人教版（2019）高中化学必修第二册 《无机非金属材料》名师学案（含答案）

第三节　无机非金属材料
课程标准 核心素养
1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系。2.结合真实情景中的应用实例，了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。 1.宏观辨识与微观探析：能说明硅酸盐、硅、二氧化硅的性质与应用之间的关系。2.科学态度与社会责任：能说明化学科学发展在自然资源利用、材料合成、促进科学技术发展等方面的重要作用。
1．硅酸盐材料
(1)硅酸盐的结构、特点
结构 特点
硅氧四面体 硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等
(2)硅酸盐材料
原料 制备过程 生产应用
陶瓷 黏土 原料经高温烧结而成 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃 纯碱、石灰石和石英砂 原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得 建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等
水泥 黏土、石灰石 原料与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉即得 制作混凝土，用于建筑和水利工程
2.新型无机非金属材料
(1)硅和二氧化硅
①主要应用
硅 半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池
二氧化硅 光导纤维
②高纯硅的制备
涉及的主要化学反应为
(a)SiO2＋2CSi＋2CO↑
(b)Si＋3HClSiHCl3＋H2
(c)SiHCl3＋H2Si＋3HCl
(2)新型陶瓷——碳化硅(SiC)
俗称 结构特点 主要性能 生产应用
金刚砂 碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石 硬度很大、高温抗氧化性能优异 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料
(3)碳纳米材料
①富勒烯：由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其代表物为C60。
②碳纳米管：由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的化学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。
③石墨烯：只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。
硅和二氧化硅的化学性质
1．硅的化学性质
(1)在常温下不活泼，但能与氢氟酸反应：
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(2)加热条件下能与O2、Cl2等反应：
Si＋O2SiO2；Si＋2Cl2SiCl4。
2．二氧化硅的化学性质
(1)二氧化硅是一种酸性氧化物
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
SiO2＋CaOCaSiO3
(2)二氧化硅能与氢氟酸反应
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
1．硅被誉为无机非金属材料的主角。下列产品的主要成分不是硅酸盐的是(　　)
A．光导纤维　　　　　　　 B．玻璃
C．水泥 D．陶瓷餐具
解析：选A。传统的硅酸盐材料有水泥、玻璃和陶瓷，其主要成分都是硅酸盐。光导纤维的化学成分是SiO2，属于氧化物，不是硅酸盐，所以选A。
2．华裔科学家高锟因“在光学通信领域中光在光导纤维中传输的研究方面所取得的开创性成就”获得了诺贝尔物理学奖。光导纤维的主要成分是(　　)
A．Si B．SiO2
C．CaSiO3 D．SiCl4
解析：选B。光导纤维的主要成分为SiO2。
3．单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，其功能远比我们想象的要大得多，这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为
①SiO2＋2CSi＋2CO↑　②Si＋2Cl2SiCl4
③SiCl4＋2H2Si＋4HCl
下列对上述三个反应的叙述中，错误的是(　　)
A．①③为置换反应
B．②为化合反应
C．①②③均为氧化还原反应
D．三个反应的反应物中硅元素均被还原
解析：选D。①③中硅元素被还原，②中硅元素被氧化，D错误。
4．20世纪80年代后，人们发现和证实碳的另一类单质，它们是由一系列偶数个碳原子组成的分子，其中C60(足球烯，分子中含有30个双键)最具代表性。下图所示为n个C60 连接而成的物质X。下列有关说法不正确的是(　　)
A．X难溶于水
B．X的熔点比金刚石高
C．X是碳的一种同素异形体
D．X的相对分子质量为720n
解析：选B。X的熔点比金刚石低。
课堂小结
合格考训练
1．硅在无机非金属材料中一直扮演着重要角色，被誉为无机非金属材料的主角。下列物品的制造用到硅单质的是(　　)
A．玻璃制品　　　　　　　 B．石英钟表
C．计算机芯片 D．光导纤维
解析：选C。玻璃制品的制造用到硅酸盐；石英钟表、光导纤维的制造用到二氧化硅；计算机芯片的制造用到硅单质。
2．下列有关水泥的说法不正确的是(　　)
A．制造水泥的主要原料是石灰石、纯碱和黏土
B．普通水泥的主要成分是钙的硅酸盐和铝酸盐
C．水泥具有水硬性
D．混凝土指水泥、沙子和碎石的混合物
解析：选A。A项，制造水泥的原料中没有纯碱，错误。B项，普通水泥的主要成分是硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙等，正确。D项，混凝土的成分是水泥、沙子和碎石，正确。
3．当航天飞机返回地球大气层时，由于与空气的剧烈摩擦，飞机尖端的温度可达1 000 ℃以上，为了防止高温将其烧毁，科学家给航天飞机的相应部位安装了可靠的保护层。制作保护层的材料是(　　)
A．塑料 B．玻璃
C．新型陶瓷 D．镁铝合金
解析：选C。制作保护层的材料应该具有硬度很大、具有优异的高温抗氧化性能，只有C项符合要求。
