo)纖維說法不正確的是A．高溫結(jié)構(gòu)陶瓷彌補(bǔ)了金屬材料的弱點(diǎn)，但是硬度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬材料B．氮化硅陶瓷是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，具有超硬性、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕，可用于制造火箭發(fā)動機(jī)C．光導(dǎo)纖維是一種能高質(zhì)量傳導(dǎo)光的玻璃纖維D．光導(dǎo)纖維的抗干擾性能好，不發(fā)生電輻射，通訊質(zhì)量高，能防竊聽3．下列關(guān)于水玻璃的性質(zhì)和用途的敘述中不正確的是A．水玻璃是一種礦物膠，既不燃燒也不受腐蝕B．水玻璃在建筑工業(yè)上可以作黏合劑、耐酸水泥摻料C．木材、織物浸過水玻璃后具有防腐性能且不易燃燒D．水玻璃的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中不易變質(zhì)4．下列關(guān)于硅的說法中，不正確的是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．硅的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料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)5．下列說法正確的是A．CO2和SiO2都能跟水反應(yīng)生成相應(yīng)的酸B．CO2和SiO2都不能與任何酸反應(yīng)C．CO2和SiO2都能與NaOH溶液反應(yīng)D．石英的主要成分都是SiO2，SiO2可作制太陽能電池的材料6．下列溶液的存放不能使用磨口玻璃塞的是①氫氟酸

②NaHSO4

③KNO3

④石灰水

⑤CuSO4

⑥NaOH

⑦Na2CO3A．④⑧⑦ B．①④⑥⑦ C．①③⑤ D．①④⑥7．下列說法正確的是A．因為HF與SiO2反應(yīng)，故用氫氟酸在玻璃器皿上刻蝕標(biāo)記B．下列轉(zhuǎn)化在一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)：SiO2SiCl4SiC．SiO2既能和NaOH溶液反應(yīng)，又能和氫氟酸反應(yīng)，所以是兩性氧化物D．Si和SiO2都用于制造光導(dǎo)纖維8．根據(jù)下列實驗操作、現(xiàn)象和所得到的結(jié)論均正確的是選項實驗操作和現(xiàn)象實驗結(jié)論A向Na2SiO3溶液中通入適量CO2氣體，出現(xiàn)白色沉淀H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性強(qiáng)B將稀鹽酸滴入硅酸鈉溶液中，充分振蕩，有白色沉淀產(chǎn)生非金屬性：Cl＞SiC將二氧化硅分別與氫氟酸溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，前者生成氣體，后者二氧化硅溶解二氧化硅為兩性氧化物D向溶有SO2的BaCl2溶液中通入氣體X，出現(xiàn)白色沉淀氣體X一定具有強(qiáng)氧化性A．A B．B C．C D．D9．硅是無機(jī)非金屬材料的主角，硅的氧化物和硅酸鹽約占地殼質(zhì)量的90%以上。(1)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為，工藝師常用(填物質(zhì)名稱)來雕刻玻璃。(2)工業(yè)上常利用反應(yīng)制備硅單質(zhì)，該反應(yīng)中氧化劑是。(3)根據(jù)如圖所示裝置回答以下問題。若要用此裝置證明酸性：，從以下所給物質(zhì)中選出甲同學(xué)設(shè)計的實驗所用到的物質(zhì)：①稀

