人教版高中化学必修第二册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课件(共68张PPT)

(共68张PPT)
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：1.知道传统的硅酸盐材料玻璃、水泥、陶瓷的成分及生产它们的主要原料 及其主要应用。2.了解高纯硅的制备原理。知道硅和二氧化硅的用途。3.知道一些新 型无机非金属材料如硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳纳米材料等。
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研习任务一　硅酸盐材料
教材　认知
1. 无机非金属材料
硅　
氧　
传统　
新型　
高　
信息　
新能源　
4　
四面体　
2　
硬度高
耐高温　
耐腐蚀　
难　
（3）常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 黏 土 纯碱（Na2CO3）、石灰石 （CaCO3）、石英砂（SiO2） 主要原料： 　石灰 石、黏土　
辅料：适量的石膏
设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑
主要
成分 含水的铝硅酸盐 硅酸钠（Na2SiO3）、硅酸钙 （CaSiO3）、二氧化硅（SiO2） －
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）
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]　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。
应用　体验
1. 微判断
（2）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。
（3）汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的陶瓷，其主要原料是黏土。
（4）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。
√
√
√
√
√
√
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。
（2）硅酸盐通常可以用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，例如，硅酸 钠（Na2SiO3）：Na2O·SiO2，钠长石（NaAlSi3O8）：
石灰石
Na2O·Al2O3·6SiO2
（3）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，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。
①硅酸钠在空气中易与二氧化碳和水反应生成硅酸（H2SiO3）沉淀，其离子方程式为
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
ABD
归纳总结
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；
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研习任务二　新型无机非金属材料
教材　认知
1. 硅和二氧化硅
（2）粗硅的制备
芯片　
半导体　
三　
ⅣA　
导体　
绝缘体　
SiO2＋2C
[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：
石英砂 粗硅 SiHCl3 高纯硅
其中涉及的主要反应的化学方程式是什么？
提示：①SiO2＋2C Si＋2CO↑；②Si＋3HCl SiHCl3＋H2；
③SiHCl3＋H2 Si＋3HCl。
[思考2]　阅读情境素材，回答下列问题：
材料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。
材料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？
提示：（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）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。
（3）为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液？
提示：（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）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。
归纳总结
SiO2的性质
芯片　
硅太阳能电池　
二氧化硅　
2. 新型陶瓷
新型陶瓷在组成上不再局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 碳化硅（SiC） 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 　碳化硅　、 　氮化硅　或 某些金属氧化物 耐 　高温　、抗氧化、耐 　腐蚀　 火箭和汽车发动 机、高温电极材 料等
压电陶瓷 　钛酸盐　、 　锆酸盐　等 能实现 　机械　能与
　电　能的相互转化 滤波器、扬声 器、超声波探伤 器和点火器等
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　
新型材料 成分 性能 主要应用
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、 　绝缘 性　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
氧化铝　
氧化钇　
氮化
铝　
氟化钙　
绝缘
性　
3. 碳纳米材料
新型
材料 结构 性能 用途
富勒 烯 由 　碳原子　构成的一 系列笼形分子的总称， 如 　C60　 － 制碳纳米材料
碳纳
米管 由 　石墨片层　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
　强度　和优良的 　电　性能 生产复合材料、电池 和传感器等
石墨 烯 只有 　一 个碳原子直 厚度的单层石墨 电阻率 　低　、热导率
　高　，具有很高的强度 光电器件、超级电容 器、电池、复合材料 等
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　
归纳总结
　　1. 硅及其化合物的用途
Si——半导体材料、太阳能电池板。
SiO2——光导纤维。
H2SiO3（硅胶）——干燥剂。
Na2SiO3溶液（水玻璃）——黏合剂、耐火阻燃材料。
2. 化学材料
应用　体验
1. 微判断
（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。

√

√
√

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
C
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