4．我国科学家合成的3 nm长的管状碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的1/4)、熔点高，化学稳定性好的特点，因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是(　　)
A．它是制造飞机的理想材料
B．它的主要组成元素是碳元素
C．它的结构与石墨相似
D．碳纤维复合材料耐高温
解析：选C。石墨的内部结构是层状的，碳纳米管是管状的。
5．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：
(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：
①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：________________________________
________________________________________________________________________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学方程式：_________________________________________；
H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是_____________________________。
(2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。
A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥
B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承
C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光导纤维
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高
E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
解析：(1)①根据给定的反应物和生成物写出化学方程式，注意反应条件和配平。②写出反应物和给出的生成物H2SiO3和HCl，用原子守恒法找出另一种生成物为H2，并配平。
(2)A项中水泥是硅酸盐材料；B、C项根据硅的化合物的用途可知，两项说法都正确；D项中玻璃是混合物，没有固定的熔点；E项中盐酸和硅不反应。
答案：(1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl
②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑
氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3
(2)BC
等级性测试
1．根据陶瓷的生产原理，可以得出硅酸盐工业的一般特点是(　　)
①以含硅物质作为原料　②主要产物是硅酸盐　③反应条件是高温　④反应原理是复杂的物理变化和化学变化
A．只有①③　　　　　　　 B．只有②③
C．①②③④ D．只有③④
解析：选C。传统陶瓷多是将黏土与水的混合物通过高温烧结制成。其生产过程中发生复杂的化学变化和物理变化。故①②③④均正确。
2．硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列叙述中正确的是(　　)
A．汽车中小摆件“苹果花”的动力是以Si为原料制作的太阳能电池
B．晶体硅主要用途是制造光导纤维
C．硅是地壳中含量最多的元素
D．硅的化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在
解析：选A。晶体硅是良好的半导体材料，主要用途是制作太阳能电池、集成电路，A正确，B错误；氧是地壳中含量最多的元素，C错误；硅是亲氧元素，在自然界中只以化合态形式存在，D错误。
3．下列叙述中，正确的是(　　)
A．自然界中存在大量的单质硅
B．水晶、玛瑙的主要成分都是二氧化硅
C．二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸或碱溶液发生化学反应
D．自然界中硅元素都存在于石英中
解析：选B。自然界中硅元素含量很高，但都以化合态形式存在，A项错误；二氧化硅的化学性质较稳定，其为酸性氧化物，可以和碱溶液反应，除与HF反应外，不与其他酸反应，C项错误；硅元素是亲氧元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，D项错误。
4．下列说法正确的是(　　)
A．硅材料广泛应用于光纤通信
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
解析：选A。A项，光导纤维的主要原料是SiO2；B项，石英SiO2不能和盐酸反应，但能与氢氟酸反应；C项，瓷盘是硅酸盐制品，水晶的成分是SiO2，不是硅酸盐制品；D项，粗硅制单晶硅的反应为Si＋3HClSiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2Si＋3HCl，二者均是氧化还原反应。
5．中国的瓷器驰名世界，传统陶瓷是以黏土等天然硅酸盐为主要原料烧成的制品。下列有关说法不正确的是(　　)
A．黏土也是制备玻璃的原料之一
B．传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料
C．陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料
D．瓷器耐酸碱腐蚀，可用作日用器皿、装饰用品等
解析：选A。制备玻璃的原料为石灰石、纯碱、石英砂。
6．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是(　　)
A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4
B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2
D．硅酸盐中硅、氧原子之间以离子键结合
解析：选D。硅酸盐中硅、氧原子之间以共价键结合。
