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1、第三节无机非金属材料第三节无机非金属材料目目标标素素养养1.能基于材料组成认识常见传统无机非金属材料的生产原料能基于材料组成认识常见传统无机非金属材料的生产原料和广泛应用。和广泛应用。2.能基于硅酸盐的结构特点认识传统无机非金属材料的性能。能基于硅酸盐的结构特点认识传统无机非金属材料的性能。3.能基于单质硅和二氧化硅的结构与性能特点认识其重要应能基于单质硅和二氧化硅的结构与性能特点认识其重要应用用,进而认识新型无机非金属材料的广泛应用。进而认识新型无机非金属材料的广泛应用。4.了解工业制备高纯硅的原理了解工业制备高纯硅的原理,掌握二氧化硅的重要化学性质。掌握二氧化硅的重要化学性质。知知识识概概
2、览览一、硅酸盐的结构、性质、用途一、硅酸盐的结构、性质、用途1.结构结构:在硅酸盐中在硅酸盐中,硅原子和氧原子构成了硅硅原子和氧原子构成了硅氧氧四面体四面体。如图所示如图所示,四面体通过顶角的氧原子彼此相连四面体通过顶角的氧原子彼此相连,每个氧原子为每个氧原子为两两个个四面体所共有。四面体所共有。2.性质性质:结构决定性质。硅酸盐的特殊结构决定了多数硅酸结构决定性质。硅酸盐的特殊结构决定了多数硅酸盐具有盐具有硬度硬度高高、熔点、熔点高高、难难溶溶于水、于水、化学性质化学性质稳定稳定、耐耐腐蚀腐蚀等特点。等特点。3.用途用途:性质决定用途。硅酸盐的性质决定了硅酸盐作为一性质决定用途。硅酸盐的性质
3、决定了硅酸盐作为一类优良的材料得到广泛应用。作为传统无机非金属材料主角类优良的材料得到广泛应用。作为传统无机非金属材料主角的三大硅酸盐材料的三大硅酸盐材料:水泥水泥、玻璃玻璃、陶瓷陶瓷。二、三种硅酸盐材料的对比二、三种硅酸盐材料的对比微微训练下列物质中下列物质中,不含有硅酸盐的是不含有硅酸盐的是()。A.玻璃玻璃B.硅芯片硅芯片C.黏土黏土D.普通水泥普通水泥答案答案:B解析解析:玻璃是常见的硅酸盐产品玻璃是常见的硅酸盐产品,普通水泥主要原料之一为普通水泥主要原料之一为黏土黏土,黏土中含有硅酸盐黏土中含有硅酸盐,而硅芯片中不含硅酸盐而硅芯片中不含硅酸盐,其含其含硅硅单质单质,硅是良好的半导体材
4、料。硅是良好的半导体材料。三三、新型无机非金属材料新型无机非金属材料1.硅和二氧化硅。硅和二氧化硅。(1)存在存在:硅在地壳中的含量居第二位。硅的原子序数是硅在地壳中的含量居第二位。硅的原子序数是14,原子结构示意图是原子结构示意图是_,硅元素位于元素周期表硅元素位于元素周期表第第三三周期第周期第A族族;硅单质的导电性介于导体与绝缘体之硅单质的导电性介于导体与绝缘体之间间,是应用最广泛的是应用最广泛的半导体半导体材料。材料。硅在自然界主要硅在自然界主要以以硅酸盐硅酸盐和和SiO2的形式存在。的形式存在。(2)主要应用主要应用。(3)高纯硅的制备高纯硅的制备。微判断微判断(1)硅元素在自然界中既
5、有化合态硅元素在自然界中既有化合态,又有游离态又有游离态。()(2)石英、水晶、玛瑙、光导纤维、沙子的主要成分都是石英、水晶、玛瑙、光导纤维、沙子的主要成分都是SiO2。()2.新型陶瓷新型陶瓷碳化硅碳化硅(SiC)。3.碳纳米材料。碳纳米材料。(1)富勒烯富勒烯:由由碳原子碳原子构成的一系列笼形分子的总称构成的一系列笼形分子的总称,其其代表物为代表物为C60。(2)碳纳米管碳纳米管:可看成可看成由由石墨石墨片层片层卷成的管状物。碳纳米管卷成的管状物。碳纳米管的比表面积大的比表面积大,强度高强度高,电学性能优良电学性能优良,可用于生产复合材料、可用于生产复合材料、电池和传感器等。电池和传感器等
6、。(3)石墨烯石墨烯:只有只有一个碳原子一个碳原子直径厚度的单层石墨直径厚度的单层石墨,其电其电阻率低、热导率高阻率低、热导率高,具有很高的强度。具有很高的强度。一一硅酸盐和传统无机非金属材料硅酸盐和传统无机非金属材料问题探究据文史记载据文史记载,玻璃在人类生活中的出现与使用已经有四千多玻璃在人类生活中的出现与使用已经有四千多年的历史年的历史,古埃及和美索不达米亚的遗址里古埃及和美索不达米亚的遗址里,都曾有小玻璃珠都曾有小玻璃珠的出土。的出土。3000多年前多年前,有人发现在火焰的作用下有人发现在火焰的作用下,矿物矿物“天然天然苏打苏打”与沙滩上的石英砂发生化学反应产生的晶体与沙滩上的石英砂发