解析：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。
B
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课堂强研习 合作学习 精研重难
课后提素养
A. “神舟十二号”宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷是新型无机非金属材 料，主要成分是硅酸盐
B. 我国发射的“嫦娥三号”卫星中使用的碳纤维，是一种新型无机非金属材料
C. C60是富勒烯的代表物，与石墨烯互为同位素
B
A. 二氧化硅既能与烧碱溶液反应又能与氢氟酸反应，所以二氧化硅是两性氧化物
B. 晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应
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，价格极高
D. 晶体硅和金刚石的硬度都很大
D
解析：二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅气体和水，该反应体现了SiO2的特性，与 其他酸不反应，与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，因此二氧化硅是酸性氧化物，A错 误；晶体硅的化学性质不活泼，但常温下能与氢氟酸和NaOH溶液反应，B错误；晶 体硅是一种良好的半导体材料，是由二氧化硅和碳在高温条件下反应得到粗硅，粗硅 和HCl在加热条件下反应得到三氯硅烷，三氯硅烷与氢气在高温条件下反应得到硅单 质，它的提炼工艺不算复杂，价格不高，C错误；晶体硅和金刚石的硬度都很大，D 正确。
3. 由SiO2制备高纯硅的工业流程如图所示：
A. SiO2、纯硅均具有硬度大、熔沸点高的特点
B. X为CO气体
C. 反应②产生的氢气与反应③产生的HCl可以循环使用
D. SiHCl3的摩尔质量为135.5 g
D
解析：SiO2、纯硅均具有硬度大、熔沸点高的特点，故A项正确；反应①为SiO2＋ 2C Si（粗）＋2CO↑，可知X为CO气体，故B项正确；由题图可知，氢 气和HCl既是反应物，又是生成物，可重复利用，故C项正确；SiHCl3的摩尔质量为 135.5 g/mol，故D项错误。
4. 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。
CaCO3＋SiO2
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课时作业
[基础训练]
A. 制造手机芯片的关键材料是二氧化硅
B. “超轻海绵”使用的石墨烯是新型无机非金属材料
C. 我国提出网络强国战略，光缆线路总长超过三千万公里，光缆的主要成分是晶体 硅
D. “神舟十一号”宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是一般的 硅酸盐
解析：制造芯片的材料是单质硅，故A错误；石墨烯是新型无机非金属材料，故B正 确；光缆的主要成分是二氧化硅，故C错误；高温结构陶瓷的主要成分是氮化铝、氮 化硅等，故D错误。
B
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A. 陶土和石棉都是硅酸盐材料
B. 陶土性质稳定，在高温下不易分解
C. 蒸发实验中，蒸发皿需垫上陶土网再加热
D. 一种石棉化学式为Mg6Si4O10（OH）8，其氧化物形式可写为3MgO·2SiO2·2H2O
解析：陶土和石棉的主要成分都是硅酸盐，属于硅酸盐材料，A项正确；陶土是硅酸 盐材料，一般情况下，性质稳定，在高温下不易分解，B项正确；蒸发实验中，蒸发 皿下面不需要垫陶土网（石棉网），C项错误；化学式为Mg6Si4O10（OH）8的石棉， 用氧化物形式可表示为3MgO·2SiO2·2H2O，D项正确。
C
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A. 我国“硅－石墨烯－锗高速晶体管”技术获重大突破，C、Si、Ge都是主族元素
B. 光纤又称玻璃丝，光纤的主要成分是SiO2，属于新型无机非金属材料
C. 新型陶瓷碳化硅（SiC）可作耐高温结构材料
D. 富勒烯、石墨烯都是含碳化合物
解析：C、Si、Ge都属于第ⅣA族元素，故A正确；光纤的主要成分是SiO2，属于新型 无机非金属材料，故B正确；新型陶瓷碳化硅（SiC）可作耐高温结构材料，故C正 确；富勒烯和石墨烯都是碳元素的单质，互为同素异形体，故D错误。
D
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A. SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物
B. CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂
D. 硅既不易失去电子又不易得到电子，所以既不能作氧化剂，又不能作还原剂
B
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A. 陶是人类最早使用的硅酸盐制品
B. 制玻璃的原料为纯碱、石灰石和石英
C. 硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D. 沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
解析：陶是人类最早使用的硅酸盐制品，主要原料是黏土，故A正确；制玻璃的原料 为纯碱、石灰石和石英，在玻璃熔窑里发生反应，故B正确；硅酸盐制品的性质稳 定、熔点较高、耐腐蚀性强，故C正确；沙子主要成分二氧化硅，故D错误。
D
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A. 水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
B. 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
C. 普通玻璃以纯碱、石灰石、黏土为原料，经过复杂的反应变化制得的
D. 硅在自然界中主要以单质形式存在
解析：水玻璃是硅酸钠的水溶液，属于混合物，故A错误；硅酸盐材料大多具有硬度 高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀的特点，故B正确；普通玻璃以纯碱、石灰石、石英 为原料，经过复杂的反应变化制得的，故C错误；自然界中没有游离态硅，硅在自然 界中主要以二氧化硅、硅酸盐的形式存在，故D错误。
B
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7. （2024·长沙高一开学考试）某实验小组设计了如下装置对焦炭还原二氧化硅的气 体产物的成分进行探究。
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解析：本实验的实验目的是研究焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分，经分析气体产 物可能是CO2或CO，由题目所给实验装置图和相关信息可知，A为焦炭和二氧化硅在 高温下的反应装置，C中为澄清石灰水用于检验二氧化碳，D中为PdCl2溶液可用于检 验CO，B为安全装置，防止发生倒吸，该实验没有处理尾气CO的装置，容易造成空 气污染。
