第10讲.无机非金属材料.学生版.doc

第十讲无机非金属材料知识重难点1熟悉碳单质及硅单质性质2熟悉二氧化碳及二氧化硅、硅酸的性质 3熟悉硅酸盐化学性质 4了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料知识点睛材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用和制造材料有着悠久的历史，从制造出第一种材料陶开始，发展到今天，材料的品种越来越多，琳琅满目的各种材料组成了一个庞大的材料家族。碳单质和硅单质碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。而以碳元素本身，通过不同结构、组合，也形成一个独特的无机非金属材料世界。一提到碳元素，人们最先想到的通常是石墨和金刚石。金刚石和石墨的化学成分都是碳(C)，但是它们的结构和性能却完全不同，科学家们称这种同质多像变体为“同素异形体”。金刚石是目前最硬的物质，而石墨却是最软的物质之一。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B“表示，粘土掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相对硬度，金刚石为10，而石墨的摩氏硬度只有1。它们的硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存在很大差异。石墨石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。图1 石墨原子结构图石墨最常见于变质岩中，是有机碳物质变质形成的，煤层经热变质也可形成石墨。有些火成岩中也可出现少量石墨。石墨可用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等，也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。图2 石墨的应用例题精讲【例1】 请列举石墨的用途。【例2】 石墨炸弹爆炸时，能在方圆几百米范围内撒下大量的石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏。这是由于石墨（）A有剧毒B易燃、易爆C能导电D有放射性知识点睛金刚石金刚石内部的碳原子呈“骨架”状三维空间排列，一个碳原子周围有4个碳原子相连，因此在三维空间形成了一个骨架状，这种结构在各个方向联系力均匀，联结力很强，因此金刚石具有高硬度的特性。天然金刚石是一种珍稀矿物，是宝石之王，因为它是世界上最硬的天然材料。精心琢磨后的金刚石透明有光泽，能呈现出极艳丽的色彩，成为世界上最昂贵的珍宝，也是历代统治者权势和财富的象征。在英国，有一根象征皇权的英王权杖，杖上就镶有一颗称为“非洲之星”的世界最大的钻石；而在国王的王冠上，则镶嵌着象征至高无上皇位的世界第二大钻石。这两颗钻石既是英国曾经辉煌于世界的见证，也是工匠们勤劳和智慧的结晶。有趣的是，既然金刚石是由碳元素组成，而碳在自然界是如此的丰富和廉价，为什么不点石成金？长期以来，人工合成金刚石一直是人类的梦想。自从1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石以来，人造金刚石及其工业制品已经发展成一个应用领域十分广泛的行业。目前，世界工业用金刚石产量约15亿克拉，其应用几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。比如，金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、加工精度几十倍甚至上百倍的提高。图3 金刚石晶体结构图图4 金刚石的应用【注意】金刚石和石墨的物理性质有很大差异的原因是：碳原子的排列不同。在氧气中燃烧，都只得到唯一的产物二氧化碳，由此证明金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质。例题精讲【例1】 金刚石、石墨都是碳元素组成的单质，为什么两种物质在物理性质方面有那么大的差异呢？【例2】 下列说法正确的是（ ）A目前人们已经发现了109种元素，这些元素组成的单质只有109种B只含有一种元素的物质一定是纯净物C金刚石和石墨的物理性质不同，是因为构成它们的原子不同D金刚石和石墨都是碳元素组成的单质知识点睛硅单质1、物理性质：（1）存在和形态：自然界中无游离态的硅，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。（2）晶体硅是灰黑色、有金属光泽、脆而硬的固体。（3）导电性：介于导体和绝缘体之间（硅和锗是重要的半导体材料）2、化学性质：和碳相似，形成共价化合物，化学性质不活泼。（1）常温下，不与强酸、强碱反应，只能与氟气，氢氟酸和烧碱等物质反应。