7、生化学反应产生的晶体,就是最早就是最早的玻璃。的玻璃。(1)写出苏打和石英砂发生反应的化学方程式。写出苏打和石英砂发生反应的化学方程式。提示提示:Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2。(2)上述反应能否说明硅酸的酸性比碳酸的强上述反应能否说明硅酸的酸性比碳酸的强?提示提示:不能。不能。“强酸制弱酸强酸制弱酸”一般用于水溶液中的反应。该反一般用于水溶液中的反应。该反应由应由SiO2生成生成CO2是在高温下进行的是在高温下进行的,不是在水溶液中进行的。不是在水溶液中进行的。反应能发生是因为产物反应能发生是因为产物CO2是气态是气态,能脱离反应体系能脱离反应体系,使反应使反应向生成向生成Na
8、2SiO3的方向进行。的方向进行。重难归纳1.传统无机非金属材料。传统无机非金属材料。关于玻璃成分与性质的易错问题。关于玻璃成分与性质的易错问题。(1)制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。制得的玻璃是混合物化。制得的玻璃是混合物,没有固定的熔点。没有固定的熔点。(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。(3)氢氟酸能腐蚀玻璃氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛放。可用氢氟酸雕刻不能用玻璃瓶盛放。可用氢氟酸雕刻玻璃花纹玻璃花纹,4HF+SiO2SiF4+2H2O。2.硅酸盐。硅酸盐。(1)性质。性
9、质。多数硅酸盐难溶于水多数硅酸盐难溶于水,常见易溶于水的硅酸盐有常见易溶于水的硅酸盐有Na2SiO3、K2SiO3等。等。一般硅酸盐硬度高一般硅酸盐硬度高,耐高温耐高温,难分解。难分解。硅酸酸性弱硅酸酸性弱,且不溶于水且不溶于水,所以可溶性硅酸盐能与酸反应。所以可溶性硅酸盐能与酸反应。(2)硅酸钠。硅酸钠。物理性质物理性质:可溶于水可溶于水,水溶液俗称水溶液俗称“水玻璃水玻璃”,黏结力强黏结力强,耐高耐高温温,可用作黏合剂和防火剂。可用作黏合剂和防火剂。化学性质化学性质:能与酸反应。能与酸反应。Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3。Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2S
10、iO3。特别提醒特别提醒实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞是由于玻璃中含有二实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞是由于玻璃中含有二氧化硅氧化硅,能与碱溶液反应生成有黏性的硅酸钠能与碱溶液反应生成有黏性的硅酸钠,将瓶口和瓶塞将瓶口和瓶塞黏在一起。盛碱液的试剂瓶一般用橡胶塞黏在一起。盛碱液的试剂瓶一般用橡胶塞。典例剖析【例【例1】研究发现青花瓷瓶身上的图案所用颜料的成分大研究发现青花瓷瓶身上的图案所用颜料的成分大多为硅酸盐多为硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2O6)。下列说法不。下列说法不正确的是正确的是()。A.硅酸铜钡是一种硅酸盐硅酸铜钡是一种硅酸盐B.硅酸铜钡性质稳定
11、硅酸铜钡性质稳定,不易脱色不易脱色C.水晶、玛瑙的主要成分也是硅酸盐水晶、玛瑙的主要成分也是硅酸盐D.制造陶瓷的制造陶瓷的原料原料也可用于制造水泥也可用于制造水泥答案答案:C解析解析:硅酸铜钡属于硅酸盐硅酸铜钡属于硅酸盐,A项正确项正确;难溶于水的难溶于水的BaCuSi2O6中铜元素的化合价为中铜元素的化合价为+2价价,Cu2+不易被还原不易被还原,所以性质稳定所以性质稳定,不不容易褪色容易褪色,B项正确项正确;水晶、玛瑙的主要成分是二氧化硅水晶、玛瑙的主要成分是二氧化硅,属于属于氧化物氧化物,不属于硅酸盐不属于硅酸盐,C项错误项错误;制造水泥的原料为黏土和石制造水泥的原料为黏土和石灰石灰石,