②稀鹽酸

③碳酸鈣

④溶液

⑤SiO2。試劑A與C分別為、(填序號)；試管中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為。有同學(xué)認(rèn)為此實驗不能說明酸性強(qiáng)弱，你認(rèn)為原因是。10．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)上提純硅有多種路線，其中一種工藝流程示意圖及主要反應(yīng)如下：(1)工業(yè)上用石英砂和過量焦炭在電弧爐中高溫加熱生成粗硅，當(dāng)有1molC參與反應(yīng)時，該反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)是。(2)還原爐中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式為。(3)上述工藝生產(chǎn)中循環(huán)使用的物質(zhì)除Si、SiHCl3外，還有。(4)工藝師常用氫氟酸來雕刻玻璃，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為。(5)工業(yè)上可利用水玻璃和鹽酸反應(yīng)制備硅酸凝膠，進(jìn)一步脫水處理可得到硅膠，寫出水玻璃和鹽酸反應(yīng)的離子方程式：。(6)關(guān)于硅及其相關(guān)化合物的敘述正確的是。A．自然界中存在天然游離的硅單質(zhì)B．已知C與Si的最高正價都是正四價，由于CO2＋H2O=H2CO3，用類比法得知，SiO2＋H2O=H2SiO3C．Na[AlSi3O8]用氧化物形式表示為Na2O·Al2O3·6SiO2D．硅元素在金屬與非金屬的分界線處，因此具有弱導(dǎo)電性，一般可用于作為半導(dǎo)體材料E．SiO2既能和NaOH溶液反應(yīng)，又能和氫氟酸反應(yīng)，所以是兩性氧化物F．玻璃、水泥、陶瓷都是傳統(tǒng)的硅酸鹽產(chǎn)品參考答案：1．A【分析】陶瓷是以天然粘土以及各種天然礦物為主要原料經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料的各種制品。陶瓷的傳統(tǒng)概念是指所有以黏土等無機(jī)非金屬礦物為原料的人工工業(yè)產(chǎn)品?！驹斀狻緼項、氧化鐵為棕紅色固體，瓷器的青色不可能來自氧化鐵，故A錯誤；B項、秦兵馬俑是陶制品，陶制品是由粘土或含有粘土的混合物經(jīng)混煉、成形、煅燒而制成的，故B正確；C項、陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物，陶瓷的主要成分是硅酸鹽，與水泥、玻璃等同屬硅酸鹽產(chǎn)品，故C正確；D項、陶瓷的主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽的化學(xué)性質(zhì)不活潑，具有不與酸或堿反應(yīng)、抗氧化的特點(diǎn)，故D正確。故選A?！军c(diǎn)睛】本題考查物質(zhì)的性質(zhì)，側(cè)重分析與應(yīng)用能力的考查，注意化學(xué)與生活的聯(lián)系，把握物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)與用途為解答的關(guān)鍵。2．A【詳解】A．高溫結(jié)構(gòu)陶瓷屬于原子晶體，硬度大于金屬材料，故A錯誤；B．Si3N4屬于原子晶體，具有高強(qiáng)度、低密度、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，則能替代合金鋼，用于制造汽車發(fā)動機(jī)的新型耐高溫結(jié)構(gòu)材料，故B正確；C．二氧化硅晶體具有導(dǎo)光性，光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅，是一種能高質(zhì)量傳導(dǎo)光的玻璃纖維，故C正確；D．光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅，是一種能高質(zhì)量傳導(dǎo)光的玻璃纖維，抗干擾性能好，通信質(zhì)量高，并且能防竊聽，故D正確；故選：A。3．D【詳解】A.水玻璃是硅酸鈉的一種水溶液，是一種礦物膠，既不易燃燒，也不易腐蝕，故A正確；B.水玻璃在建筑工業(yè)上可以作黏合劑、耐酸水泥摻料，故B正確；C.水玻璃是硅酸鈉的一種水溶液，不燃燒，具有防腐性，故C正確；D.硅酸的酸性弱于碳酸，在空氣中發(fā)生反應(yīng)：Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(膠體)+Na2CO3，故D錯誤；答案選D。4．C【詳解】A．硅雖然外形像金屬(有金屬光澤)，但實際上屬于非金屬，故A正確；B．