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解析：（1）本实验在高温下进行，空气中的氧气、二氧化碳、水蒸气在高温下都会 和碳反应影响实验，实验时要通入足够长时间的N2，排尽装置内的空气，避免空气中 的O2、CO2、水蒸气对实验产生干扰。
排尽装置内的空气，避免空气中的
O2、CO2、水蒸气对实验产生干扰
解析：（2）装置B的作用是作安全瓶，防止倒吸。
作安全瓶，防止倒吸
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澄清石灰水　
PdCl2溶液　
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解析：（4）CO有毒，不能直接排到空气中，该装置没有尾气吸收装置，易造成空气 污染。
无尾气吸收装置
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2∶1　
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解析：（6）证明酸性强弱，可用较弱酸的盐和较强酸反应生成较强酸的盐和较弱酸 的原理来设计实验，向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，若能生成硅酸，则可证明碳酸的 酸性比硅酸的强。
向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，溶液
变浑浊
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[提升训练]
8. （2024·佛山高一期中）由粗硅制备硅烷（SiH4）的基本流程如图所示：
C
A. X和Y为同一种物质
B. NH3的热稳定性比SiH4强
C. SiHCl3分子中既含有极性键，又含有非极性键
D. 反应Ⅳ中所得SiH4、NH3两种气体在常温常压下体积比为1∶4
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A. 合成1反应中H2作氧化剂
C. 上述流程说明SiO2可溶于H2SO4
D. 净化、热解中生成的多晶硅为还原产物
C
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A. 整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气
B. 装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32 ℃的温水
C. 实验时，先打开装有稀硫酸仪器的活塞，收集尾气验纯，再预热装置Ⅳ中的石英 管
D. 尾气可直接通入NaOH溶液中进行尾气处理
D
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A. X可用作木材防火剂
C. 步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D. 若在实验室中完成步骤Ⅲ，一般在蒸发皿中进行
D
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12. （2024·河南高一期中）高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。改良西 门子法生产高纯硅的流程如图所示，回答下列问题：
SiO2　
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解析：（2）制取粗硅时，SiO2和焦炭反应生成粗硅和CO，该有毒气体为CO，粗硅 与HCl反应生成SiHCl3和H2，反应的化学方程式为Si＋3HCl SiHCl3＋H2。
CO　
Si＋3HCl　 SiHCl3＋H2
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解析：（3）还原炉中发生反应SiHCl3＋H2 Si＋3HCl，Si由＋4→0价，SiHCl3 中的H由－1→0价，H2中的H由0价→＋1价，故HCl是氧化产物，反应体系中有氢 气，若还原炉中有氧气混入，会发生爆炸、硅在高温条件下被氧化。
HCl　
发生爆炸（或单质硅会被氧化）
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A. 装KOH溶液的试剂瓶使用的是磨口玻璃塞
B. 改良西门子法提高了原料的利用率
C. 自然界中游离态的硅的含量较大
D. 单质硅是应用最广泛的半导体材料
解析：（4）二氧化硅与碱反应生成具有黏性的硅酸盐，装KOH溶液的试剂瓶不能使 用磨口玻璃塞，故A错误；改良西门子法，尾气能够循环利用，提高了原料的利用 率，故B正确；自然界中没有游离态的硅，故C错误；单质硅是应用最广泛的半导体 材料，故D正确。
BD　
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13. （2024·沈阳高一阶段考）碳、硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广 泛应用。
A. 普通玻璃坩埚
B. 石英玻璃坩埚
C. 氧化铝坩埚
D. 铁坩埚
D　
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解析：玻璃中的二氧化硅和氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠是矿物胶能把瓶口和瓶塞粘 结在一起；纯碱为碳酸钠，所选坩埚在熔融时不能和Na2CO3反应，如玻璃、石英玻 璃中的二氧化硅、氧化铝等高温时都和纯碱发生反应；石英砂主要成分为二氧化硅， 二氧化硅和碳在高温的条件下反应生成硅和一氧化碳，以此解题。
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（2）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 硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：
解析：（2）石英砂的主要成分是二氧化硅，在反应中制得粗硅，反应为SiO2＋ 2C Si＋2CO↑。
SiO2＋2C　 Si＋
2CO↑
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（3）某同学为了验证碳和硅两种元素非金属性的相对强弱，用如图所示装置进行实 验（夹持仪器已略去，气密性已检验），实验操作步骤：
Ⅰ.打开弹簧夹1，关闭弹簧夹2，并打开活塞a，滴加盐酸。
Ⅱ.A中看到白色沉淀时，关闭弹簧夹1，打开弹簧夹2，关闭活塞a。
AD　
A. 挥发性 B. 还原性
C. 氧化性 D. 酸性
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NaHCO3　
Na2SiO3
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②A中看到白色沉淀，是盐酸能与硝酸银反应，可知盐酸具有酸性、挥发性，故答案 为AD。
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