12、制造陶瓷的原料为黏土制造陶瓷的原料为黏土,因此制造陶瓷的原料也可用于因此制造陶瓷的原料也可用于制造水泥制造水泥,D项正确。项正确。学以致用1.唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于()。A.氧化铝氧化铝 B.二氧化硅二氧化硅C.硅酸盐硅酸盐 D.合金合金答案答案:C解析解析:唐三彩、秦兵马俑制品由黏土经高温灼烧而成唐三彩、秦兵马俑制品由黏土经高温灼烧而成,属于属于硅酸盐产品。硅酸盐产品。2.下列说法正确的是下列说法正确的是()。A.制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石B.普通玻璃是电的绝缘体普通玻璃是电的绝缘体,这种透明
13、的固体物质熔点很低这种透明的固体物质熔点很低C.等物质的量的等物质的量的SiO2与与CaCO3在高温下充分煅烧在高温下充分煅烧,残留物质残留物质为混合物为混合物D.石英玻璃能经受温度剧变且能抵抗酸碱的腐蚀石英玻璃能经受温度剧变且能抵抗酸碱的腐蚀答案答案:A二二硅、二氧化硅、新型无机非金属材料硅、二氧化硅、新型无机非金属材料问题探究石墨烯是一种由碳原子构成的六边形二维碳纳米材料石墨烯是一种由碳原子构成的六边形二维碳纳米材料,具有具有超高硬度、强度和导热系数等特性。研究发现当两层平行石超高硬度、强度和导热系数等特性。研究发现当两层平行石墨烯堆成约墨烯堆成约1.1的微妙角度的微妙角度,就会产生神奇的
14、超导效应。就会产生神奇的超导效应。(1)石墨烯与碳单质是什么关系石墨烯与碳单质是什么关系?其独特的优异性能可以应其独特的优异性能可以应用在哪些领域用在哪些领域?提示提示:同素异形体。石墨烯在光电器件、电池和复合材料领同素异形体。石墨烯在光电器件、电池和复合材料领域有广泛用途。域有广泛用途。(2)工业上利用焦炭与工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅在高温下反应制备粗硅,能否据此能否据此说明碳的还原性强于硅的还原性说明碳的还原性强于硅的还原性?提示提示:不能。该反应为不能。该反应为2C+SiO2Si+2CO,比较物质氧化比较物质氧化性、还原性的强弱性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的
15、反应必须是在通常情况下发生的反应,上述反上述反应是在高温条件下发生的应是在高温条件下发生的,且生成且生成CO气体气体,能脱离反应体系能脱离反应体系,故不能比较还原性的强弱。故不能比较还原性的强弱。重难归纳1.硅的特殊性质。硅的特殊性质。(1)一般情况下一般情况下,非金属单质熔、沸点低非金属单质熔、沸点低,硬度小硬度小,但晶体硅熔、但晶体硅熔、沸点高沸点高,硬度大硬度大;非金属单质一般不导电非金属单质一般不导电,但但Si为半导体为半导体,有一定有一定的导电能力。的导电能力。(2)非金属单质一般不与非氧化性酸作用非金属单质一般不与非氧化性酸作用,但但Si却能与却能与HF作作用用:Si+4HFSiF
16、4+2H2。(3)Si的还原性强于的还原性强于C,但但C却能在高温下还原出却能在高温下还原出Si:SiO2+2CSi+2CO。2.二氧化硅的特性。二氧化硅的特性。(1)SiO2是一种酸性氧化物是一种酸性氧化物,但它不溶于水但它不溶于水,不能直接用它与不能直接用它与水反应来制取水反应来制取H2SiO3。(2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但但SiO2的却很高。的却很高。(3)酸性氧化物一般不与酸作用酸性氧化物一般不与酸作用,但但SiO2能与能与HF作用作用:SiO2+4HFSiF4+2H2O。(4)H2CO3的酸性强于的酸性强于H2SiO3,所以有所以有Na2Si
17、O3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3,但在高温下但在高温下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2也能发生。也能发生。典例剖析【例【例2】根据不同部位工作条件的不同根据不同部位工作条件的不同,我国的高超声速飞行器使用我国的高超声速飞行器使用了多种防热材料。例如了多种防热材料。例如,机身表面使用高温陶瓷材料。下列对新型陶机身表面使用高温陶瓷材料。下列对新型陶瓷材料的有关叙述中瓷材料的有关叙述中,错误的是错误的是()。A.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,可以作为高级耐火材料可以作为高级耐火材料B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料氧化铝陶瓷属于新型
