第06講-無(wú)機(jī)非金屬材料(教師版)

第06講無(wú)機(jī)非金屬材料第06講無(wú)機(jī)非金屬材料知識(shí)導(dǎo)航知識(shí)導(dǎo)航知識(shí)預(yù)習(xí)知識(shí)預(yù)習(xí)一、硅酸鹽的概念、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1．概念：由硅元素、氧元素和金屬元素組成的化合物。2．結(jié)構(gòu)：在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體。每個(gè)Si結(jié)合4個(gè)O，Si在中心，O在四面體的4個(gè)頂角；許多這樣的四面體還可以通過(guò)頂角的O相互連接，每個(gè)O為兩個(gè)四面體所共有，與2個(gè)Si相結(jié)合。3．特點(diǎn)：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)。二、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥陶瓷玻璃水泥主要原料黏土（主要成分為含水的鋁硅酸鹽）純堿、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2）黏土、石灰石主要成分Al2O3·2SiO2·2H2ONa2CO3、CaCO3、SiO2硅酸二鈣、鋁酸三鈣等反應(yīng)原理高溫?zé)Y(jié)而成高溫下發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化用途建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等建筑材料、光學(xué)儀器和各種器皿、制造玻璃纖維用于高強(qiáng)度復(fù)合材料等制混凝土，大量用于建筑和水利工程制取玻璃的反應(yīng)方程式為:____________________________________________________________________?！敬鸢浮縎iO2+Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3+CO2↑三、硅單質(zhì)的物理性質(zhì)與用途1．物理性質(zhì)：硅單質(zhì)是帶有金屬光澤的灰黑色固體，其結(jié)構(gòu)與金剛石類(lèi)似，為空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以晶體硅的硬度大、熔點(diǎn)高。2．用途：硅在元素周期表中處于金屬與非金屬的交界處，晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，是一種良好的_________材料，因此晶體硅常用于制作集成電路板（硅芯片）和太陽(yáng)能電池極板?！敬鸢浮堪雽?dǎo)體四、硅的制備制備原理用焦炭還原石英砂，得到含少量雜質(zhì)的粗硅，然后轉(zhuǎn)化為三氯硅烷，再經(jīng)氫氣還原。制備流程反應(yīng)方程式【答案】SiO2+2Ceq\o(=,\s\up7(1800~2000℃))Si+2CO↑Si+3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3+H2SiHCl3+H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si+3HCl五、新型無(wú)機(jī)非金屬材料1.硅和二氧化硅（1）硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，是應(yīng)用最為廣泛的___________材料，可以制成計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器等的芯片，以及光伏電站、人造衛(wèi)星和電動(dòng)汽車(chē)等的硅太陽(yáng)能電池。（2）二氧化硅可用來(lái)生產(chǎn)___________。光導(dǎo)纖維的通信容量大，抗干擾性能好，傳輸?shù)男盘?hào)不易衰減，能有效提高通信效率?！敬鸢浮堪雽?dǎo)體光導(dǎo)纖維2.新型陶瓷（1）新型陶瓷不限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，如碳化硅（SiC）、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、壓電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面具有很多新的特性和功能，進(jìn)一步拓展了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。（2）碳化硅（SiC）俗稱(chēng)金剛砂，其中的碳原子和硅原子通過(guò)共價(jià)鍵連接，具有類(lèi)似金剛石的結(jié)構(gòu)，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，使用溫度可達(dá)1600℃，大大超過(guò)了普通金屬材料所能承受的溫度，可用作耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料等。