Si+2F2= SiF4Si+4HF= SiF4+2H2Si+2NaOHH2O=Na2SiO3+2H2 (硅的特性)（2）加热条件下，能跟一些非金属单质反应。Si+ O2 = SiO2 高温Si+ H2 = SiH4（3）工业制法高温SiO2+2C= Si +2 CO(焦炭在电炉中还原二氧化硅得到粗硅，粗硅提纯后可以得到半导体材料的高纯硅)3用途（1）做半导体材料的晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等（2）制合金：含硅4%的钢具有良好的磁性-变压器铁芯；含硅15%左右的钢具有良好的耐酸性-耐酸性设备等。例题精讲【例1】 硅（Si）等半导体材料的发现，是计算机高科技发展的基础，工业上从石英砂提取粗硅的化学方程 式：2C+SiO2=Si+2CO。该反应属于（ ）A化合反应 B分解反应 C置换反应 D氧化反应【例2】 下面关于硅的叙述中，正确的是（）A硅的非金属性比碳强，只有在高温下才能跟氢气起化合反应B硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位C硅的化学性质不活泼，在自然界中可以以游离态存在D硅在电子工业中，是重要的半导体材料【例3】 由Fe、Si、Al组成的混合物9.7g与足量的稀硫酸反应，在标准状况下可生成5.6L氢气。若将同质 量的上述混合物与足量的氢氧化钠溶液反应，在标准状况下也可产生同样多的氢气。则在上述9.7g混合物中含Fe、Si、Al各多少克？【例4】 晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，从20世纪中叶开始，硅成了信息技术中的关键材料，工业上用焦炭在电炉中还原二氧化硅制得含少量杂质的粗硅，同时生成一氧化碳气体。碳化硅（SiC，俗称金刚砂）具有金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料，工业上使焦炭与二氧化硅在高温下反应制得碳化硅，同时生成一氧化碳气体。回答下列问题：（1）写出制取粗硅的化学反应方式 ，在该化学反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为 。（2）写出制取碳化硅的化学反应方程式 ，在该化学反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为 。（3）在制取粗硅和碳化硅的工业生产中，从环境保护和废弃资源再利用的角度来看，可采取的比较理想的附加措施是 。知识点睛二氧化硅 二氧化硅的结构二氧化硅晶体中硅原子和氧原子按12的原子个数比组成立体网状结构的原子晶体，故SiO2”只是化学式，表示了硅、氧原子的个数比，晶体中不存在SiO2分子。 物理性质：熔沸点高、硬度大、不溶于水、无色透明的固体。（地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%，其存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石，我们常见的普通玻璃中就含有SiO2。）【思考】SiO2是酸性氧化物，那么能否用SiO2溶于水的办法来制取H2SiO3呢? 化学性质主要有：具有弱氧化性：SiO22CSi2CO具有酸性氧化物的通性：CaOSiO2CaSiO3 SiO22NaOHNa2SiO3H2O【注意】玻璃中含有SiO2，故盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，只能用橡皮塞。特性：SiO24HFSiF42H2O（腐蚀玻璃）【思考】HF溶于水即得到氢氟酸，那么能不能用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸呢?应当用什么样的试剂瓶?用途：光导纤维的主要材料；石英表中压电材料；制造各种玻璃制品例题精讲【例1】 关于二氧化硅，下列叙述中不正确的是（）A二氧化硅晶体是一种原子晶体B二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸C二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应D二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别【例2】 下列关于碳和硅的叙述中不正确的是（ ）A最高价的氧化物都能与氢氧化钠溶液反应B单质在加热时都能跟氧气反应C氧化物都能溶于水生成相应的酸D二氧化硅不能与酸反应【例3】 在下列溶液中通入过量的二氧化碳，仍能产生沉淀的是（ ）A水玻璃 B石灰水 C饱和碳酸钠溶液 D氯化钙溶液【例4】 久置在空气中不易变质的是（ ）A纯碱 B烧碱 C水玻璃 D金属钠【例5】 实验室中盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，是因为（用化学方程式表示）_。