18、无机非金属材料,它是生物陶瓷的一种它是生物陶瓷的一种C.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,可用于制造陶瓷发动机的可用于制造陶瓷发动机的受热面受热面D.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,但是强但是强度比较差度比较差答案答案:D解析解析:新型无机非金属材料具有耐高温、耐冲击、电学特性、新型无机非金属材料具有耐高温、耐冲击、电学特性、光学特性、生物功能等优点光学特性、生物功能等优点,克服了传统无机非金属材料的克服了传统无机非金属材料的缺点缺点,具有较高的强度和耐磨性具有较高的强度和耐磨性,能抵抗冷热冲击能
19、抵抗冷热冲击,D项错误。项错误。学以致用3.二氧化硅是玻璃的主要成分之一。下列说法不正确的是二氧化硅是玻璃的主要成分之一。下列说法不正确的是()。A.二氧化硅是一种熔点高、硬度大的非金属氧化物二氧化硅是一种熔点高、硬度大的非金属氧化物B.二氧化硅为酸性氧化物二氧化硅为酸性氧化物,能与水反应生成硅酸能与水反应生成硅酸C.实验室不能用磨口玻璃塞试剂瓶盛放氢氧化钠溶液实验室不能用磨口玻璃塞试剂瓶盛放氢氧化钠溶液D.氢氟酸能与氢氟酸能与SiO2反应反应,不能用玻璃瓶盛放不能用玻璃瓶盛放氢氟酸氢氟酸答案答案:B解析解析:二氧化硅是硅原子和氧原子按二氧化硅是硅原子和氧原子按1 2的数目比形成的具的数目比形
20、成的具有立体网状结构的晶体有立体网状结构的晶体,是熔点高、硬度大的固体是熔点高、硬度大的固体;二氧化硅二氧化硅是一种不溶于水的酸性氧化物是一种不溶于水的酸性氧化物,与水不反应与水不反应;磨口玻璃塞中的磨口玻璃塞中的二氧化硅能与氢氧化钠溶液反应二氧化硅能与氢氧化钠溶液反应,生成具有黏性的硅酸钠生成具有黏性的硅酸钠,容容易使玻璃塞与瓶口黏结在一起易使玻璃塞与瓶口黏结在一起;氢氟酸能腐蚀玻璃氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻不能用玻璃瓶盛装氢氟酸璃瓶盛装氢氟酸,常用塑料瓶盛装氢氟酸。常用塑料瓶盛装氢氟酸。1.下列关于碳和硅的叙述中下列关于碳和硅的叙述中,不正确的是不正确的是()。A.氧化物都能与碱溶液反应氧
21、化物都能与碱溶液反应B.单质在加热时都能与氧气反应单质在加热时都能与氧气反应C.碳和硅两种元素都有能导电的单质碳和硅两种元素都有能导电的单质D.常温下常温下,碳和硅的单质化学性质都不活泼碳和硅的单质化学性质都不活泼答案答案:A解析解析:碳的氧化物有碳的氧化物有CO和和CO2,CO不能与碱溶液反应。不能与碱溶液反应。2.下列说法中正确的是下列说法中正确的是()。A.SiO2溶于水显酸性溶于水显酸性B.SiO2是石英砂的主要成分是石英砂的主要成分,可用于制取粗硅可用于制取粗硅C.光导纤维导电能力很强光导纤维导电能力很强,是一种很好的通信材料是一种很好的通信材料D.SiO2是一种酸性氧化物是一种酸性
22、氧化物,它可以与它可以与NaOH溶液反应溶液反应,但不与但不与任何酸反应任何酸反应答案答案:B解析解析:SiO2不溶于水也不与水反应不溶于水也不与水反应,A项错误项错误;B项正确项正确;光导纤光导纤维不导电维不导电,C项错误项错误;SiO2是酸性氧化物是酸性氧化物,能与强碱反应能与强碱反应,能与氢能与氢氟酸反应氟酸反应,D项错误。项错误。答案答案:D解析解析:BaCO3沉淀在酸性环境中不易生成沉淀在酸性环境中不易生成,即即CO2与与Ba(NO3)2溶液不能反应生成溶液不能反应生成BaCO3沉淀。沉淀。4.露置于空气中一段时间后的水玻璃会变浑浊。向此浑浊液露置于空气中一段时间后的水玻璃会变浑浊。向此浑浊液体中加入稀盐酸体中加入稀盐酸,会生成白色胶状沉淀会生成白色胶状沉淀,同时伴随有气泡产生。同时伴随有气泡产生。用化学方程式解释产生上述现象的原因。用化学方程式解释产生上述现象的原因。(1)溶液变浑浊溶液变浑浊:。(2)生成白色沉淀生成白色沉淀:。(3)产生气泡产生气泡:。答案答案:(1)Na2SiO3+CO2+H2O H2SiO3+Na2CO3(2)Na2SiO3+2HCl H2SiO3+2NaCl(3)Na2CO3+2HCl 2NaCl+CO2+H2O