2024-2025學(xué)年新教材高中化學(xué)第5章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第3節(jié)無機(jī)非金屬材料學(xué)案新人教版必修第二冊

PAGE8-第三節(jié)無機(jī)非金屬材料發(fā)展目標(biāo)體系構(gòu)建1.了解硅酸鹽制品的生產(chǎn)原料及主要成分，培育“宏觀辨識與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)。2.了解新型無機(jī)非金屬材料的性質(zhì)，感受科學(xué)技術(shù)的重大應(yīng)用，培育“科學(xué)探究與科學(xué)看法”的核心素養(yǎng)。3.了解硅及其重要化合物的基本性質(zhì)，培育“宏觀辨識與改變觀念”的核心素養(yǎng)。一、硅酸鹽材料無機(jī)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，以及特別的光學(xué)、電學(xué)等性能。1．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，Si在中心，O在四面體的4個頂角；很多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接。其結(jié)構(gòu)示意圖為。2．硅酸鹽材料產(chǎn)品原料主要設(shè)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(一般)純堿、石灰石、石英砂玻璃窯Na2SiO3、CaSiO3、SiO2建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿、高強(qiáng)度復(fù)合材料等水泥石灰石、黏土、適量石膏水泥回轉(zhuǎn)窯硅酸鹽建筑和水利工程微點撥：由原料和玻璃的成分及反應(yīng)條件“熔融”，可知反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up9(高溫))Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up9(高溫))CaSiO3＋CO2↑。二、新型無機(jī)非金屬材料1．硅和二氧化硅(1)硅元素的存在與結(jié)構(gòu)存在原子結(jié)構(gòu)示意圖周期表中位置含量存在形態(tài)地殼中居其次位氧化物和硅酸鹽第三周期、第ⅣA族(2)單質(zhì)硅的制備(3)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(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)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料等。3．碳納米材料碳納米材料在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣袤的應(yīng)用前景。結(jié)構(gòu)特點應(yīng)用富勒烯由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱代表物C60開啟碳納米材料探討和應(yīng)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(fù)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(yīng)用于光電器件、超級電容器、電池和復(fù)合材料等1．推斷正誤(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(jī)非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸鹽。 ()(4)二氧化硅在電子工業(yè)中是最重要的半導(dǎo)體材料。 ()[答案](1)√(2)×(3)√(4)×2．下列關(guān)于無機(jī)非金屬材料的說法中正確的是()A．傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料是指：光導(dǎo)纖維、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料B．新型無機(jī)非金屬材料雖然克服了傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的缺點，但強(qiáng)度比較差C．高溫結(jié)構(gòu)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(jī)非金屬材料和新型無機(jī)非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽[答案]C3．中國北京曙光公司研制了第一款具有我國完全自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的高性能CPU芯片——“龍芯”1號。(1)“龍芯”1號(芯片)的主要化學(xué)成分是________。(2)在計算機(jī)長距離聯(lián)網(wǎng)運用的傳輸很快的線路中運用的材料叫________，主要化學(xué)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(dǎo)纖維二氧化硅(3)黏土硅酸鹽高純硅的制備與重要硅的化合物的性質(zhì)1．