第五章 第三节　无机非金属材料 学案（含答案）—2024春高中化学人教版必修二

第三节　无机非金属材料
[核心素养发展目标]　
1.了解传统无机非金属材料的原料、成分、性能及其在生产中的应用。
2.了解硅、二氧化硅的结构、性质及其在生产中的应用。
3.知道几种常见的新型无机非金属材料的成分及在生产中的应用。
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含有____等元素，具有________、________、________等特点，以及特殊的________、________等性能。
2．常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料：________ 辅料：适量的石膏
设备 陶瓷窑
主要成分 含水的铝硅酸盐 —
性能 耐高温、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 透光性好、硬度大、无固定熔点 遇水逐渐变硬(水硬性)，硬化后性质稳定
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
思考1　普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料，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。写出其中发生反应的化学方程式。
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思考2　为什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点？
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1．判断正误
(1)汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的陶瓷，其主要原料是黏土(　　)
(2)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐(　　)
(3)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　)
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　)
2．硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐，硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，常用作黏合剂和防火剂。
(1)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是__________________。
(2)过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是_______________________。
3．(2023·日照高一月考)“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
硅酸(H2SiO3)的性质
(1)难溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液变红；
(2)与碱反应：H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O；
(3)不稳定，受热易分解：H2SiO3H2O＋SiO2。
二、新型无机非金属材料
1．硅和二氧化硅
(1)硅
硅元素位于元素周期表第________周期、第________族，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。
(2)粗硅的制备
工业上用焦炭还原石英砂可以制得含少量杂质的粗硅，化学方程式：_____________。
思考1　高纯度单晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
其中涉及的主要反应的化学方程式是什么？
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思考2　阅读情景素材，回答下列问题：
素材1　SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH溶液反应可生成Na2SiO3。
素材2　氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4气体和水，可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。
(1)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，能认为SiO2属于两性氧化物吗？
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(2)能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸？若不能，写出化学方程式，简述理由。
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(3)为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液？
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(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。
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SiO2的性质
(3)硅和二氧化硅的用途
①高纯硅用于制造________和________________________。
②________________用于生产光导纤维。
2．新型陶瓷
新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 硬度______、耐________、抗氧化 砂纸和砂轮的磨料、耐高温半导体材料等
高温结构陶瓷 ________、________或某些金属氧化物 耐________、抗氧化、耐________ 火箭和汽车发动机、高温电极材料等
压电陶瓷 ________、________等 能实现__________能与________能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明陶瓷 ________、______等氧化物透明陶瓷；__________、______等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、______好 高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 — 某一临界温度下具有超导性 可用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