硅既有金屬性，又有非金屬性，其導(dǎo)電性也介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料，故B正確；C．硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑(尤其是在常溫下)，但常溫下仍能與氟氣、氫氟酸和NaOH溶液等發(fā)生反應(yīng)，故C錯誤；D．加熱至一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬發(fā)生反應(yīng)，故D正確。答案選C。5．C【詳解】A．CO2與水反應(yīng)生成碳酸，SiO2不能與水反應(yīng)，故A錯誤；B．CO2不能與任何酸反應(yīng)，SiO2與氫氟酸反應(yīng)，故B錯誤；C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，都能與NaOH溶液反應(yīng)，故C正確；D．可作制太陽能電池的材料是Si，故D錯誤。綜上所述，答案為C。6．B【詳解】①氫氟酸與二氧化硅反應(yīng)四氟化硅和水，所以HF不能盛放在玻璃瓶中，①符合題意；②NaHSO4與二氧化硅不反應(yīng)，可以防止該試劑瓶中，②不符合題意；③KNO3與二氧化硅不反應(yīng)，可以防止該試劑瓶中，③不符合題意；④石灰水中的氫氧化鈣溶液顯堿性，能和二氧化硅反應(yīng)，不能盛放在玻璃瓶中，④符合題意；⑤CuSO4與二氧化硅不反應(yīng)，可以防止該試劑瓶中，⑤不符合題意；⑥NaOH與二氧化硅反應(yīng)生成粘性的硅酸鈉，導(dǎo)致玻璃塞和試劑瓶粘結(jié)在一起而打不開，所以氫氧化鈉溶液不能盛放在帶有玻璃塞是玻璃瓶中，⑥符合題意；⑦Na2CO3水解顯堿性，與二氧化硅反應(yīng)硅酸鈉和水，所以Na2CO3不能盛放在玻璃瓶中，⑦符合題意；故選B。7．A【詳解】A．HF與SiO2反應(yīng)，SiO2+HF=SiF4+H2O，故用氫氟酸在玻璃器皿上刻蝕標(biāo)記，故A正確；B．SiO2只溶于HF，不溶于鹽酸，SiO2SiCl4的轉(zhuǎn)化過程不能實現(xiàn)，故B錯誤；C．HF與SiO2反應(yīng)體現(xiàn)的是HF的特性，SiO2與其他的酸不反應(yīng)，不是兩性氧化物，故C錯誤；D．Si單質(zhì)是良好的半導(dǎo)體材料，用于制造晶體管，SiO2用于制造光導(dǎo)纖維，故D錯誤；答案選A。8．A【詳解】A．向Na2SiO3溶液中通入適量CO2氣體，發(fā)生反應(yīng)Na2SiO3+CO2+2H2O=H2SiO3↓+Na2CO3，反應(yīng)原理為強(qiáng)酸制弱酸，則H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性強(qiáng)，A正確；B．將稀鹽酸滴入硅酸鈉溶液中，充分振蕩，有白色沉淀產(chǎn)生，則酸性HCl＞H2SiO3，HCl為無氧酸，無氧酸的酸性與非金屬性不成正比關(guān)系，則不能得出結(jié)論：非金屬性Cl＞Si，B不正確；C．將二氧化硅分別與氫氟酸溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，前者發(fā)生反應(yīng)SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O，沒有鹽生成，SiO2不表現(xiàn)出堿性，后者二氧化硅溶解表現(xiàn)出酸性，所以不能說明二氧化硅為兩性氧化物，C不正確；D．向溶有SO2的BaCl2溶液中通入氣體X，出現(xiàn)白色沉淀，此沉淀可能為BaSO3，可能為BaSO4，則氣體X可能具有強(qiáng)氧化性，也可能具有堿性(NH3)，D不正確；故選A。9．(1)氫氟酸(2)(3)①④有揮發(fā)性，也會和硅酸鈉反應(yīng)生成硅酸【詳解】（1）SiO2與NaOH反應(yīng)生成Na2SiO3，化學(xué)方程式為，SiO2能與HF反應(yīng)，工業(yè)上常用氫氟酸來雕刻玻璃。（2），該反應(yīng)中C失電子化合價從0價升高到+2價，Si得電子化合價從+4價降低到0價，因此氧化劑為SiO2。（3）稀硝酸可與碳酸鈣反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，該反應(yīng)可證明硝酸酸性強(qiáng)于碳酸，則試劑A為①稀HNO3，試劑B為③碳酸鈣，生成的二氧化碳與硅酸鈉反應(yīng)生成硅酸沉淀，可證明碳酸的酸性強(qiáng)于硅酸，則試劑C為④Na2SiO3。試管中二氧化碳與硅酸鈉反應(yīng)生成硅酸，離子方程式為。因為硝酸具有揮發(fā)性，可能是揮發(fā)出來的硝酸進(jìn)入試管C與Na2SiO3反應(yīng)生成了硅酸，故不能證明碳酸酸性強(qiáng)于硅