5-3-无机非金属材料(原卷版).docx

第五章 化工生产中的重要非金属元素
第三节 无机非金属材料
学习目标
核心素养
科学探究与创新意识
了解硅元素及其化合物在自然界的存在，知道晶体硅是良好的半导体材料，能说出它的主要用途；了解硅酸盐的组成，学会用氧化物的形式表示复杂硅酸盐的方法，知道硅酸钠的性质和用途。
科学态度与社会责任
玻璃、水泥和陶瓷是硅酸盐制品以及生产它们的主要原料。
预习导学
一、硅酸盐材料

原料
设备
1
陶瓷
－

2
玻璃

3
水泥

二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
（1）硅在自然界以 和 的形式存在，单质硅导电性介于 与 之间，是良好的 材料。
（2）粗硅的制取：_____________________。
（3）高纯度硅的制取：第一步：工业上是用硅石（SiO2）和焦炭以一定比例混合，在电炉中加热至1800~2000℃而制得纯度为95%~99%的粗硅；第二步：三氯氢硅的合成，三氯氢硅是由干燥的氯化氢气体和粗硅粉在合成炉中（,300℃）进行合成的。第三步：提纯三氯氢硅和高纯氢混合后，通入1100℃还原炉内进行反应，即可得到硅。
涉及的方程式分别为：______________________、_____________________、
________________
（4）高纯硅广泛用于______和______等领域；二氧化硅可用于生产_____________。
2、新型陶瓷
（1）新型陶瓷在 、 、 、 等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。
（2）碳化硅俗称 ，其中的碳原子和硅原子通过 键连接，具有类似于金刚石的结构，硬度 ，可用作 的磨料。碳化硅具有优异的 性能，使用温度可达到1600℃，大大超过了普通金属所能承受的温度，可以用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3、碳纳米材料
（1）碳纳米材料是一类新型无机非金属材料，主要包括 、 、 等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
（2）富勒烯是由碳原子的构成的一系列笼型分子的总称，其中的 是富勒烯的代表物。
（3）石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，他的特点是 、 ，具有很高的强度。
重难突破
重点1 单质硅、二氧化硅及其硅酸盐的性质
1．硅的化学性质：常温下，硅的化学性质不活泼。加热时可与一些非金属及其他物质反应。
(1)常温下，除能与氟气、氢氟酸和强碱反应外，硅不与氧气、氯气、硫酸、硝酸、盐酸等其他物质发生反应。
①与氟气反应：Si＋2F2=SiF4；
②与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；
③与NaOH溶液反应：
Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。
(2)加热时，硅能与氧气、氯气等反应，也能与碳反应

（3）硅的制备
硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个阶段：

2.CO2和SiO2的比较

物质
二氧化碳
二氧化硅
主要物理性质
熔沸点
低
高
溶解性
可溶
不溶
化
学
性
质
与水反应
CO2+H2OH2CO3
不反应
与酸反应
不反应
SiO2+4HF=SiF4↑+2 H2O
与碱反应（NaOH）
CO2+2NaOH=Na2CO3H2O或CO2+NaOH=NaHCO3
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞
与盐的反应
CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3
SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+ CO2↑
与碱性氧化物的反应
与Na2O反应：CO2+Na2O= Na2CO3
与CaO的反应：SiO2+CaO=CaSiO3
3. 硅、二氧化硅、硅酸、硅酸盐的特殊性质
物质
一般规律
硅及其化合物的特性
Si
硅的还原性大于碳
2C＋SiO2 Si＋2CO↑
非金属单质与强碱溶液反应一般不产生H2
硅可与强碱溶液反应产生H2
非金属一般不与非氧化性酸反应
Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑
非金属单质一般为绝缘体
硅为半导体，常用于电子部件
SiO2

酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸
SiO2不溶于水，也不与水反应
酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一个规律，H2CO3的酸性大于H2SiO3
但以下反应不符合此规律
Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑
H2SiO3
无机酸一般易溶于水
硅酸和原硅酸均难溶于水
硅酸盐
大多数硅酸盐难溶于水
常见的可溶性硅酸盐为Na2SiO3，水溶液称水玻璃、泡花碱
【例1】下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是(　　)
A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐
B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸
C．CO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物
D．CO2和SiO2物理性质不同，但化学性质一样
重点2 硅酸与碳酸的对比
1．硅酸
二氧化硅对应的水化物是硅酸。
(1)性质
①硅酸为白色固体，难溶于水。
②酸性极弱，比碳酸还弱，不能使指示剂发生变色，只能与强碱反应，例如：
H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O
③硅酸不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为：
H2SiO3SiO2+H2O
(2)制备
由于二氧化硅不能与水化合，所以制备硅酸时只能使用间接的方法，如向Na2SiO3溶液中滴加盐酸或通入CO2气体等，利用的原理都是：强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐。如：CO2＋Na2SiO3＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3
2．碳酸
二氧化碳对应的水化物是碳酸(H2CO3)，碳酸的酸性很弱(但比H2SiO3强)，且很不稳定。
H2CO3=H2O＋CO2↑
因此，有关碳酸的化学反应通常用二氧化碳和水来代替。

【例2】为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。请据此回答：

(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。
(2)装置B所盛的试剂是_____________，
其作用是_____________________________。
(3)装置C所盛试剂是______________， C中反应的离子方程式是___________________。
(4)由此得到的结论是：酸性：____＞____＞____。
重点3 硅酸盐及其组成的表示
1．硅酸盐
由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
2．硅酸钠：硅酸钠水溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂耐火材料。
3．硅酸盐常用的表示法——氧化物法
硅酸盐通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为：（1）氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。（2）氧化物之间以“·”隔开。（3）氧化物前的化学计量数配置原则：各元素原子总个数比符合原来的组成。（4）化学计量数配置出现分数时应化为整数。
例如：高岭土：Al2O3·2SiO2·2H2O
石棉：CaO·3MgO·4SiO2
沸石：Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O
云母：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
滑石：3MgO·4SiO2·H2O
长石：K2O·Al2O3·6SiO2
（长石KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2）。
【例3汉代器物上的颜料“汉紫”至今尚没有发现其自然存在的记载。20世纪80年代科学家进行超导材料研究时，偶然发现其成分为紫色的硅酸铜钡(化学式：BaCuSi2Ox，Cu为＋2价)，下列有关“汉紫”的说法中不正确是(　　)
A．用盐的形式表示：BaSiO3·CuSiO3
B．用氧化物形式表示：BaO·CuO·2SiO2
C．易溶于强酸、强碱
D．性质稳定，不易褪色
课堂演练
1.我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是(　　)
A．晶体硅和金刚石的物理性质相似
B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵
D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电
2．下列说法正确的是(　　)
A．硅材料广泛应用于光纤通讯
B．工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
C．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品
D．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
3.①水泥路　②门窗玻璃　③水晶镜片　④石英钟表　⑤玛瑙手镯　⑥硅太阳能电池　⑦光导纤维　⑧计算机芯片，所用材料为SiO2或要用到SiO2的是(　　)
A．⑥⑧ B．①②⑦⑧
C．①②③④⑤⑦ D．全部
4. 下列叙述正确的是(　　)
A．Na2SiO3是硅酸盐，所以不溶于水
B．电影银幕用水玻璃浸泡，主要是为了防腐
C．建筑工业常用水玻璃作粘合剂
D．用水玻璃浸泡铁道的木制枕木，主要是为了防火
5.下列含硅物质：①硅酸钙CaSiO3，②长石KAlSi3O6，③石棉CaMg3Si4O12，它们在组成上的相同点是_____________________________，共同的物质类别是_它们种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，如硅酸钙CaSiO3可表示为CaO·SiO2，长石表示为_____________________，石棉表示为________________________。
课后学习评价
基础巩固
1. 下列关于碳和硅的比较，正确的是(　　)
A．它们的氧化物都能与水反应生成对应的酸
B．碳和硅的最高正价都是＋4价
C．硅元素在地壳中的含量占第二位，碳占第一位
D．碳和硅在自然界中的存在形式都是既有游离态也有化合态
2. 据《参考消息》报道，有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是(　　)
A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料
B．自然界中存在大量单质硅
C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制
D．自然界中硅的贮量丰富
3．（双选）下列离子方程式书写不正确的是(　　)
A．往NaOH溶液中通入少量CO2：
CO2＋OH－=HCO3－
B．H2SiO3与NaOH溶液混合：
2OH－＋H2SiO3=2H2O＋SiO32－
C．石英砂与烧碱反应制水玻璃：
SiO2＋2OH－=SiO32－＋H2O
D．往水玻璃中通入二氧化碳：
Na2SiO3＋H2O＋CO2=H2SiO3↓＋2Na＋＋CO32－
4．材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是(　　)
选项
材　料
主要化学成分
A
刚玉、金刚石
三氧化二铝
B
大理石、石灰石
碳酸钙
C
普通水泥、普通玻璃
硅酸盐
D
沙子、石英
二氧化硅
5.用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是(　　)
A．钙沸石[CaAl2Si3O10·3H2O]，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O
B．镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO·SiO2
C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2
D．滑石(Mg3H2Si4O12)表示为3MgO·4SiO2·H2O
6．在制玻璃、制水泥两种工业生产中，都需要原料(　　)
A．纯碱 B．石灰石
C．石英 D．黏土
7. 开发新材料是现代科技发展的方向之一。下列有关材料的说法正确的是(　　)
A．氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料
B．C60属于原子晶体，用于制造纳米材料
C．纤维素乙酸酯属于天然高分子材料
D．单晶硅常用于制造光导纤维
8. 北京奥运金牌“金玉合璧”(如图)上的环形玉是产自新疆的和田玉，和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐。某种和田玉的化学成分为Ca2Mg3Fe2(Si4O11)2(OH)2，下列有关叙述中正确的是(　　)