3.碳鈉米材料碳納米材料是近年來(lái)人們十分關(guān)注的一類(lèi)新型無(wú)機(jī)非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。富勒烯碳納米管石墨烯由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱(chēng)，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的發(fā)現(xiàn)為納米科學(xué)提供了重要的研究對(duì)象，開(kāi)啟了碳納米材料研究和應(yīng)用的新時(shí)代。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，有相當(dāng)高的強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能，可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等。只有一個(gè)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。其在光電器件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料等方面的應(yīng)用研究正在不斷深入。對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練題型一：硅酸鹽材料（傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料）【變1-2】制玻璃和水泥的共同的原料是()A．二氧化硅 B．碳酸鈉 C．碳酸鈣 D．硅酸鈉【答案】C【分析】水泥的原料是粘土和石灰石，玻璃的原料是純堿、石灰石和石英，所以原料中均有石灰石即碳酸鈣，據(jù)此分析解答?！驹斀狻可a(chǎn)玻璃的原料是純堿、石灰石和石英，高溫下，碳酸鈉、碳酸鈣和二氧化硅反應(yīng)分別生成硅酸鈉、硅酸鈣；生產(chǎn)水泥以黏土和石灰石為主要原料，經(jīng)研磨、混合后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，再加入適量石膏，并研成細(xì)粉就得到普通水泥；所以在玻璃工業(yè)、水泥工業(yè)中都用到的原料是石灰石即碳酸鈣。故選C?！咀?-4】《天工開(kāi)物》記載：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，擇取無(wú)沙黏土而為之”“凡坯既成，干燥之后，則堆積窖中燃薪舉火”“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色)，與造磚同法”。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．“燃薪舉火”使黏土發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化 B．沙子和黏土的主要成分為硅酸鹽C．燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦 D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料【答案】B【詳解】A．黏土燒制成瓦的過(guò)程中發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，故A正確。B．沙子的主要成分為二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不屬于硅酸鹽，故B錯(cuò)誤。C．由“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色)，與造磚同法”可知，故C正確。D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料，故D正確。故選B。題型二：硅、二氧化硅【變2】下列敘述錯(cuò)誤的是A．硅在自然界中主要以單質(zhì)形式存在 B．硅是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料C．高純度的硅可用于制造計(jì)算機(jī)芯片 D．二氧化硅可用于生產(chǎn)玻璃【答案】A【詳解】A．硅在自然界中主要以二氧化硅、硅酸鹽形式存在，自然界沒(méi)有游離態(tài)的硅，A錯(cuò)誤；B．硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，良好的半導(dǎo)體材料，是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，B正確；C．硅是良好的半導(dǎo)體材料，高純度的硅可用于制造計(jì)算機(jī)芯片，C正確；D．二氧化硅、純堿和石灰石可用于生產(chǎn)玻璃，D正確；答案選A?！咀?】二氧化硅是一種化工原料，可以制備一系列物質(zhì)。下列說(shuō)法正確的是（）A．