5-3-无机非金属材料(原卷版)

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核心素养科学探究与创新意识了解硅元素及其化合物在自然界的存在，知道晶体硅是良好的半导体材料，能说出它的主要用途；了解硅酸盐的组成，学会用氧化物的形式表示复杂硅酸盐的方法，知道硅酸钠的性质和用途。科学态度与社会责任玻璃、水泥和陶瓷是硅酸盐制品以及生产它们的主要原料。预习导学一、硅酸盐材料原料设备1陶瓷－2玻璃3水泥二、新型无机非金属材料1、硅和二氧化硅（1）硅在自然界以和的形式存在，单质硅导电性介于与之间，是良好的材料。（2）粗硅的制取：_____________________。（3）高纯度硅的制取：第一步：工业上是用硅石（SiO2）和焦炭以一定比例混合，在电炉中加热至1800~2000℃而制得纯度为95%~99%的粗硅；第二步：三氯氢硅的合成，三氯氢硅是由干燥的氯化氢气体和粗硅粉在合成炉中（,300℃）进行合成的。第三步：提纯三氯氢硅和高纯氢混合后，通入1100℃还原炉内进行反应，即可得到硅。涉及的方程式分别为：______________________、_____________________、______________________________。（4）高纯硅广泛用于______和______等领域；二氧化硅可用于生产_____________。2、新型陶瓷（1）新型陶瓷在、、、等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。（2）碳化硅俗称，其中的碳原子和硅原子通过键连接，具有类似于金刚石的结构，硬度，可用作的磨料。碳化硅具有优异的性能，使用温度可达到1600℃，大大超过了普通金属所能承受的温度，可以用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。3、碳纳米材料（1）碳纳米材料是一类新型无机非金属材料，主要包括、、等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。（2）富勒烯是由碳原子的构成的一系列笼型分子的总称，其中的是富勒烯的代表物。（3）石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，他的特点是、，具有很高的强度。重难突破重点1单质硅、二氧化硅及其硅酸盐的性质1．硅的化学性质：常温下，硅的化学性质不活泼。加热时可与一些非金属及其他物质反应。(1)常温下，除能与氟气、氢氟酸和强碱反应外，硅不与氧气、氯气、硫酸、硝酸、盐酸等其他物质发生反应。①与氟气反应：Si＋2F2=SiF4；②与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)加热时，硅能与氧气、氯气等反应，也能与碳反应（3）硅的制备硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个阶段：2.CO2和SiO2的比较物质二氧化碳二氧化硅主要物理性质熔沸点低高溶解性可溶不溶化学性质与水反应CO2+H2OH2CO3不反应与酸反应不反应SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O与碱反应（NaOH）CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O或CO2+NaOH=NaHCO3SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞与盐的反应CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑与碱性氧化物的反应与Na2O反应：CO2+Na2O=Na2CO3与CaO的反应：SiO2+CaO=CaSiO33.硅、二氧化硅、硅酸、硅酸盐的特殊性质物质一般规律硅及其化合物的特性Si硅的还原性大于碳2C＋SiO2Si＋2CO↑非金属单质与强碱溶液反应一般不产生H2硅可与强碱溶液反应产生H2非金属一般不与非氧化性酸反应Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑非金属单质一般为绝缘体硅为半导体，常用于电子部件SiO2酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸SiO2不溶于水，也不与水反应酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一个规律，H2CO3的酸性大于H2SiO3但以下反应不符合此规律Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑H2SiO3无机酸一般易溶于水硅酸和原硅酸均难溶于水硅酸盐大多数硅酸盐难溶于水常见的可溶性硅酸盐为Na2SiO3，水溶液称水玻璃、泡花碱【例1】下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是()A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸C．CO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物D．CO2和SiO2物理性质不同，但化学性质一样重点2硅酸与碳酸的对比1．硅酸二氧化硅对应的水化物是硅酸。(1)性质①硅酸为白色固体，难溶于水。②酸性极弱，比碳酸还弱，不能使指示剂发生变色，只能与强碱反应，例如：H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O③硅酸不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为：H2SiO3SiO2+H2O(2)制备由于二氧化硅不能与水化合，所以制备硅酸时只能使用间接的方法，如向Na2SiO3溶液中滴加盐酸或通入CO2气体等，利用的原理都是：强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐。如：CO2＋Na2SiO3＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO32．碳酸二氧化碳对应的水化物是碳酸(H2CO3)，碳酸的酸性很弱(但比H2SiO3强)，且很不稳定。H2CO3=H2O＋CO2↑因此，有关碳酸的化学反应通常用二氧化碳和水来代替。【例2】为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。请据此回答：(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。(2)装置B所盛的试剂是_____________，其作用是_____________________________。(3)装置C所盛试剂是______________，C中反应的离子方程式是___________________。(4)由此得到的结论是：酸性：____＞____＞____。重点3硅酸盐及其组成的表示1．硅酸盐由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。2．硅酸钠：硅酸钠水溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。3．硅酸盐常用的表示法——氧化物法硅酸盐通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为：（1）氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。（2）氧化物之间以“·”隔开。