高純硅的工業(yè)制備原理流程圖2．硅及其重要化合物的主要性質(zhì)微點撥：(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(qiáng)堿溶液不能用玻璃塞試劑瓶保存，應(yīng)用橡膠塞。(3)水玻璃在空氣中變質(zhì)生成沉淀。1．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(fù)再生D．圖中所示轉(zhuǎn)化反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)C[SiO2不與除HF之外的酸反應(yīng)，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(yīng)生成H2SiO3可知，H2CO3酸性強(qiáng)于H2SiO3，B項錯誤；硅膠吸水后再經(jīng)加熱除水即可以重復(fù)運用，C項正確；圖中有的轉(zhuǎn)化反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)，如SiO2與NaOH溶液的反應(yīng)等，D項錯誤。]2．下列說法正確的是()A．SiO2熔點高、硬度大，可用于制光導(dǎo)纖維B．SiO2具有導(dǎo)電性，可用于制作光導(dǎo)纖維和光電池C．由于HF能與SiO2反應(yīng)，所以可用氫氟酸在玻璃器皿上刻蝕標(biāo)記D．在肯定條件下，SiO2eq\o(→,\s\up9(HCl（aq）))SiCl4eq\o(→,\s\up9(H2),\s\do9(高溫))Si物質(zhì)間轉(zhuǎn)化均能實現(xiàn)C[SiO2可用于制光導(dǎo)纖維不是因為它的熔點高、硬度大，也不是因為它具有導(dǎo)電性，而是由于它能夠有效地傳導(dǎo)光信號，制造光電池利用的是單質(zhì)硅的半導(dǎo)體性能，A、B錯誤；SiO2不與鹽酸反應(yīng)，D錯誤。]3．下列有關(guān)硅及其化合物的說法中正確的是()A．硅酸鈉屬于鹽，不屬于堿，所以硅酸鈉可以保存在帶有磨口玻璃塞的試劑瓶中B．氫氟酸可用帶橡膠塞的玻璃試劑瓶保存C．一般玻璃、石英玻璃、水泥等均屬于硅酸鹽材料D．水玻璃在空氣中變質(zhì)生成H2SiO3沉淀D[A項，Na2SiO3溶液具有黏合性，錯誤；B項，氫氟酸與玻璃中的SiO2反應(yīng)，不能用玻璃瓶保存氫氟酸，錯誤；C項，石英玻璃不屬硅酸鹽材料，錯誤。]4．用SiHCl3與過量H2反應(yīng)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中的燒瓶須要加熱，其目的是______________________________________________________________________________________________________________________________。(2)反應(yīng)一段時間后，裝置D中視察到的現(xiàn)象是_____________________________________________________________________________________，裝置D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______________________________________________________________________________________________。(3)為保證制備純硅試驗的勝利，操作的關(guān)鍵是檢查試驗裝置的氣密性，限制好反應(yīng)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劇烈反應(yīng)，須要干燥劑干燥氫氣，濃硫酸具有吸水性且不和氫氣反應(yīng)，所以可以作干燥劑；上升溫度能使SiHCl3氣化，從而使SiHCl3和氫氣在D中反應(yīng)。(2)D中發(fā)生反應(yīng)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up9(1100℃))Si＋3HCl，Si為固態(tài)，所以看到的現(xiàn)象是有固體物質(zhì)生成。(3)Si是親氧元素，為防止Si被氧化，須要排盡裝置中的空氣。(4)向溶液中加入強(qiáng)氧化劑，然后加入KSCN溶液檢驗鐵離子，這幾種物質(zhì)中氯水具有強(qiáng)氧化性，故選bd。[答案](1)濃硫酸使滴入燒瓶中的SiHCl3氣化(2)有固體物質(zhì)生成SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up9(1100℃))Si＋3HCl(3)排盡裝置中的空氣(4)bd[素材一]1.隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，硅光芯片被廣泛提及，從概念到產(chǎn)品，它的發(fā)展速度讓人驚羨。硅光芯片作為硅光子技術(shù)中的一種，有著特別可觀的前景。硅光芯片是將硅光材料和器件通過特別工藝制造的集成電路。硅光芯片具有集成度高、成本低、傳輸線更好等特點。2．目前，利用太陽能發(fā)電主要有光伏和光熱兩種方式。光伏發(fā)電主要利用以硅為基底的太陽能電池板將光能干脆轉(zhuǎn)化為電能。