5.3 无机非金属材料 讲义【新教材】2020-2021学年人教版高一化学必修二

课标解读

第三节内容要求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、硅和二氧化硅的主要性质。

无机非金属材料学业要求1.通过无机非金属材料的学习,认识化学对社会发展的重要贡献,具有可持续发展的意识能对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。2.通过实例认识二氧化硅、硅、硅酸盐等的性质和应用,认识和了解它们在生产、生活中的应用。学习任务

硅酸盐材陶瓷在我国有悠久的历史,手工制造陶瓷的一般过程如图所示。请你结合初中学过的知识回答下列问题。(1)制造陶瓷的原料是什么?(2)手工制造陶瓷的过程中,一定发生化学变化的是哪个过程?

答案(1)制造陶瓷的原料是黏土。(2)一定发生化学变化的是④烧结。1.硅酸盐的结构、特点结构

特点硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点硅氧四面体2.陶瓷产品

主要原料

制备过程

生产应用陶瓷①

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3.玻璃和水泥产品普通玻璃

主要原料②纯碱、石灰石、石英砂

③

主要设备玻璃窑

主要成分④NaSiO、23CaSiO、SiO32

用途建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等⑤石灰石、黏水泥⑥土

水泥回转窑⑦

硅酸盐

和沙子、碎石、水等混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“”)。

1.制水泥、玻璃的共同原料是石灰石(√)2.硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物()3.汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏土(√)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(√)1.下图是常见的硅酸盐产品。请指明各图中展示的硅酸盐产品所属的类别。它们都是混合物吗答案图1、2属于陶瓷,图属于水泥,图4属于玻璃。它们都是混合物。2.钢化玻璃是普通平板玻璃经过再加工处理而成的一种玻璃。为提高玻璃的强度通常使用化学或物理的方法,在玻璃表面形成压应力,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身抗风压性、寒暑性、冲击性等。利用题目信息分析钢化玻璃与普通玻璃成分是否相同答案相同。3.用石灰水抹墙和用水泥砌墙的硬化原理是否相同,为什么?答案不相同。石灰水抹墙时发生的反应为2物理化学变化,二者原理不同。

2

CaCO↓+HO,而水泥的硬化是发生了复杂的321.关于玻璃的认识(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化。制得的玻璃是混合物没有固定的熔点。(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。(3)常见玻璃种类玻璃种类

性能

用途

透光性好,

制造眼镜、照相机含铅的光学玻璃折射率高耐化学腐蚀、耐

和光学仪器的透镜加入硼酸盐的玻璃

制实验玻璃仪器高温急剧变化加入金属氧化物或具有多种颜色

建筑、装饰盐得到的彩色玻璃2.关于水泥的认识(1)水泥具有吸水性在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质因而变硬的水泥不能使用。(2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放出CO。21.唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于()A.氧化铝C.硅酸盐答案C

B.二氧化硅D.合金唐三彩、秦兵马俑制品由黏土经高温烧结而成属于硅酸盐产品。2.下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是()A.水泥中加入石膏可以调节水泥的硬化速率B.生产玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英砂C.玻璃有固定的熔、沸点D.陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品

答案C

在水泥中加入适量石膏可以调节水泥的硬化速率,故A正确;生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂,故B正确;玻璃是混合物,一般混合物都没有固定的熔、沸点,故C错误;陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品,故D正确。3.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、抗氧化等优点答案A

氧化铁为红棕色固体瓷器的青色不可能来自氧化铁,A错误。学习任务

新型无机金属材料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)SiO+2C2

Si+2CO↑(b)Si+3HCl

SiHCl+H3

2(c)SiHCl+H3

2

Si+3HCl2.新型陶瓷——碳化硅SiC)俗称

结构特点

主要性能

生产应用金刚原子和硅原子通过共价键连接具

硬度很大、优异的高温砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料砂有类似金刚石的结构

抗氧化性能

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C。60(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电学性能,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。判断下列说法的正误(正确的画“√”,错误的画“✕。1.光电池可以将光能直接转化为电能(√)2.Si是太阳能电池和光导纤维的主要成分(

