2019-2020学年高中化学人教版(2019)必修第二册学案：5.3无机非金属材料

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、了解硅及二氧化硅的主要性质及应用。2、了解硅在半导体工业和二氧化硅、传统的硅酸盐制品和新型的无机非金属材料的应用。3、认识新材料的开发对人类生产、生活的重要影响。知识储备一、硅酸盐材料1、常见的硅酸盐产品产品名称陶瓷玻璃水泥生产原料黏土烧碱、石灰石、石英砂黏土、石灰石、石膏生产设备——玻璃窑水泥回转窑主要成分——Na2SiO3•CaSiO3•4SiO2硅酸三钙（3CaO•SiO2）铝酸三钙（3CaO•Al2O3）主要性质具有抗氧化性、耐高温、易成型无固定熔点，在一定温度范围内逐渐熔化具有水硬性，跟水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬2、硅酸盐的组成、结构和性质(1)概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称。(2)结构：在硅酸盐中硅原子和氧原子构成了硅氧_四面体_，如图所示，四面体通过顶角的氧彼此相连，每个氧原子为_2__个四面体所共有。(3)性质：结构决定性质，硅酸盐的特殊结构决定了多数硅酸盐具有硬度_高_、熔点_高_、难__溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。(4)用途：性质决定用途，硅酸盐的性质决定了硅酸盐作为一类优良的材料得到广泛应用。作为传统无机非金属材料主角的三大硅酸盐材料：水泥、陶瓷、玻璃。二、新型无机非金属材料1、硅（1）含量：在地壳中，硅的含量位居第二，仅次于氧。（2）存在形式：自然界中无游离态的硅。硅的化合物几乎全部是二氧化硅和硅酸盐。广泛存在于各种矿物和岩石中。（3）在元素周期表中的位置：位于第三周期、第ⅣA族。最外层电子为4个，既不容易的电子，又不容易失电子。（4）硅单质的种类和结构按形态分为晶体和无定形，硅晶体是正四面体结构。（5）物理性质色、态光泽熔点硬度导电性质地灰黑色金属光泽高大半导体脆（6）化学性质①常温下，硅与氢氟酸、氟气、强碱溶液反应。242i4iHFSHFS23222a2iHSiONaOHOHNS②加热（高温）条件下，硅与O2、Cl2、C、N2等非金属反应。金刚砂）高温(iSiCCS43223NSiNSi高温（7）高纯硅的制备其中涉及的主要化学反应：SiO2＋2C==============1800～2000℃Si＋2CO↑Si＋3HCl========300℃SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2========1100℃Si＋3HCl[注意]碳和二氧化硅反应时，碳被氧化只能生成一氧化碳。（8）硅的用途重要的半导体材料，信息技术的关键材料，主要用于制备硅芯片，应用于计算机、集成电路、晶体管等半导体器件中，还用于制造光电池。硅的合金用来制造变压器铁芯、耐酸设备等。2、二氧化硅（1）存在形态（2）结构SiO2晶体是立体空间网状结构，每个Si结合4个O，每个O结合2个Si，N(Si):N(O)＝1:2（3）物理性质熔点硬度水溶性导电性高大不溶于水不导电（4）化学性质（5）用途①水晶可用于制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品。②用于制造光导纤维。③石英玻璃常用制造高温的化学仪器。④石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。2、新型陶瓷3、碳纳米材料(1)富勒烯①主要特性由碳原子构成的笼形分子的总称，性质稳定。②用途为纳米科学提供重要的研究对象，用C60作车轮的。(2)碳纳米管①主要特性比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能。②用途生产复合材料、电池和传感器等。(3)石墨烯①主要特性电阻率低、热导率高、强度高。②用途广泛应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等。思考讨论普通玻璃是以纯碱、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而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗?232322CO+SiONaCONa+SiO高温。