（3）氧化物前的化学计量数配置原则：各元素原子总个数比符合原来的组成。（4）化学计量数配置出现分数时应化为整数。例如：高岭土：Al2O3·2SiO2·2H2O石棉：CaO·3MgO·4SiO2沸石：Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O云母：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O滑石：3MgO·4SiO2·H2O长石：K2O·Al2O3·6SiO2（长石KAlSi3O8不能写成eq\f(1,2)K2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2）。【例3汉代器物上的颜料“汉紫”至今尚没有发现其自然存在的记载。20世纪80年代科学家进行超导材料研究时，偶然发现其成分为紫色的硅酸铜钡(化学式：BaCuSi2Ox，Cu为＋2价)，下列有关“汉紫”的说法中不正确是()A．用盐的形式表示：BaSiO3·CuSiO3B．用氧化物形式表示：BaO·CuO·2SiO2C．易溶于强酸、强碱D．性质稳定，不易褪色课堂演练1.我国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。下列对晶体硅的有关叙述正确的是()A．晶体硅和金刚石的物理性质相似B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应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，价格昂贵D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电2．下列说法正确的是()A．硅材料广泛应用于光纤通讯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3.①水泥路②门窗玻璃③水晶镜片④石英钟表⑤玛瑙手镯⑥硅太阳能电池⑦光导纤维⑧计算机芯片，所用材料为SiO2或要用到SiO2的是()A．⑥⑧B．①②⑦⑧C．①②③④⑤⑦D．全部4.下列叙述正确的是()A．Na2SiO3是硅酸盐，所以不溶于水B．电影银幕用水玻璃浸泡，主要是为了防腐C．建筑工业常用水玻璃作粘合剂D．用水玻璃浸泡铁道的木制枕木，主要是为了防火5.下列含硅物质：①硅酸钙CaSiO3，②长石KAlSi3O6，③石棉CaMg3Si4O12，它们在组成上的相同点是_____________________________，共同的物质类别是____________。它们种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，如硅酸钙CaSiO3可表示为CaO·SiO2，长石表示为_____________________，石棉表示为________________________。课后学习评价基础巩固1.下列关于碳和硅的比较，正确的是()A．它们的氧化物都能与水反应生成对应的酸B．碳和硅的最高正价都是＋4价C．硅元素在地壳中的含量占第二位，碳占第一位D．碳和硅在自然界中的存在形式都是既有游离态也有化合态2.据《参考消息》报道，有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”的观点。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．自然界中硅的贮量丰富3．（双选）下列离子方程式书写不正确的是()A．往NaOH溶液中通入少量CO2：CO2＋OH－=HCO3－B．H2SiO3与NaOH溶液混合：2OH－＋H2SiO3=2H2O＋SiO32－C．石英砂与烧碱反应制水玻璃：SiO2＋2OH－=SiO32－＋H2OD．往水玻璃中通入二氧化碳：Na2SiO3＋H2O＋CO2=H2SiO3↓＋2Na＋＋CO32－4．材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是()选项材料主要化学成分A刚玉、金刚石三氧化二铝B大理石、石灰石碳酸钙C普通水泥、普通玻璃硅酸盐D沙子、石英二氧化硅5.用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是()A．钙沸石[CaAl2Si3O10·3H2O]，表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2OB．镁橄榄石(Mg2SiO4)，表示为MgO·eq\f(1,2)SiO2C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)，表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2D．滑石(Mg3H2Si4O12)表示为3MgO·4SiO2·H2O6．在制玻璃、制水泥两种工业生产中，都需要原料()A．纯碱B．石灰石C．石英D．黏土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．氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料B．C60属于原子晶体，用于制造纳米材料C．纤维素乙酸酯属于天然高分子材料D．单晶硅常用于制造光导纤维8.北京奥运金牌“金玉合璧”(如图)上的环形玉是产自新疆的和田玉，和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐。某种和田玉的化学成分为Ca2Mg3Fe2(Si4O11)2(OH)2，下列有关叙述中正确的是()A．将该和田玉的化学式改写成氧化物的形式可表示如下：2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2OB．该和田玉能抵抗任何酸或碱的腐蚀C．该和田玉中Fe的化合价为＋2D．该和田玉是由5种氧化物组成的混合物9.指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～D选项中选择正确答案填 入括号内。①SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O()②SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up11(高温))Na2SiO3＋CO2↑()③SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up11(高温))Si＋2CO↑()④SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O()A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀B．弱氧化性C．酸性氧化物的通性 D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来10.在下图所示的物质相互转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色不溶于水 的物质。据此填空。(1)写出各物质的化学式：A_______、B______、C______、D_______、E________、F________。(2)B与a溶液反应的离子方程式是________________________。(3)A与a溶液反应的离子方程式是___________________________。提升演练11、硅单质和碳单质及相应氧化物、氢化物、盐在性质上有很多相似的地方。如它们的最高价氧化物都是酸性氧化物，都能与碱反应生成盐和水，都能和碱性氧化物(如CaO)反应生成盐等；它们的氢化物都能燃烧生成对应的氧化物和水。把河沙(主要成分