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．石墨烯是新型无机非金属材料
B．纳米材料属于胶体
C．硅酸盐材料只含有非金属元素
D．二氧化硅常用作光电转换材料
解析：选A。纳米材料分散到分散剂中，才能形成胶体，B项不正确；硅酸盐材料不一定只含有非金属元素，可能含Ca、Al等金属元素，C项不正确；硅常用作光电转换材料，D项不正确。
8．下列关于无机非金属材料的说法不正确的是(　　)
A．传统无机非金属材料指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，具有极大的强度
C．高温结构陶瓷材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点
D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
解析：选D。新型无机非金属材料的主要成分并不是硅酸盐，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等，故D项错误。
9．晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
①高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅，同时得到一种可燃性气体；
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si＋3HClSiHCl3＋H2)；
③SiHCl3与过量的H2在1 100 ℃的温度下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃。
(1)第一步制取粗硅反应的化学方程式为______________________________________
________________________________________________________________________。
(2)粗硅与HCl气体反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法为__________________________。
(3)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去)：
①装置B中的试剂是________，装置C中的烧杯需要加热，目的是____________________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________________________________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是__________________________________，装置D中发生反应的化学方程式是____________________________________________________。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及______________________________________。
解析：(3)①因SiHCl3能与水剧烈反应，故装置A中产生的H2必须干燥，因此装置B中的试剂为浓H2SO4，且装置C中的烧杯需加热，其目的是使SiHCl3汽化，加快其与H2的反应速率。②石英管中产生的物质应为硅，故装置D中有固体产生；由题给信息可知，制纯硅的反应条件为1 100 ℃，此温度下普通玻璃管容易软化。③因高温下H2与O2反应容易爆炸，故还应排尽装置中的空气。
答案：(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑　(2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化　
②有固体物质生成　在题给反应温度下(1 100 ℃)，普通玻璃管会软化　SiHCl3＋H2Si＋3HCl　
③排尽装置中的空气
10．硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广泛应用。
(1)1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时，得到一种“金属”。这种“金属”可能是________。
(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中，生产普通玻璃的主要原料有________________。
(3)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：
发生的主要反应
电弧炉 SiO2＋2CSi＋2CO↑
流化床反应器 Si＋3HClSiHCl3＋H2
还原炉 SiHCl3＋H2Si＋3HCl
①用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该反应的化学方程式为________________________________________________________________________；
碳化硅又称________，其晶体结构与________相似。
②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和________。
物质 Si SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 SiH3Cl HCl SiH4
沸点/℃ 2 355 57.6 31.8 8.2 －30.4 －84.9 －111.9
解析：(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑，因此得到的金属状物质可能为含有硅、碳的铁合金。
(2)生产普通玻璃的主要原料为石英砂、纯碱和石灰石。
(3)①石英砂与焦炭反应制取SiC的化学方程式为SiO2＋3CSiC＋2CO↑，SiC俗名金刚砂，结构类似于金刚石。
②根据沸点的不同可选择蒸馏法提纯SiHCl3。
答案：(1)含有硅、碳的铁合金(或硅铁)
(2)石英砂、纯碱和石灰石
(3)①SiO2＋3CSiC＋2CO↑　金刚砂　金刚石　②精馏(或蒸馏)