圖中所有反應(yīng)都不屬于氧化還原反應(yīng)B．硅酸鹽的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常用于制造光導(dǎo)纖維C．可用鹽酸除去石英砂(主要成分為SiO2)中少量的碳酸鈣D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點(diǎn)很高【答案】C【詳解】A.化學(xué)反應(yīng)前后有元素化合價(jià)變化的一定是氧化還原反應(yīng)，二氧化硅與碳反應(yīng)生成硅單質(zhì)的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，故A錯(cuò)誤；B.光導(dǎo)纖維的成分是二氧化硅，不是硅酸鹽，故B錯(cuò)誤；C.碳酸鈣溶于鹽酸生成氯化鈣和水以及二氧化碳，二氧化硅和鹽酸不反應(yīng)，可以用鹽酸除去石英(主要成分為SiO2)中混有的少量碳酸鈣，故C正確；D.玻璃是由純堿、石灰石和石英制成的，玻璃屬于混合物，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，故D錯(cuò)誤；故選：C。【例4】氫氟酸是HF的水溶液，可與發(fā)生反應(yīng)生成和。請(qǐng)寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式______。想一想為什么可以用氫氟酸溶蝕玻璃生產(chǎn)磨砂玻璃_________?！敬鸢浮坎ＡУ闹饕煞种粸槎趸?，而二氧化硅能與氫氟酸反應(yīng)【詳解】氫氟酸與發(fā)生反應(yīng)生成和，化學(xué)方程式：；用氫氟酸溶蝕玻璃生產(chǎn)磨砂玻璃是因?yàn)椴ＡУ闹饕煞种粸槎趸瑁趸枘芘c氫氟酸反應(yīng)，故答案為：；玻璃的主要成分之一為二氧化硅，而二氧化硅能與氫氟酸反應(yīng)。題型三：高純硅的制備【變5-1】習(xí)主席在2020年新年賀詞中強(qiáng)調(diào)“5G商用加速推出，凝結(jié)著新時(shí)代奮斗者的心血和汗水，彰顯了不同凡響的中國(guó)風(fēng)采、中國(guó)力量”，制造芯片用到高純硅，用SiHCl3與過(guò)量H2在1100～1200℃反應(yīng)制備高純硅的裝置如下圖所示（熱源及夾持裝置略去）。已知：SiHCl3遇水H2O強(qiáng)烈水解，在空氣中易自燃。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A．裝置B中的試劑是濃硫酸B．實(shí)驗(yàn)時(shí)先打開(kāi)裝置C中分液漏斗的旋塞C．裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是使滴入燒瓶中的SiHCl3氣化D．裝置D不能采用普通玻璃管的原因是在反應(yīng)溫度下，普通玻璃管會(huì)軟化【答案】B【詳解】A．SiHCl3遇水H2O強(qiáng)烈水解，所以H2應(yīng)干燥，故裝置B中的試劑是濃硫酸，A正確；B．SiHCl3在空氣中易自燃，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)排盡裝置內(nèi)的空氣，所以應(yīng)先通H2，后打開(kāi)裝置C中分液漏斗的旋塞，B錯(cuò)誤；C．SiHCl3呈液態(tài)，需轉(zhuǎn)化為蒸氣進(jìn)入石英管中與H2反應(yīng)，所以裝置C中的燒瓶需要加熱，C正確；D．制高純硅時(shí)，溫度在1100～1200℃，所以D不能采用普通玻璃管，D正確；故選B。題型四：新型無(wú)機(jī)非金屬材料【變6-1】石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它是一種透明、良好的導(dǎo)體；石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)（如圖所示）的一種碳單質(zhì)新材料，它是構(gòu)建富勒烯、碳納米管的基本單元。利用石墨烯可制造晶體管、太陽(yáng)能電池板等。下列有關(guān)石墨烯的說(shuō)法不正確的是（）A．石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能B．石墨烯是一種新型的無(wú)機(jī)非金屬材料C．石墨烯與富勒烯的結(jié)構(gòu)相同D．石墨烯、富勒烯、碳納米管都是由碳元素組成的【答案】C【詳解】A．石墨烯具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，故A不符合題意；B．石墨烯是新型的無(wú)機(jī)非金屬材料，故B不符合題意；C．石墨烯為單層結(jié)構(gòu)，而富勒烯為球環(huán)狀結(jié)構(gòu)，故C符合題意；D．石墨烯、富勒烯、碳納米管都是碳元素的單質(zhì)，互為同素異形體，故D不符合題意；故選C。提分作業(yè)提分作業(yè)【練1】我國(guó)已跨入“互聯(lián)網(wǎng)＋”時(shí)代，而“互聯(lián)網(wǎng)＋”的建設(shè)離不開(kāi)無(wú)機(jī)非金屬材料硅。下列物品中用到硅單質(zhì)的是（）A．