2023-2024学年人教版新教材必修第二册 第五章第三节 无机非金属材料（第2课时） 学案

第三节无机非金属材料第2课时新型无机非金属材料知识链接Hi，在开始挑战之前，先来热下身吧！思考：单质硅在常温下化学性质不活泼，所以硅在自然界中以游离态存在，这种说法是否正确？。▪◆学习任务（一）读教材，首战告捷让我们一起来阅读教材，并做好色笔区分吧。（二）试身手，初露锋芒让我们来试试下面的问题和小练习吧。问题1．硅(1)周期表中位置位于元素周期表第三周期、第族的硅元素，正好处于金属与的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的材料。(2)自然界存在硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。(3)硅的制备与提纯工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。SiO2＋2C。(4)用途高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及太阳能光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。(5)化学性质①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF(氢氟酸)、强碱(如NaOH)溶液反应。Si＋F2===，Si＋HF===，Si＋2NaOH＋H2O===。②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。Si＋O2SiO2。问题2．二氧化硅(1)存在：SiO2广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称。(2)物理性质状态颜色熔点硬度水溶性晶体无色高大不溶(3)化学性质①具有酸性氧化物的通性：a．常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水：SiO2＋2NaOH==；b．高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：SiO2＋CaO。②弱氧化性：SiO2＋2C。③特性：与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋HF===。此反应常被用来刻蚀玻璃。问题3．光导纤维主要成分：。问题4．新型陶瓷问题5．碳钠米材料练习1．下列关于硅及二氧化硅的化学性质的化学方程式书写错误的是()A．硅与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑B．硅与烧碱溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑C．硅与盐酸反应：Si＋4HCl===SiCl4＋2H2↑D．二氧化硅在高温下被C还原：SiO2＋2CSi＋2CO↑练习2．下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是________(填序号)。①硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。②硅的导电性介于导体与绝缘体之间。③硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应。④水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。⑤高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。（三）攻难关，自学检测让我们来挑战吧！你一定是最棒的！有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是()A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料B．自然界中存在大量单质硅C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制D．自然界硅的贮量丰富举一反三：【变式】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)下列物质不属于硅酸盐的是________。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________。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＋SiO2高温Si＋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________。测一测，大显身手一、选择题（每小题有1个选项符合题意）1．下列说法正确的是()A．富勒烯是碳纳米材料，C60是有机物B．碳纳米管属于胶体C．碳纳米管的比表面积大，可用于生产复合材料D．石墨烯具有纳米尺度的直径2．下列不需要用到二氧化硅的是()A．光导纤维 B．半导体材料C．石英钟表 D．普通玻璃3．下列说法不正确的是()A．光导纤维是以二氧化硅为主要原料制成的B．二氧化硅溶于水生成硅酸C．石英、水晶、玛瑙的主要成分都是二氧化硅D．二氧化硅是一种熔沸点很高、硬度很大的氧化物4．用胶头滴管向用石蜡围成的“Spark”凹槽内注入某溶液，即可在玻璃上刻蚀出“Spark”的字样，则该溶液是()A．盐酸 B．氢氟酸C．烧碱 D．饱和食盐水5．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Si3N4B．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SiO2D．二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为1∶26．下列有关物质的性质或应用的说法不正确的是()A．二氧化硅是生产光纤制品的基本原料B．硅酸不溶于水可溶于NaOH溶液C．Na2O、Na2O2与CO2反应产物相同D．SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应7．2016年12月5日华为公司中央研究院瓦特实验室在日本世界电池大会上推出世界首个石墨烯锂离子电池。石墨烯可看作是石墨的层状结构一层一层地剥开得到的单层碳原子，它既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高出百倍，同时表现出良好的导电性能(如图A．石墨烯是一种新型的纳米化合物B．石墨烯与C60互为同素异形体C．石墨烯的结构中所有原子不可能处于同一平面D．石墨制取石墨烯的过程是化合反应8．二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断，其中正确的是()①SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O②SiO2＋2CSi＋2CO↑③SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O④Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑⑤SiO2＋3CSiC＋2CO↑a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃b．反应②中SiO2表现出氧化性c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应A．ace B．bde C．cde D．ab9．石英砂(主要成分为SiO2)是一种常见工业原料，其中常混有少量碳酸钙。要除去石英砂中的少量碳酸钙，应采用的方法是()A．用稀硫酸溶解后过滤分离B．用酒精灯加热C．用水溶解后过滤分离D．用稀盐酸溶解后过滤分离二、填空题10．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：Ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅。Ⅱ.粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCl300℃SiHCl3＋H2Ⅲ.SiHCl3与过量H2在1100℃反应制得纯硅，已知SiHCl3能与H2O请回答下列问题：(1)第Ⅰ步制备粗硅的化学反应方程式为_____________________________________。