【例6】 证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是（）A加入过量的盐酸，观察是否有气泡冒出B加入过量的烧碱溶液，观察是否有固体溶解C加热至高温，观察是否有气泡冒出，是否有硅酸钙生成D先加过量的盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现；若有不溶物则滤出，投入到氢氧化钠溶液中看其是否溶解【例7】 下列物质不能由单质直接化合生成的是（ ）AFeCl3 BCuS CSiO2 DAl2O3【例8】 15gSiO2 和足量的碳在高温下发生反应：SiO2 + 2C Si + 2CO，下列叙述正确的是（ ）A氧化剂和还原剂的质量比为1:2 BSiO2 是还原剂C反应中有16g碳被氧化 D反应中生成28g CO知识点睛硅酸SiO2对应的水化物是硅酸（H2SiO3），所以SiO2是H2SiO3的酸酐，类似于CO2是H2CO3的酸酐。因为SiO2不溶于水，所以H2Si3是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应而制得的。H2SiO3的酸性很弱，甚至比H2CO3还要弱，所以即使将CO2通人Na2SiO3溶液中也可以得到H4SiO4的白色胶状沉淀。Na2SiO32HClH2O2NaClH4SiO4（也可写成Na2SiO32HCl2NaClH2SiO3）Na2SiO3十CO22H2OH4SiO4（白色）Na2CO3（也可写成Na2SiO3CO2H2OH2SiO3Na2CO3）原硅酸（H4SiO4）很不稳定，在空气中易失水生成硅酸：H4SiO4H2SiO3H2O。例题精讲【例1】 证明碳酸的酸性比硅酸的酸性强的事实是（ ）ACO2 溶于水生成碳酸，而SiO2不溶于水B常温下CO2是气体，而SiO2是固体C高温下能发生SiO2 +Na2CO3Na2SiO3 + CO2D把CO2 通入水玻璃中会有白色胶状沉淀【例2】 由石英制取硅胶，经历以下三步，试写出每步反应的化学方程式（是离子反应写离子方程式）：（1）用氢氧化钠溶液溶解石英： ；（2）过滤，向滤液中加入盐酸： ；（3）微热浓缩硅酸溶液；加热蒸干溶液，并使固体完全分解 。【例3】 写出以SiO2为原料制备H2SiO3的化学方程式_ 知识点睛硅酸盐1硅酸盐：由硅、氧和金属组成的化合物的总称。2性质：大多数不溶于水，化学性质很稳定。3硅酸盐组成的表示：结构复杂，组成各异，通常用二氧化硅和金属氧化物的组成形式表示其组成。金属氧化物的顺序是按照金属活动性顺序从前往后排，化合价从低到高。4最简单而又最常用的是Na2SiO3，其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂的原料。硅酸盐广泛存在于地壳中地壳中的硅酸盐岩石长期在水的侵蚀下风化为黏土，有水的情况下形成土壤胶体，在此胶体中含有带负电的泥土胶体颗粒，能够吸附NH4+、K等带正电荷的阳离子而使土壤具有保肥能力。【思考】Na2SiO3水溶液放置在空气中会变质（为什么?）。例题精讲【例1】 能将Na2SiO3、CaCO3、SiO2三种白色粉末鉴别开来的试剂是（ ）A苛性钠溶液 B水 C氯化钡溶液 D稀盐酸【例2】 下列两个反应的反应原理是否存在矛盾？为什么？ Na2SiO3CO2H2OH2SiO3Na2CO3 SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2【例3】 要除去下列混合物中的杂质（括号内为杂质），请选用合适的试剂和操作方法填入空格内：（1）SiO2（CaCO3） ；（2）SiO2（Si） ；（3）NaCl（SiO2） ；（4）SiO2（H2SiO3） 。 知识点睛我们日常生活中接触到的水泥、玻璃、陶瓷是硅酸盐材料，它们都是以含硅物质为原料经加热制成。1、 水泥主要原料主要设备反应条件普通水泥的主要成分主要性质粘土石灰石(石膏)适量水泥回转窑高温硅酸三钙：3CaOSiO2硅酸二钙：2CaOSiO2铝酸三钙：3CaOAl2O3水硬性由上表可以看出，水泥最主要的性质是水硬性。即跟水混合搅拌并静置后，很容易凝固变硬，由于水泥具有这一优良特性，被用作建筑材料。又由于它在水中也能硬化，因此是水下工程必不可少的材料。建筑用粘合剂水泥沙浆的成分是水泥、沙子和水的混合物。混凝土是由水泥、沙子和碎石混合而成。目前，我国已成为世界上生产和使用水泥制品最多的国家。2、 玻璃主要原料反应条件反应方程式主要物质纯 碱石灰石石 英高温=高温=高温Na2CO3+CO2 Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2Na2SiO3CaSiO3SiO2通过上表可知制造普通玻璃时所用的原料，主要反应及普通玻璃的主要成分。【思考】制取氟化氢气体或盛放氢氟酸时能否用玻璃容器，为什么？【思考】我们看到的普通玻璃呈淡绿色，这是因为原料中混有二价铁，我们的周围还有蓝玻璃、红玻璃，是什么造成了它们的这种差别？