✕

)3.碳化硅硬度大、熔点高可用于制作高温陶瓷和轴承(√)4.石墨烯属于有机化合物

✕

)1.二氧化硅是一种酸性氧化物。实验室中要熔化烧碱固体,现有三种坩埚:石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚。你认为应该选哪一种?简述选择的依据。

答案选择铁坩埚。铁不与烧碱NaOH)反应,而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有,能与NaOH反应,使得坩2埚受损。2.普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理变化和化学变化(生成NaSiOCaSiO)而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗?233答案

由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”,可知反应的化学方程式为SiOCO223

NaSiO+CO↑、232SiO+CaCO23

CaSiO+CO↑。323.工业上利用焦炭与SiO高温下反应制备粗硅由此能否说明碳的还原性大于硅?2答案不能。因为比较物质氧化性、还原性的强弱必须是在通常情况下发生的反应,题述反应是在高温条件下发生的,所以不能比较碳和硅还原性的强弱。4.半导体或芯片是由晶体硅生产的。它们被广泛用于集成电路,如计算机、电视等,还有的被应用于先进的微波传送、激光转换系统、医疗诊断和治疗设备等。虽然芯片比较坚硬但是可被溶液腐蚀,生成SiF4一种气体,请写出该反应的化学方程式。答案反应的化学方程式为SiF+2H↑。421.硅的化学性质(1)在常温下不活泼但能与氢氟酸反应Si+4HFSiF↑+2H↑。42(2)加热条件下能与O反应:Si+O22

2

SiO;Si+2Cl2

2

SiCl。42.注意二氧化硅的两个反应(1)碱性试剂如NaOH溶液、NaCO溶液等不能带玻璃塞的试剂瓶存放的原因:碱性试剂能与玻璃塞的主要23成分SiO应:2NaOH+SiO2

2

NaSiO+HO,NaSiO有黏合性,能将瓶塞和试剂瓶黏结在一起。23223

(2)氢氟酸能腐蚀玻璃不能用玻璃瓶盛放可用氢氟酸雕刻玻璃花纹。3.新型陶瓷类型高温结构陶瓷压电陶瓷

组成碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物钛酸盐和锆酸盐等

性能耐高温、抗氧化、耐磨蚀等实现机械能与电能的相互转化

用途火箭或汽车的发动机、高温电极材料滤波器、扬声器、超声波探伤器、点火器等透明陶氧化铝、氧化钇或氮化铝、具有优异的光学性能,耐高温,绝瓷氟化钙缘性好

高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷

—

在某一临界温度下电阻为零,具有超导性

电力、交通、医疗等领域1.具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世,填补了我国计算机制造史上的一项空白,下列对晶体硅的叙述中正确的是()A.晶体硅和金刚石的物理性质相似B.硅在地壳中含量居第二位,可以游离态的形式存在于自然界中C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但提炼工艺复杂,价格非常昂贵D.晶体硅具有金属光泽属于金属材料可以导电答案AA项,晶体硅和金刚石的熔点高、硬度大具有相似的物理性质B项,在自然界中没有游离态硅存在C项晶体硅的价格已不昂,经广泛应用于电子器件及电脑配件;D项,体硅属于无机非金属材料。2.碳纳米管、石墨烯、等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是()60

A.碳纳米管属于胶体B.石墨烯属于有机化合物C.C与金刚石互为同素异形体60D.均具有相同的熔点答案C

碳纳米管是一种纳米材料与胶粒直径吻合,需要分散到分散剂中才能形成胶体,故A错误;石墨烯是由石墨剥离出的单层碳原子结构的单质不属于有机化合物,故B错误;C与金刚石同属于碳的单质互60为同素异形体,故C正确;不同的新型碳材料因结构不同应具有不同的熔点故D错误。3.根据不同部位工作条件的不同,航天飞机使用了多种防热材料。例如,机身和机翼下表面使用高温结构陶瓷。下列关于新型陶瓷材料的叙述中错误的是)A.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B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,是生物陶瓷C.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,但是强度比较差答案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具有较高的强度和耐磨性能抵抗冷热冲击,常用于发动机的受热面,D项错误。1.据报道,碳纳米管是由碳原子构成的大分子组成的,其导电性是单质铜的1万倍。下列叙述中,不正确的是()A.