碳纳米材料主要包括________、________、________等，广泛应用于能源、信息、医药等领域。
新型材料 结构 性能 用途
富勒烯 由__________构成的一系列笼形分子的总称，如____________ — 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 只有_________厚度的单层石墨 电阻率____、热导率____，具有很高的强度 光电器件、超级电容器、电池、复合材料等
1．判断正误
(1)晶体硅熔点高、硬度大，故可用作半导体材料(　　)
(2)石英砂可用于生产单晶硅(　　)
(3)二氧化硅是酸性氧化物，所以能溶于水且可与水反应生成硅酸(　　)
(4)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料(　　)
(5)向硅酸钠溶液中通入适量CO2，出现白色沉淀，证明碳的非金属性强于硅(　　)
2．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
3．(2023·云南红河高一期中)现代社会的发展与进步离不开材料，下列说法错误的是(　　)
A．碳化硅是一种新型陶瓷材料，具有耐高温、耐磨的特点
B．晶体硅是一种半导体材料，常用于制造光导纤维
C．制普通玻璃的原料主要成分是纯碱、石灰石和石英砂
D．石墨烯是一种新型无机非金属材料，具有高电导率的特点
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．(2023·辽宁大连高一期中)2021年，中国航天不断创造奇迹，“天问一号”着陆火星，“嫦娥五号”采回月壤，腾飞的中国离不开化学，化学与环境、材料、信息、能源关系密切，推动着人类社会的进步和发展。下列说法不正确的是(　　)
A．“天问一号”所用的太阳能电池帆板，其主要材料是硅
B．中国空间站使用石墨烯存储器，所用材料石墨烯属于无机非金属材料
C．SO2可用来漂白纸浆，也能作食品添加剂
D．5G技术中使用的通信光缆不与任何酸碱反应
3．(2023·西安第八十五中学高一期中)下列溶液的存放不能使用磨口玻璃塞的是(　　)
①氢氟酸　②NaHSO4　③KNO3　④石灰水　⑤CuSO4　⑥NaOH　⑦Na2SiO3
A．④⑧⑦ B．①④⑥⑦
C．①③⑤ D．①④⑥
4．(2022·天津耀华中学高一期末)芯片主要由单晶硅构成，如图是硅及其化合物的“价—类”二维图，根据要求完成下列化学(或离子)方程式。
(1)利用焦炭在电炉中还原二氧化硅的化学方程式为__________________________________。
(2)利用氢氟酸刻蚀玻璃的化学方程式为_______________________________________。
(3)硅酸钠与强酸反应转化为硅酸的离子方程式为_______________________。
(4)二氧化硅与烧碱溶液反应的化学方程式为_________________________________。
(5)石英与石灰石在玻璃熔炉里加强热发生反应的化学方程式为__________________。
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．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　硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
思考1　Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
思考2　在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体(结构如图所示)：
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高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
应用体验
1．(1)√　(2)√　(3)√　(4)√
2．(1)SiO＋2H＋===H2SiO3↓
(2)SiO＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2HCO
3．C
二、
1．(1)三　ⅣA　半导体
(2)SiO2＋2CSi＋2CO↑
思考1　①SiO2＋2CSi＋2CO↑；②Si＋3HClSiHCl3＋H2；③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。
思考2　(1)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。
(2)不能，玻璃中含有二氧化硅，能被氢氟酸腐蚀，发生反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
(3)NaOH能与磨口玻璃塞中的SiO2反应，生成具有黏性的Na2SiO3，把瓶塞与瓶口黏结在一起。
(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↓。
(3)①芯片　硅太阳能电池　②二氧化硅
2．碳化硅(SiC)　大　高温　碳化硅　氮化硅　高温　腐蚀　钛酸盐　锆酸盐　机械　电　氧化铝　氧化钇　氮化铝　氟化钙　绝缘性
3．富勒烯　碳纳米管　石墨烯　碳原子　C60　石墨片层
强度　电学　一个碳原子直径　低　高
应用体验
1．(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√
2．C
3．B　[碳化硅(SiC)是一种新型无机非金属材料，熔点高、硬度大，具有耐高温、耐磨的特点，A正确；晶体硅是一种半导体材料，常用于制造芯片，二氧化硅用于制作光导纤维，B错误；制普通玻璃的原料主要成分是纯碱、石灰石和石英砂，普通玻璃的成分为硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，C正确；石墨烯是一种新型无机非金属材料，导电性强，具有高电导率的特点，D正确。]
随堂演练　知识落实
1．A　2.D
3．B　[氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，所以HF不能使用磨口玻璃塞，①符合题意；NaHSO4、KNO3与二氧化硅不反应，可以使用磨口玻璃塞，②③不符合题意；石灰水中的氢氧化钙溶液显碱性，能和二氧化硅反应，不能使用磨口玻璃塞，④符合题意；CuSO4与二氧化硅不反应，可以使用磨口玻璃塞，⑤不符合题意；NaOH与二氧化硅反应生成黏性的硅酸钠，导致玻璃塞和试剂瓶黏结在一起而打不开，所以氢氧化钠溶液不能使用磨口玻璃塞，⑥符合题意；黏性的硅酸钠，会导致玻璃塞和试剂瓶黏结在一起而打不开，不能使用磨口玻璃塞，⑦符合题意。]
4．(1)2C＋SiO22CO↑＋Si　(2)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O　(3)SiO＋2H＋===H2SiO3↓　(4)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(5)CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