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第三节无机非金属材料一、硅酸盐材料1.无机非金属材料2.传统无机非金属材料产品原料主要成分应用陶瓷_____(含水的铝硅酸盐)生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具黏土产品原料主要成分应用普通玻璃_______________________(SiO2)_____________________生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料水泥______________、少量石膏水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土纯碱、石灰石和石英砂Na2SiO3、CaSiO3、SiO2黏土和石灰石【微思考】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?提示: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SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑,SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑。二、新型无机非金属材料1.硅和二氧化硅(1)硅元素的存在与结构存在原子结构示意图周期表中位置含量存在形态地壳中居第___位_____________________________________二氧化物和硅酸盐第三周期、第ⅣA族(2)单质硅的制备:【微思考】工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅,由此能否说明碳的还原性大于硅?提示:不能。比较氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,上述反应是在高温条件下发生的,故不能比较还原性的强弱。(3)硅和二氧化硅的用途2.新型陶瓷3.碳纳米材料碳纳米材料在_________________等领域有着广阔的应用前景。能源、信息、医药结构特点应用富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代碳纳米管由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径用于生产__________、电池和传感器石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料复合材料【情境·思考】从陶瓷材料发展的历史来看,经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃;由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃;精细陶瓷粉体的颗粒较大,属微米级(10-6m),用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级,用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料,得到新一代纳米陶瓷,这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性,有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。试分析传统无机非金属材料和新型无机非金属材料各有什么优点?提示:传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的比较:传统无机非金属材料具有性质稳定、抗腐蚀、耐高温等优点,但质脆,经不起热冲击。新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外,还有某些特征如:强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。知识点二氧化碳与二氧化硅的性质比较【重点释疑】二氧化碳与二氧化硅的性质比较物质二氧化硅二氧化碳存在存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中空气,燃料的燃烧产物物质二氧化硅二氧化碳物理性质固体,难溶于水,熔、沸点高,硬度大通常情况下为无色无味气体,密度比空气大,微溶于水物质二氧化硅二氧化碳化学性质①与水反应不反应CO2+H2O====H2CO3②与酸反应只与氢氟酸反应:SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O不反应物质二氧化硅二氧化碳化学性质③与碱液(NaOH)反应SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O或CO2+NaOH====NaHCO3④与碱性氧化物反应如与CaO反应:SiO2+CaOCaSiO3如与Na2O反应:CO2+Na2O====Na2CO3物质二氧化硅二氧化碳化学性质⑤与碳反应SiO2+2CSi+2CO↑CO2+C2CO用途制饰品、坩埚、光导纤维干冰用于人工降雨【知识拓展】硅及其化合物性质的“九大反常”(1)碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价,而硅常见的是+4价。(2)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。(3)非金属单质与强碱反应一般不生成氢气,而硅却能与强碱溶液反应产生氢气。(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成(类似于较活泼金属与酸的置换反应),Si+4HF====SiF4↑+2H2↑。(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接将它与水作用制备H2SiO3。(6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点却很高。(7)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O。(8)无机酸一般易溶于水,而H2SiO3却难溶于水。(9)因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应:Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能发生。【思考·讨论】(1)盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞,你知道这是为什么吗?提示:试剂瓶的瓶塞一般是毛玻璃,易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开,所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞。(2)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:SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应,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。