計(jì)算機(jī)芯片 B．陶瓷餐具 C．石英鐘表 D．光導(dǎo)纖維【答案】A【詳解】A．硅單質(zhì)是半導(dǎo)體材料，可以制計(jì)算機(jī)芯片，故A正確；B．陶瓷餐具是硅酸鹽產(chǎn)品，主要成分為硅酸鹽，故B錯(cuò)誤；C．石英主要成分為二氧化硅，不是單質(zhì)硅，故C錯(cuò)誤；D．光導(dǎo)纖維成分為二氧化硅，是硅的氧化物，不是單質(zhì)硅，故D錯(cuò)誤；故答案選A?！揪?】唐三彩、秦兵馬俑制品的主要材料在成分上屬于（）A．氧化鋁 B．二氧化硅 C．硅酸鹽 D．合金【答案】C【詳解】唐三彩、秦兵馬俑制品由粘土經(jīng)高溫灼燒而成，屬于硅酸鹽產(chǎn)品。故選C?！揪?】玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（）A．玻璃是人類(lèi)最早使用的硅酸鹽制品B．制造水泥的主要原料為純堿、石灰石和石英C．硅酸鹽制品的性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)較高D．制造水泥的過(guò)程中只發(fā)生了物理變化【答案】C【詳解】A．陶器是人類(lèi)最早使用的硅酸鹽制品，A錯(cuò)誤；B．制造水泥的主要原料為黏土和石灰石，B錯(cuò)誤；C．硅酸鹽制品的性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)較高，C正確；D．制造水泥的過(guò)程中發(fā)生了復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化，D錯(cuò)誤；故答案選C?！揪?】碳納米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有廣闊的應(yīng)用前景。下列說(shuō)法正確的是A．碳納米管屬于膠體B．石墨烯屬于有機(jī)化合物C．C60與金剛石互為同素異形體D．均具有相同的熔點(diǎn)【答案】C【詳解】A.碳納米管是一種一維納米材料，與膠粒直徑吻合，需要分散到分散劑中才能形成膠體，故A錯(cuò)誤；B.石墨烯是由石墨剝離出的單層碳原子結(jié)構(gòu)的單質(zhì)，不屬于有機(jī)化合物，故B錯(cuò)誤；C.富勒烯與金剛石同屬于碳的單質(zhì)，互為同素異形體，故C正確；D.不同的新型碳材料因結(jié)構(gòu)不同應(yīng)具有不同的熔點(diǎn)，故D錯(cuò)誤。答案：C。【點(diǎn)睛】根據(jù)物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)的原則，對(duì)富勒烯、石墨烯、碳納米管等組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷，在根據(jù)物質(zhì)分類(lèi)、物理性質(zhì)、膠體概念、同素異形體進(jìn)行相關(guān)選項(xiàng)的判斷?！揪?】下列物品或設(shè)施：①陶瓷餐具②磚瓦③混凝土橋墩④門(mén)窗玻璃⑤水晶鏡片⑥石英鐘⑦水晶項(xiàng)鏈⑧硅太陽(yáng)能電池⑨光導(dǎo)纖維⑩計(jì)算機(jī)芯片（1）使用了硅單質(zhì)的是___________(填序號(hào)，下同)。（2）使用了二氧化硅的是___________。（3）使用了硅酸鹽材料的是___________。【答案】（1）⑧⑩（2）④⑤⑥⑦⑨（3）①②③④【解析】（1）硅為良好的半導(dǎo)體材料，可用于制太陽(yáng)能，計(jì)算機(jī)芯片，即⑧硅太陽(yáng)能電池；⑩計(jì)算機(jī)芯片；故答案為：⑧⑩；（2）所用材料為SiO2或要用到SiO2的是：④門(mén)窗玻璃（原料有二氧化硅、成分含有二氧化硅）、⑤水晶鏡片、⑥石英鐘、⑦水晶項(xiàng)鏈、⑨光導(dǎo)纖維；故答案為：④⑤⑥⑦⑨；（3）陶瓷、磚瓦、水泥、玻璃的成分是硅酸鹽：①陶瓷餐具②磚瓦③混凝土橋墩④門(mén)窗玻璃；故答案為：①②③④?！揪?】晶體硅是信息科學(xué)和能源科學(xué)中的一種重要材料，可用于制芯片和太陽(yáng)能電池等。如圖所示流程是工業(yè)上制取純硅的一種方法。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)在上述生產(chǎn)過(guò)程中，屬于置換反應(yīng)的有______(填標(biāo)號(hào))。(2)寫(xiě)出反應(yīng)①的化學(xué)方程式：______。(3)化合物W的用途很廣，可用于制備硅膠和木材防火劑等，可作肥皂的填充劑，是天然水的軟化劑。將石英砂和純堿按一定比例混合加熱至反應(yīng)，可生成化合物W，其化學(xué)方程式是______。(4)A、B、C三種氣體在“節(jié)能減排”中作為減排目標(biāo)的一種氣體是______(填化學(xué)式)。【答案】①②③【分析】根據(jù)流程中物質(zhì)之間的反應(yīng)，利用原子和電子守恒寫(xiě)出方程式，根據(jù)置換反應(yīng)特點(diǎn)，單質(zhì)和化合物反應(yīng)生成單質(zhì)和化合物進(jìn)行判斷反應(yīng)類(lèi)型。二氧化碳是溫室效應(yīng)的主要