CO+CaSiOCaCO+SiO2332高温课堂练习1、世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“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.制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英B.玻璃在加热熔化时有固定的熔点C.普通玻璃的成分主要是硅酸钠、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，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起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。下列说法正确的是()A.自然界中存在大量的单质硅B.电弧炉中反应的化学方程式为22SiOCSiCO高温C.二氧化硅能与氢氟酸反应,而硅不能与氢氟酸反应D.3SiHCl(沸点为33.0℃)中含有少量的4SiCl(沸点为67.6℃),通过蒸馏可提纯3SiHCl3、诺贝尔物理学奖曾授予“光纤之父”英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家威拉德•博伊尔和乔治•史密斯。光导纤维的主要成分是二氧化硅,下列关于二氧化硅的说法正确的是()A.二氧化硅是酸性氧化物,因此能与水反应生成硅酸B.因2SiO不溶于水,故2SiO不是23HSiO的酸酐C.二氧化硅制成的光导纤维,由于导电能力强而被用于制造光缆D.二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应,但能与碳酸钠固体在高温时发生反应4、下列对物质用途的描述中，错误的是（）A.铝可用于冶炼某些熔点较高的金属B.22NaO可用作漂白剂C.碱石灰可用于干燥2CO、2O等气体D.SiC俗称金刚砂，可用作砂纸、砂轮的磨料5、1996年诺贝尔化学奖授予斯莫利等三位化学家,以表彰他们发现富勒烯60(C),开辟了化学研究的新领域。富勒烯60(C)由于具有空心的类似足球形状的结构,也称为足球烯。对于下列有关60C的说法中正确的是()A.60C在一定条件下可以与CuO发生置换反应B.60C的摩尔质量是720C.金刚石、石墨和足球烯60(C)三者和足量氧气反应的最终产物不同D.金刚石、石墨和足球烯60(C)的性质完全相同6、碳纳米管是由碳原子构成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，具有许多异常的力学、电学和化学性能。下列关于碳纳米管的说法不正确的是（）A.碳纳米管属于一种有机合成纤维B.碳纳米管与金刚石互为同素异形体C.常温下，碳纳米管具有较好的稳定性D.碳纳米管比表面积大，可用作新型储氢材料7、下列关于硅酸盐材料的说法错误的是（）A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷B.生产陶瓷的主要原料是黏土C.普通玻璃的主要成分只有2SiOD.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要生产原料8、山西博物院是太原市地标性建筑之一，下列相关说法正确的是（）A.展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有2SiOB.墙体使用的砖瓦、水泥，都是硅酸盐材料C.陈列的元青花瓷的原料有高岭土2254AlSiOOH，也可以表示为2322AlOSiOHOD.展示的青铜器上有一层绿色物质可能是碱式碳酸铜，此绿色物质不溶于盐酸9、关于二氧化硅的叙述不正确的是（）①二氧化硅是制造光导纤维的重要原料②硅、碳原子最外层都有4个电子，故2SiO的物理性质与2CO类似③2SiO既能和氢氧化钠溶液反应也能和氢氟酸反应，是两性氧化物④将2CO通入23NaSiO溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸比硅酸酸性强A.②③B.③④C.②④D.①④10、金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。（1）一定条件下，Na与4CCl可制备金刚石，反应结束冷却至室温后，回收其中的4CCl的实验操作名称为。推测该反应的类型为（填字母序号）、A.分解反应B.置换反应C.氧化还原反应D.离子反应（2）已知:2232Si2NaOHHONaSiO2H＋＋＋=。