而光熱發(fā)電，是通過汲取太陽光轉(zhuǎn)化為熱能，再通過發(fā)電機(jī)組將熱能轉(zhuǎn)化為電能。[素材二]2018年11月5日至7日，世界光纖光纜大會在杭州實行。本次大會以“一個光纖連接的智能世界”為主題，圍繞“全球光纖光纜供需走勢”“5G和物聯(lián)網(wǎng)帶來的需求展望”“一帶一路”倡議和“智能制造”等熱點議題綻開深化探討與溝通。[素材三]從陶瓷材料發(fā)展的歷史來看，經(jīng)驗了三次飛躍。由陶器進(jìn)入瓷器這是第一次飛躍；由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細(xì)陶瓷是其次次飛躍；精細(xì)陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級(10－6m)，用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級，用這種超微小粉體粒子來制造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延展性，有的甚至出現(xiàn)超塑性。納米陶瓷被稱為1．素材一中硅光芯片和光伏電池板主要涉及的物質(zhì)成分是什么？提示：硅單質(zhì)。2．素材二中光纜的主要制作成分是什么？該成分屬于什么物質(zhì)屬類？寫出代表其通性的化學(xué)方程式。提示：SiO2。屬于酸性氧化物。SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。3．素材三中涉及傳統(tǒng)陶瓷與新型陶瓷的優(yōu)點缺點是什么？提示：傳統(tǒng)陶瓷具有抗腐蝕性、耐高溫等優(yōu)點，但質(zhì)脆，經(jīng)不起熱沖擊。新型陶瓷除了具有傳統(tǒng)陶瓷的優(yōu)點外還有強(qiáng)度高，具有光學(xué)、電學(xué)特性和生物功能等。通過素材中對硅光芯片、光纜、傳統(tǒng)陶瓷與新型陶瓷的介紹，培育學(xué)生“宏觀辨識與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)。1．硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤。在無機(jī)非金屬材料中，硅始終扮演著主角。下面幾種物質(zhì)中含有硅單質(zhì)的是()A．瑪瑙 B．光導(dǎo)纖維C．太陽能電池 D．水晶C[瑪瑙、光導(dǎo)纖維和水晶的主要成分是SiO2，硅單質(zhì)可用來制造太陽能電池板。]2．宇航員在升空、返回或遇到緊急狀況時，必需穿上10公斤重的航天服，我國宇航員的航天服是由我國科學(xué)家研制的新型“連續(xù)纖維增韌”航空材料做成的，主要由碳化硅、陶瓷和碳纖維復(fù)合而成。下列相關(guān)敘述錯誤的是()A．它耐高溫、抗氧化B．它比鋼鐵輕，但質(zhì)地較脆C．它沒有固定熔點D．它是一種新型無機(jī)非金屬材料B[由題目信息中“連續(xù)纖維增韌”可知，該航天服的韌性很好，質(zhì)地并不是很脆，B錯誤。]3．下列反應(yīng)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干脆反應(yīng)生成硅酸鈉；Na2SiO3溶液中通入CO2或加入鹽酸都可以生成H2SiO3；硅酸可干脆加熱分解生成二氧化硅，故只有B符合題意。]4．(素養(yǎng)題)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)有著親密的關(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．著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．陶瓷具有耐高溫、耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點A[氧化鐵為紅棕色固體，瓷器的青色不行能來自氧化鐵，A錯誤；秦兵馬俑是陶制品，陶制品是由黏土或含有黏土的混合物經(jīng)混煉、成形、煅燒而制成的，B正確；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，C正確；陶瓷的主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽具有耐高溫、耐酸堿侵蝕、抗氧化等特點，D正確。]5．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)下列物質(zhì)不屬于硅酸鹽的是________。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都屬于酸性氧化物，性質(zhì)相像，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，其反應(yīng)方程式為________________。(3)用Na2SiO3水溶液浸泡過的棉花不易燃燒，說明Na2SiO3可用作________。(4)工業(yè)上常利用反應(yīng)2C＋SiO2eq\o(=,\s\up9(高溫))Si＋2CO↑制備硅單質(zhì)，該反應(yīng)中所含元素化合價上升的物質(zhì)是________________(填化學(xué)式，下同)，氧化劑是_________________________________