14

C的质子数为6

B.石墨和碳纳米管互为同素异形体C.金刚石和碳纳米管分子互为同位素D.碳纳米管是非金属导体答案C

金刚石和碳纳米管都是由碳元素组成的不同单质互为同素异形体,故C错误。2.据报道,我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料其主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的。下列叙述不正确的是)A.它耐高温、抗氧化B.它比钢铁轻、硬但质地较脆C.它没有固定熔点D.它是一种新型无机非金属材料答案B

航空材料的特点是质轻、强度高、稳定性好故A项正确、B项不正确复合材料属于混合物,没有固定的熔、沸点,根据其组成可知新型航空材料属于新型无机非金属材料故C、D项正确。3.宁波博物馆墙面通过两种方式装饰而成:第一种方式是用民间收集的上百万片明清砖瓦手工砌成瓦片墙另一种方式是用竹条加入混凝,在表面展现竹的纹理。博物馆展品中陈列着大量宋代精美瓷器——青花瓷。下列说法错误的是()A.古代的陶瓷、砖瓦及现代的玻璃、水泥等,大多是硅酸盐产品B.工业上制取水泥的主要原料为黏土、石灰石C.博物馆窗户上普通玻璃的主要成分是SiO

2D.青花瓷胎体的原料为高岭土答案C

普通玻璃是硅酸盐产品其主要成分是NaSiO、SiO。23324.由SiO取Si的过程中不涉及的化学反应反应条件未说明)是()2A.2C+SiO

2

Si+2CO↑B.SiO2

NaSiO+HO232

C.Si+3HClD.SiHCl+H3答案B

2

SiHCl+H32Si+3HCl由SiO制取Si时要先制得粗硅,反应为2C+SiO2

2

Si+2CO↑,然后进行提纯反应依次为Si+3HCl

SiHCl+H+H323

2

Si+3HCl。5.下列有关硅及其化合物的叙述中,正确的是()A.硅是光导纤维的主要成分B.硅是构成岩石与许多矿物的基本元素C.SiO酸性氧化物,不与任何酸发生反应2D.可以通过SiO水反应一步制得硅酸2答案B

光导纤维的主要成分是二氧化硅故A错误;硅是亲氧元素,岩石与许多矿物的基本元素中含有Si元素,故B正确;SiO酸性氧化物但可与氢氟酸发生反应,故C错误;二氧化硅不溶于水,不能通过SiO2与水反应一步制得硅酸,故D错误。6.稻壳是大米外面的一层壳。某稻壳灰的成分见下表:

2组分

SiO

2

CNaOKOAlO222

3

FeO2

3质量分59.20

38.800.250.500.640.61数/%通过如下流程可由稻壳灰制备较纯净的二氧化硅。请回答下列问题:

2-32-32-32-3(1)根据氧化物的性质进行分类,稻壳灰中涉及的氧化物最多有

类。(2)写出步骤①中二氧化硅发生反应的离子方程式:。(3)通过流程分析滤渣A的成分是(填化学式)。(4)已知滤渣B为硅酸,写出步骤③反应的化学方程式:。答案(1)3(2)SiO+2OH2(3)FeO、C23(4)HSiO23

-

SiOHO+SiO2

2

+HO2解析(1)二氧化硅为酸性氧化物氧化钠、氧化钾、氧化铁为碱性氧化物氧化铝为两性氧化物,所以最多涉及3种氧化物。(2)二氧化硅为酸性氧化物,与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水反应的离子方程式为SiO+2OH-2

