第五章　第三节　无机非金属材料 学案（含答案）

第三节　无机非金属材料
[核心素养发展目标]　1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强学生关注社会的意识和责任感。
一、硅酸盐材料
1．无机非金属材料
从组成上看，许多无机非金属材料多含______、______等元素，具有____________、__________、________等特点，以及特殊的________、________等性能。
2．硅酸盐及其结构
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧________结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，许多这样的四面体通过顶角的O相互连接，即每个Si结合____个O，每个O结合____个Si。
(2)硅酸盐的特性
硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度____、____溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(3)最简单的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可用作黏合剂和防火剂。
硅酸钠溶液与CO2反应的化学方程式为_____________________________________________
_______________________________________________________________________________。
3．常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料：________________ ________________________， 辅助原料：适量的石膏
设备 陶瓷窑
主要成分 含水的铝硅酸盐 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程
(1)硅酸盐结构较为复杂，大多难溶于水，化学性质稳定(　　)
(2)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　)
(3)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(　　)
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　)
(5)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　)
1．(2022·济南高一月考)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(　　)
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂
C．硅酸盐制品的性质稳定、耐高温
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
2．世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋混凝土、7 000多块铝板和1 200多块玻璃等建成。
(1)生产硅酸盐产品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是__________。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为____________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
由方程式________(填“能”或“不能”)判断出酸性H2SiO3＞H2CO3。
(2)作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
①硅酸钠在空气中易与二氧化碳和水生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式：______________
_______________________________________________________________________________。
由此得出酸性：H2SiO3______(填“＞”或“＜”)H2CO3。
②硅酸钠和盐酸反应的离子方程式：_________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法正确的是_________________________________________________
(填字母)。
A．古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B．高岭土为含水的铝硅酸盐
C．n＝3
D．我国在新石器时代已能烧制陶器
二、新型无机非金属材料
1．硅和二氧化硅
(1)硅
硅位于元素周期表第____周期、第____族，正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的________材料。硅在自然界主要以________和________的形式存在。
(2)高纯硅的制备
石英砂粗硅高纯硅
①　　　　　②　　　　　　③
其中涉及的主要化学反应为
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________。
(3)硅和二氧化硅的用途
①高纯硅广泛用于________技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制造________和________________等。
②SiO2用于生产____________。
2．新型陶瓷
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 硬度____、耐______、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
高温结构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐______、抗氧化、耐______ 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现___能和____能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、__________好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
概念 性能 用途
富勒烯 由________构成的一系列笼形分子的总称，如代表物______ — 制碳纳米材料
碳纳 米管 由__________卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 比表面积大，有相当高的______和优良的________性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 ______________________厚度的单层石墨 电阻率____、热导率___，具有很高的强度 在光电器件、超级电容器、电池、复合材料等方面的应用研究正在不断深入
(1)常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅大部分以游离态的形式存在(　　)
(2)硅是良好的半导体材料，可以用来生产芯片和硅太阳能电池等(　　)
(3)二氧化硅因具有良好的导电性，可以用来生产光导纤维(　　)
(4)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　)
(5)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳(　　)
(1)在实验室盛放碱溶液时，试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞的原因是SiO2是______氧化物，能与强碱溶液反应，SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为__________________________。Na2SiO3会使玻璃塞与瓶口内侧发生黏连而无法打开。
(2)氢氟酸是HF的水溶液，生产磨砂玻璃时可以用氢氟酸溶蚀玻璃，是因为氢氟酸可与SiO2反应生成SiF4气体和水，其化学方程式为_____________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)有同学由此得出来SiO2是两性氧化物，你认为这个观点对吗？
(4)SiO2属于酸性氧化物，能否用SiO2与水直接反应制取H2SiO3？由SiO2如何来制取H2SiO3？用化学方程式表示。
二氧化硅的化学性质
1．陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁
B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
2．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述不正确的是(　　)
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
3．下列有关硅及其化合物的说法正确的是(　　)
A．在粗硅的制取中发生反应2C＋SiO22CO↑＋Si，Si被还原，所以C的还原性大于Si
B．Na2SiO3属于盐，不属于碱，所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．用SiO2制取硅酸，应先使SiO2与NaOH溶液反应，然后通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3可知，H2SiO3的酸性大于H2CO3
4．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)下列物质不含有硅酸盐的是________(填字母)。
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与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为________________
_______________________________________________________________________________，
工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作______________________。
Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________(填字母)。
A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚
C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚
(4)工业上常利用反应2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氧化剂是________。
第三节　无机非金属材料
一、
1．硅　氧　耐高温　抗腐蚀　硬度高　光学　电学
2．(1)四面体　4　2　(2)高　难　(3)Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓
3．黏土　纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)　石灰石、黏土　玻璃窑　水泥回转窑
正误判断
(1)√　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√
应用体验
1．C
2．(1)石灰石　CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑　不能
(2)①SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO　＜
②SiO＋2H＋===H2SiO3↓
(3)ABD
二、
1．(1)三　ⅣA　半导体　硅酸盐　氧化物　(2)①SiO2＋2CSi＋2CO↑　②Si＋3HClSiHCl3＋H2　③SiHCl3＋H2Si＋3HCl　(3)①信息　芯片
硅太阳能电池　②光导纤维
2．碳化硅(SiC)　大　高温　高温　磨蚀　机械　电　绝缘性
3．碳原子　C60　石墨片层　强度　电学　只有一个碳原子直径　低　高
正误判断
(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√
应用体验
(1)酸性　SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　(2)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(3)不对，SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水。
(4)不能，因为SiO2与水不反应。SiO2Na2SiO3H2SiO3。化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。
随堂演练　知识落实
1．A　2.D
3．C　[Si与C同主族，Si的还原性比C的强，但在高温下能发生反应2C＋SiO22CO↑＋Si，A项错误；不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3溶液，因为Na2SiO3溶液本身是一种黏合剂，B项错误；SiO2是酸性氧化物，但不能与水反应，所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2或盐酸反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓、Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓，C项正确；Na2CO3与SiO2在高温下的反应与对应酸的酸性强弱无关，该反应说明硅酸盐在高温下比碳酸盐更稳定，D项错误。]
4．(1)D　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　氢氟酸　(3)防火剂　D　(4)C　SiO2