(2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点为33.0℃)中含有少量SiCl4(沸点为57.6℃)和HCl(沸点为－84.7℃)，提纯SiHCl3(3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图(热源及夹持装置略去)：①装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________________________________________________________________。②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________________，装置D中发生反应的化学方程式为_________________________________________________________________________________________________________________________________。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________。④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是________(填字母)。a．碘水b．氯水c．NaOH溶液 d．KSCN溶液e．Na2SO3溶液

参考答案知识链接Hi，在开始挑战之前，先来热下身吧！思考：单质硅在常温下化学性质不活泼，所以硅在自然界中以游离态存在，这种说法是否正确？提示：错误。硅是一种亲氧元素，在自然界中总是与氧相互化合，以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。所以自然界中无游离态的硅存在。▪◆学习任务（二）试身手，初露锋芒让我们来试试下面的问题和小练习吧。问题1．硅(1)周期表中位置位于元素周期表第三周期、第ⅣA族的硅元素，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，是应用最为广泛的半导体材料。(2)自然界存在硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。(3)硅的制备与提纯工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。SiO2＋2CSi＋2CO↑。(4)用途高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及太阳能光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。(5)化学性质①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF(氢氟酸)、强碱(如NaOH)溶液反应。Si＋2F2===SiF4，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。Si＋O2SiO2。问题2．二氧化硅(1)存在：SiO2广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称水晶。(2)物理性质状态颜色熔点硬度水溶性晶体无色高大不溶(3)化学性质①具有酸性氧化物的通性：a．常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水：SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2O；b．高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：SiO2＋CaOCaSiO3。②弱氧化性：SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑。③特性：与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。此反应常被用来刻蚀玻璃。问题3．光导纤维主要成分：SiO2。问题4．新型陶瓷问题5．碳钠米材料练习1．【答案】C【解析】常温下，硅能与氢氟酸、烧碱溶液反应，但不与盐酸反应。加热或高温条件下能与C、Cl2、O2等发生反应，化学方程式分别为Si＋CSiC、Si＋2Cl2SiCl4、Si＋O2SiO2。练习2．【答案】②【解析】①硅在自然界中只有化合态，没有游离态，硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，硅石的主要成分是SiO2，①不正确；②正确；③硅在常温下能与F2、HF和强碱溶液反应，③不正确；④水晶的成分是SiO2，④不正确；⑤SiO2用于制光导纤维而不是硅，⑤不正确。（三）攻难关，自学检测让我们来挑战吧！你一定是最棒的！【答案】B【解析】自然界硅的贮量丰富，大多数是以SiO2和硅酸盐的形式存在，无单质硅存在；硅单质是固体，化学性质不活泼，所以硅便于运输、贮存，其燃烧产物SiO2对环境污染程度低，容易有效控制，故A、C、D项正确，B项错。举一反三：【变式】【答案】(1)D(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O氢氟酸(3)防火剂D(4)CSiO2【解析】(1)生石灰是CaO，为碱性氧化物且不含Si，不属于硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸，因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”，具有阻燃的功能，因此可用作防火剂。SiO2和Na2CO3在高温下反应生成Na2SiO3和CO2，故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应，故不能用以上材质的坩埚熔融纯碱。(4)该反应中C被氧化，SiO2中＋4价的硅被还原，因此SiO2作氧化剂。测一测，大显身手【答案与解析】1．C【解析】C60是单质，不属于有机物，A错误；碳纳米管具有纳米尺度的直径，但不是胶体，其比表面积大，具有相当高的强度，可用于生产复合材料，而石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，B、D错误，C正确。2．B【解析】A项，光导纤维的主要成分为二氧化硅，正确；B项，半导体材料主要成分为Si，错误；C项，石英的成分为二氧化硅，正确；D项，玻璃的成分中含有二氧化硅，正确。3．B【解析】制造光导纤维的主要原料是二氧化硅，A项正确。二氧化硅不溶于水，所以通常用硅酸钠溶液和盐酸反应制硅酸，B项错误。石英、水晶、玛瑙的主要成分是二氧化硅，C项正确。二氧化硅的熔沸点高、硬度大，D项正确。4．B【解析】能腐蚀玻璃的是氢氟酸，反应的化学方程式为SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。5．D【解析】A项，在氮化硅中N元素为－3价，Si元素为＋4价，则化学式为Si3N4，正确；D项，在SiO2晶体中，一个硅原子与周围4个氧原子形成4个硅氧单键，错误。6．C【解析】A项，光导纤维的主要成分为二氧化硅，正确；B项，硅酸与NaOH溶液反应生成易溶于水的Na2SiO3，正确；C项，氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠，过氧化钠和二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，二者产物不同，不正确，符合题意；D项，二氧化硅是酸性氧化物，能和氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，正确。7．B【解析】A项，石墨烯是由一种元素组成的纯净物，属于单质，故错误；B项，石墨烯与C60是由碳元素组成的不同的单质，互为同素异形体，故正确；C项，石墨烯可看作是石墨的层状结构一层一层地剥开得到的单层碳原子，所以石墨烯的结构中部分碳原子处于同一平面，故错误；D项，石墨制成石墨烯，反应物与生成物均是一种，所以不属于化合反应，故错误。故选B。8．B【解析】通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，因此a、c判断错误；反应②