SiO+HO。(3)化钠、氧化钾均能与水反应生成可溶性碱氧化铝为两性氧化物能够与强2碱反应生成可溶性偏铝酸盐,二氧化硅为酸性氧化物,氢氧化钠反应生成可溶性硅酸钠三氧化二铁与氢氧化钠不反应,所以滤渣A为FeO、C。(4)硅酸不稳定,受热易分解生成二氧化硅和水。231.据报道,我国华为公司的技术标准成为世界“5G”通信标准的重要组成部分。随着“5G”时代的到来以光导纤维为基础的信息高速通道更显重要。制造光导纤维的材料是()A.晶体硅B.二氧化硅

C.铜合金D.不锈钢答案B

二氧化硅具有良好的光学特性其导光性非常好制造光导纤维的主要原料为二氧化硅。2.下列关于水泥的说法正确的是()A.生产水泥时,加入适量的石膏可以调节水泥的硬化速率B.水泥在水中能硬化在空气中不会硬化C.水泥与水混合时会生成不同的水合物,要吸收一定的热量D.水泥溶于水后的硬化过程是一个物理变化答案A

水泥不仅可以在水中发生硬化而且可以吸收空气中的水分硬化水泥中的成分与水生成不同的水合物,水泥的硬化过程主要是化学变化,此过程放热。3.根据普通玻璃、普通水泥和普通陶瓷的生产过程,总结出硅酸盐工业的一般特点是)①原料一定有含硅元素的物质②生成物是硅酸盐③反应条件是高温④发生复杂的物理、化学变化A.①②B.①②③C.①③④D.①②③④答案D

硅酸盐工业的主要特点是生产原料一定有含有硅元素的物质产品的物质类型属于硅酸盐使物质发生变化的条件是高温;物质变化的类型,既有物理变化,又有多种复杂的化学变化。4.宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是)A.窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应引起的颜色变化B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料C.高品质的瓷器晶莹剔透属于纯净物D.陶瓷属于硅酸盐材料耐酸、碱腐蚀但是不能用来盛装氢氟酸

答案C

瓷器中含有多种硅酸盐是混合物,C错误。5.石墨烯目前是世界上最薄、最坚硬的纳米材料,它是一种透明、良好的导体石墨烯是由碳原子构成的具有单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳单质新材料它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法不正确的是()A.石墨烯具有优良的导电、导热性能B.石墨烯是一种新型无机非金属材料C.石墨烯与富勒烯的结构相同D.石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的答案C

石墨烯与富勒烯结构不同故C不正确。6.世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士在编写《中国科学技术史》时曾考证说:“中国至少在距今3000年以前,就已经使用玻璃了。”下列有关普通玻璃的说法不正确的是)A.制普通玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英砂B.玻璃在加热熔化时有固定的熔点C.普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅D.盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,是为了防止烧碱与二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口黏结在一起答案B

玻璃是混合物,没有固定的熔点B错误。7.陶瓷的发明是人类早期科学技术发展史上一个重要的里程碑,现在陶瓷已广泛应用于生活和生产中。(1)陶瓷不具有的性质是。A.可导电B.耐酸、碱

C.抗氧化D.耐高温(2)实验室熔融烧碱样品时一般选用

坩埚。(3)在搪瓷和陶瓷器具表面的釉质中含有极微量的含Pb、Cd和Sb等元素的有毒金属盐类,为防止中毒,不能长期盛放下列物质中的。A.食用植物油C.食醋

B.酱油D.酒(4)工业上制备陶瓷的主要原料是。答案(1)A(2)铁(3)C(4)黏土解析(1)陶瓷有抗酸、碱腐蚀耐高温,绝缘,易成型等特点。(2)加热时NaOH能与瓷坩埚中的成分SiO反应损坏坩埚,所以熔融烧碱时,一般用铁坩埚。2(3)食醋中的醋酸能溶解铅、镉、锑等金属元素。(4)工业制陶瓷的主要原料是黏土。8.“试玉要烧三日满,辨材须待七年期”是唐代诗人白居易的名句,下列有关“玉”的说法正确的是()A.玉的成分是石灰石B.玉能与盐酸反应放出CO