在高温电炉中碳和反应可制得2SiO，同时生成CO，其粗产品中杂质为Si和2SiO①请写出电炉中所发生反应的化学方程式:。每有1molSiC生成时，转移电子的物质的量为。②现将20.0gSiC粗产品加入过量的NaOH溶液中充分反应，收集到0.1mol氢气，过滤得siC固体11.4g，将滤液稀释到1L，则硅酸盐的物质的量浓度为。（3）下列关于金刚石、SiC和单质Si的说法不正确的是（填字母序号）A.金刚石、SiC和单质Si都属于无机非金属材料。B.金刚石和石墨、晶体硅和无定形硅分别互为同素异形体C.金刚石和单质硅都是良好的半导体材料D.金刚石、SiC和Si晶体结构类似答案以及解析1答案及解析：答案：B解析：普通玻璃以纯碱、石灰石和石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融制得，A正确；玻璃是混合物，没有固定的熔点，B错误;普通玻璃是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅熔化在一起所得到的物质,C正确;二氧化硅易与烧碱溶液反应生成2323NaSiO,NaSiO具有很强的黏合性，因此盛放NaOH等强碱性溶液的试剂瓶不能使用玻璃塞。2答案及解析：答案：D解析：自然界中没有单质硅,A错误;电弧炉中反应的化学方程式为22SiOCSiCO高温，B错误;二氧化硅和硅都能与氢氟酸反应，C错误;3SiHCl和4SiCl沸点相差较大，所以可通过蒸馏提纯3SiHCl,D正确;3答案及解析：答案：D解析：二氧化硅是酸性氧化物，与水不反应，A错误;虽然2SiO不溶于水，不能与水反应生成23HSiO,但2SiO仍可看作是23HSiO失去一分子2HO而形成，且2SiO与23HSiO中硅元素价态相同，故2SiO是23HSiO的酸酐,B错误;二氧化硅不能导电，C错误;二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应生成硅酸钠和2CO,D正确。4答案及解析：答案：C解析：铝与某些金属氧化物可以发生铝热反应，用来冶炼某些熔点较高的金属，A正确；22NaO具有强氧化性，因此可用作漂白剂,B正确;碱石灰是碱性干燥剂，不能用于干燥2CO等酸性气体，C错误;SiC俗称金刚砂，硬度大，可用作砂纸、砂轮的磨料,D正确。5答案及解析：答案：A解析：已知反应2CO2CCuOCu高温,而60C是由C元素组成的单质，故60C也能发生类似的置换反应,A正确;60C的相对分子质量为720,摩尔质量为1720gmol，B错误;金刚石、石墨和足球烯都是由碳元素组成的单质，与足量氧气反应的最终产物均为2CO，C错误;金刚石、石墨和足球烯互为同素异形体，性质并不完全相同,D错误。6答案及解析：答案：A解析：碳纳米管是由碳元素形成的单质,属于新型无机非金属材料，不属于有机合成纤维,A错误;碳纳米管与金刚石都是只由碳元素组成的单质，互为同素异形体，B正确;碳原子最外层有4个电子，不易得到或失去电子，所以碳单质性质稳定，由此可知，常温下碳纳米管具有较好的稳定性，C正确；碳纳米管是由碳原子构成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，所以比表面积大，可用作新型储氢材料，D正确：7答案及解析：答案：C解析：普通玻璃的主要成分为硅酸钙、硅酸钠、二氧化硅，故选C。8答案及解析：答案：B解析：钢化玻璃与普通玻璃的成分相同，只是制造的工艺不同，主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，选项A错误。砖瓦和水泥都是硅酸盐产品，选项B正确。高岭土2254AlSiOOH，应该表示为2322AlOSiOHO，选项C错误。铜绿是碱式碳酸铜，该物质可以与盐酸反应生成氯化铜而溶解，选项D错误。9答案及解析：答案：A解析：①二氧化硅可以制作光导纤维，正确。②二氧化硅是原子晶体，二氧化碳是分子晶体，所以二者物理性质差异很大，错误。③二氧化硅是酸性氧化物，错误。④二氧化碳和硅酸钠反应生成硅酸和碳酸钠，可以说明碳酸的酸性比硅酸强，正确。10答案及解析：答案：（1）过滤BC；（2）①SiO3CSiC2CO高温＋＋4mol②0.17mol/L；（3）C解析：（1）金刚石是不溶于4CCl的固体，4CCl是液体，将不溶性固体和液体分离通常采用的方法是过滤；Na还原4CCl反应生成C和NaCl，该反应属于置换反应，也是氧化还原反应。（2）①在高温电炉中C和2SiO反应可制得SiC，同时生成CO，反应的化学方程式为SiO3CSiC2CO高温＋＋；反应中C的化合价一部分由0价升高为＋2价，一部分由0价降低为4价，每有1molSiC生成时，转