A．将该和田玉的化学式改写成氧化物的形式可表示如下：2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2O
B．该和田玉能抵抗任何酸或碱的腐蚀
C．该和田玉中Fe的化合价为＋2
D．该和田玉是由5种氧化物组成的混合物
9. 指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～D选项中选择正确答案填 入括号内。
①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(　　)
②SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑(　　)
③SiO2＋2CSi＋2CO↑(　　)
④SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(　　)
A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀
B．弱氧化性
C．酸性氧化物的通性
D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来
10. 在下图所示的物质相互转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色不溶于水 的物质。据此填空。

(1)写出各物质的化学式：
A_______、B______、C______、D_______、E________、F________。
(2)B与a溶液反应的离子方程式是________________________。
(3)A与a溶液反应的离子方程式是___________________________。
提升演练
11、硅单质和碳单质及相应氧化物、氢化物、盐在性质上有很多相似的地方。如它们的最高价氧化物都是酸性氧化物，都能与碱反应生成盐和水，都能和碱性氧化物(如CaO)反应生成盐等；它们的氢化物都能燃烧生成对应的氧化物和水。把河沙(主要成分是SiO2)跟镁粉按一定质量比(稍大于15∶24)混合均匀，装入试管中加热大约1分钟后发生剧烈反应，生成一种白色固体化合物和一种硅化物。待生成的混合物冷却后放入盛有稀硫酸的烧杯中，立即产生气泡并伴有爆炸声，产生的气体是一种能在空气中自燃的气态氢化物。
(1)写出河沙与镁粉在加热条件下反应的化学方程式：____________________，该 反应是________反应(填“放热”或“吸热”)。
(2)生成的混合物放入稀硫酸中，产生的气体是(填化学式)________。
(3)写出产生“爆炸声”的化学方程式：_______________________________________。
12、已知A、B、C三种元素均为短周期元素，它们的原子序数关系为C>B>A。A元素原子的最外层电子数是次外层电子数的2倍，B和C可 形成BC4型化合物。用化学符号填空：
(1)三种元素中A是_____________，B是____________，C是____________。
(2)A、B、C的最高价氧化物对应的水化物分别是________、________、________， 在这些水化物中，酸性最弱的是________。
(3)已知BC4不能在空气中燃烧，理由是 _____________________________________。
(4)用离子方程式表示出用B的氧化物制得B的氧化物对应水化物的原理 ________________________。