【案例示范】【典例】(2019·嘉兴高一检测)下列叙述正确的是()A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以两者物理性质相似B.因为CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸强C.CO2和SiO2都能与碳反应,且都作氧化剂D.SiO2既能和NaOH反应,又能和HF反应,所以二氧化硅属于两性氧化物【解题指南】解答本题应注意以下3点:(1)CO2和SiO2在性质上既有一定的相似性又具有差异性。(2)由于SiO2和HF反应是SiO2的特殊性质,SiO2与其他酸不反应,所以SiO2不是两性氧化物。(3)SiO2、CO2与C反应时SiO2、CO2均表现氧化性。【解析】选C。CO2和SiO2都是酸性氧化物、化学性质相似,但物理性质差别很大,A项错误;硅酸的酸性比H2CO3弱,反应之所以发生,是因为CO2为气体,可以脱离反应体系,B项错误;CO2和SiO2与C反应时都作氧化剂,C项正确;SiO2与HF反应时生成的SiF4不是盐,所以SiO2不是两性氧化物,D项错误。【母题追问】(1)利用化学方程式说明碳酸和硅酸的酸性强弱。提示:向硅酸钠溶液中通入CO2气体,发生反应Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3,根据“较强酸制较弱酸”的原理,可知碳酸的酸性比硅酸强。(2)C项发生的反应中碳的作用是否相同?提示:相同。反应C+CO22CO、2C+SiO2Si+2CO↑中碳都作还原剂。【迁移·应用】2018年11月5日至7日,世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题,围绕“全球光纤光缆供需走势”、“5G和物联网带来的需求展望”、“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为SiO2。下列叙述正确的是()A.CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸B.SiO2与CO2都不能与酸反应C.SiO2与CO2(干冰)都能够与氢氧化钠溶液反应D.水晶的主要成分是SiC【解析】选C。A项,CO2与水反应,SiO2不与水反应,也不溶于水;B项,SiO2能与HF反应,但CO2不与酸反应;C项,SiO2、CO2均能与NaOH溶液反应:SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O,CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O;D项,水晶是纯净的SiO2,SiC俗称金刚砂。【补偿训练】1.(2019·兰州高一检测)下列关于二氧化硅的叙述不正确的是()①光导纤维主要成分是SiO2,故SiO2可以导电②能跟强碱反应,但不能与水反应③SiO2的熔、沸点较低④既不是酸性氧化物,又不是碱性氧化物A.②和③B.①③④C.②和④D.只有④【解析】选B。光导纤维只能对光传导;SiO2熔、沸点很高;虽然SiO2不溶于水,但它仍然是酸性氧化物,它是H2SiO3的酸酐。2.硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是()A.水晶项链是硅酸盐制品B.硅单质广泛用于光纤通讯C.利用盐酸刻蚀石英制作艺术品D.水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料【解析】选D。水晶项链主要成分是二氧化硅,A错;光纤是由二氧化硅制造而成的,B错;石英中的二氧化硅不与盐酸反应,C错。3.下列关于碳和硅的叙述中,正确的是()A.其氧化物都能与NaOH溶液反应B.其单质在加热时都能跟O2反应C.其氧化物都能溶于水生成相应的酸D.碳和硅两种元素共有两种单质【解析】选B。CO与NaOH溶液不反应,A错误;SiO2与水不反应,C错误;碳有多种同素异形体,D错误。【素养提升】“玛瑙”早期被书写成“马脑”。因“色如马脑,故从彼名”。自佛经传入中国后,翻译人员考虑到“马脑属玉石类”,于是巧妙地译成“玛瑙”。玛瑙的主要成分为二氧化硅,由于与水化二氧化硅(硅酸)交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属,颜色可从极淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)?提示:二氧化硅不与水反应,故应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐,再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。【课堂回眸】课题任务:以硫及其化合物、氮及其化合物的知识为载体,解决酸雨的防治问题【情境创设】柳州蝶变:从“酸雨之都”到“宜居花城”在上世纪80至90年代,广西柳州传统重工业聚集,粗放型发展模式使大气遭到严重污染,年酸雨出现频率最高达98%,被列为全国四大“酸雨之都”之一。作为广西最大的工业基地和西南工业重镇,柳州市多年来一直努力在工业发展与环境保护之间寻求平衡,现已成为践行绿色发展理念的城市典范。近20多年来,柳州市经过酸雨治理、生态建设和新型工业化探索,已经由过去的“酸雨之都”蜕变为“宜居花城”。在绿色发展理念的指引下,柳州实现了经济效益与环境效益的统一,工业发展与生态环境的良性互动,走出了一条“生态工业城”的发展新路。如今柳州已成为国家低碳试点城市、国家循环经济示范城市。【素养解读】1.核心素养:(1)科学探究与创新意识:能发现和提出有探究价值的问题,能从问题和假设出发,依据研究目的,设计探究方案。(2)科学态度与社会责任:具有探索未知、崇尚真理的意识;具有节约资源、保护环境的可持续发展意识。2.素养目标:通过课题的探究学习,掌握硫、氮及其化合物的相关知识,初步养成绿色应用意识,增强社会责任感。【素养探究】【探究一】酸雨成分的分析1.某同学查阅资料得知:酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。雨、雪等在形成和降落过程中,吸收并溶解了空气中的二氧化硫、氮氧化合物等物质,形成了pH低于5.6的酸性降水。中国的酸雨多为硫酸型酸雨,少为硝酸型酸雨,此外,各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因。(1)酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。以5.6为标准是因为正常雨水的pH大约为5.6,请分析原因。提示:空气中含有CO2,CO2与雨水反应生成碳酸,故雨水的pH约为5.6。(2)“硝酸型酸雨”是如何形成的?提示:氮的氧化物NO2、NO与雨水反应生成硝酸,使雨水的pH小于5.6,发生的反应为2NO+O2====2NO2、3NO2+H2O====2HNO3+NO。(3)某测定酸雨的站点对取得的酸雨样品进行了pH的测定,随时间推移,得到了如下实验数据。试分析酸雨的类型、形成原因及pH随时间变化的原因。时间(h)开始81624324048pH5.04.84.54.34.24.04.0提示:隔一段时间检测,发现pH逐渐减小,酸性增强,发生的反应为2H2SO3+O2====2H2SO4,酸雨样品中的H2SO3