2C.玉的熔点较高D.玉的成分是金刚砂答案C

玉有软玉和硬玉两种软玉和硬玉的成分都是硅酸盐,石灰石成分为碳酸钙,不属于硅酸盐,故A错误;玉的成分都是硅酸盐,不是碳酸盐,与盐酸反应不能放出CO,故B错误;“试玉要烧三日满”的意思是2

检验“玉”的真假要烧满三日,说明“玉”的熔点较高,故C正确;金刚砂是人工制成的碳化硅,玉的成分是硅酸盐,故D错误。9.能在玻璃上进行蚀刻将其制成毛玻璃和雕花玻璃的物质是()A.烧碱B.纯碱C.氢氟酸D.盐酸答案C

二氧化硅能与烧碱反应但反应缓慢,产生的硅酸钠和二氧化硅难以分离不能用于蚀刻玻璃,A项错误;纯碱和二氧化硅不反应,不能用于蚀刻玻璃,B项错误氢氟酸与二氧化硅易反应产生四氟化硅气体,能用于蚀刻玻璃,C项正确;盐酸和二氧化硅不反应,不能用于蚀刻玻璃,D项错误。10.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.如图是汽车中的小摆件“苹果花”,它的动力是以Si为原料制作的太阳能电池B.晶体硅的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答案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、集成电路故A正确;用于制造光导纤维的是二氧化硅,故B错误;氧是地壳中含量最多的元素,故C错误;硅是亲氧元素,在自然界中以化合态形式存在,故D错误。11.平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了-20℃能发热4h的智能服饰用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35m、重量仅为10kg的熊猫木偶,向世界展现了新时代的中国形象。下列说法不正确的是()

A.石墨烯是能导热的金属材料B.铝合金是密度较小的金属材料C.碳纤维是耐低温的无机非金属材料D.新型材料种类多、用途广答案A

石墨烯是碳的一种单质属于无机非金属材料,故A错误。12.(双选)科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程如图所示容器①中的反应为Si(粗)

SiHCl(l)+H(g);容器②中的反应为SiHCl+H323

2

Si(纯)+3HCl,下列说法正确的是()A.容器①中的反应HCl作氧化剂B.该工艺流程的优点是部分物质可循环利用C.最好用分液的方法分离和SiHCl

3D.由①中反应可知可与盐酸发生反应答案AB

容器①中的反应作氧化剂,A正确;在该工艺流程中HCl(g)和H可以循环利用,B正确;2固体Si和液体SiHCl使用过滤法分离C不正确;容器①中,Si与氯化氢在高温条件下发生反应,而不是与3盐酸反应,D不正确。

13.(双选)青石棉是世界卫生组织确认的一种致癌物质,其化学式为NaFeSiO(OH)。青石棉用稀硝酸处理258222时,还原产物只有。下列说法正确的是)A.青石棉属于硅酸盐材料B.青石棉易燃且易溶于水C.青石棉的化学组成用氧化物的形式可表示为NaO·5FeO·8SiOO222D.1molNaFeSiO(OH)足量的稀硝酸作用至少需消耗6L3mol/LHNO液2582223答案AD

青石棉属于硅酸盐材料故A正确。青石棉不易燃,也不溶于水,故B错误。根据题给信息可知青石棉中铁元素的化合价有+2和+3两种,根据原子守恒推出其用氧化物的形式可表示为NaO·3FeO·2FeO·8SiO·HO,故C错误。6L3mol/LHNO液中HNO物质的量为18mol;青石棉用稀硝酸处理时,232233亚铁离子被氧化为铁离子,硝酸被还原为一氧化氮,1molNaFeSiO(OH)中含亚铁离子3mol,根据得失电258222子守恒,氧化3mol亚铁离子消耗1molHNO;青石棉中的Na、Fe原子最终都转化为NaNO、Fe(NO),根据3333原子守恒,消耗HNO物质的量为(2+5×3)mol=17mol,所以mol青石棉共消耗1+17)mol=18molHNO,3