例题精讲【例1】 下列物质中属于纯净物的是（ ）ANa2CO310H2O B水泥C纯净的盐酸 D普通玻璃【例2】 熔融烧碱应选用的器皿是（ ）A石英坩埚 B生铁坩埚 C普通玻璃坩埚 D陶瓷坩埚知识点睛陶瓷粘土混合 成型干燥 烧结冷却高温土器、陶器炻器、瓷器抗氧化、抗酸碱腐蚀耐高温、绝缘、易成型主要原料生产过程反应条件种 类性 能我国最为著名的陶器产地在江苏宜兴，有陶都之称。陶器的产生是人类发展史上的一块里程碑，是人类最早使用大自然的材料而制成的器具，制陶技术可以说是最古老的材料技术，是人类材料技术的发端。因此，恩格斯把陶器的出现作为新石器时代开始的标志。我国是世界上最早生产陶器的国家。有黑陶、白陶、彩陶等多个品种。陕西临潼出土的秦始皇兵马佣，被人们称作“世界奇观”，它们就是在烧成的陶胎上进行彩绘而制成的，称为彩绘陶，其工艺水平令世人叹为观止。我国瓷都为江西景德镇。制瓷器的要求比制陶器高，它需要纯净的粘土作原料，烧制温度也相对高一些。因此，瓷器比陶器瓷体白净，质地致密。陶瓷具有抗氧化、耐高温、耐酸碱腐蚀、绝缘、易成型等特点，但比较脆，易被碰损。例题精讲【例1】 石灰石在自然界中存量丰富，是许多工业的主要原料之一。但制取下列物质不需要石灰石的是 ( )A制玻璃 B制陶瓷 C制水泥 D制漂粉精【例2】 下列日常生活中的物质不属于硅酸盐产品的是（ ）A水晶制品 B陶瓷制品 C水泥 D玻璃【例3】 高岭土又叫瓷土，主要由高岭石的微小晶体组成，因盛产于我国江西景德镇的高岭而得名，是制造 瓷器的优良原料，其组成可表示为Al2Si2Ox(OH)y，其中的“x、y的数值分别是 ( ) A7，2 B5，4C6，3 D3，6【例4】 下列几种情况都有白色沉淀物质生成，其中生成物的化学成分相同的是（ ）(1)块状纯碱久置于空气中生成的白色粉末(2)盛澄清石灰水的烧杯内壁附着的白色物质(3)生石灰久置于空气中生成的白色物质(4)Na2SiO3水溶液置于敞口容器中，溶液中出现的白色浑浊A(1)(4) B(2)(3) C(1)(2) D(3)(4)知识点睛两种新型无机非金属材料 1、 高温结构陶瓷 高温结构陶瓷的优点：能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等。、 高温结构陶瓷的种类：氧化铝陶瓷 又叫人造刚玉，具有熔点很高、硬度高的优点。用于制作坩埚、高温炉管、球磨机、高压钠灯的灯管等。氮化硅陶瓷 具有硬度极高、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化能力等优点。可用于制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具、发动机部件等。氮化硼、碳化硼陶瓷 具有熔点高、硬度大的优点。广泛应用于工农业生产、原子能工业、宇航工业等。2、光导纤维（简称：光纤） 光导纤维的特点：传导光的能力非常强、抗干扰性能好、不发生电辐射等。 光导纤维的应用：通讯、医疗、信息处理、传能传像、遥控遥测、照明等。例题精讲【例1】 氮化硅（Si3N4）是一种新型陶瓷材料，它可由石英与焦炭在高温的氮气流中，通过以下反应制得： SiO2 + C + N2 Si3N4 + CO，回答下列问题：（1）该反应的氧化剂是 ，其还原产物是 ；（2）1molN2在反应中 （填得或失）电子的物质的量是 。【例2】 新型无机材料碳化钛（TiC）、碳化硼（B4C）、氮化硅（Si3N4）等称为非氧化物陶瓷，合成这些物质需要在高温条件下进行，在合成工艺中必须注意（ ）A通入足量的氧气 B避免与氧气接触C可在氮气气氛中合成 D通入少量氧气【例3】 制造光导纤维的主要原料是（ ）A晶体硅 B二氧化硅 C石墨 D硅酸钠家庭作业练习1 石墨炸弹爆炸时，能在方圆几百米范围内撒下大量的石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏。这是由于石墨（）A有剧毒B易燃、易爆C能导电D有放射性练习2 下列说法正确的是 ( )A金刚石和石墨都是由碳元素组成的，所以两者混合在一起形成的是纯净物B金刚石和石墨燃烧后都能生成CO2，证明它们都是仅由碳元素组成的C石墨能导电，木炭有吸附能力D金刚石和石墨的物理性质的差异是由于两物质的组成元素不同练习3 厄尔尼诺的原因之一是大气中CO2剧增，为减缓之，最理想燃料是（ ） A优质煤 B天然气 C汽油 D氢气练习4 10g含有杂质的CaCO3和足量的盐酸反应，产生CO20.1mol，则此样品中可能含有的杂质是（）AKHCO3和MgCO3 BMgCO3和SiO2CK2CO3和SiO2D无法确定练习5 下列关于碳和硅的叙述中不正确的是（）A金刚石和晶体硅都是原子晶体B地壳中硅元素比碳元素含量多C自然界里碳元素化合物比硅元素化合物种类多D碳和硅的氧化物都是分子晶体自由调配 习题1 二氧化硅属于酸性氧化物的理由是（ ）A硅是非金属元素 BSiO2对应的水化物是可溶性弱酸CSiO2能与强碱反应生成盐和水 DSiO2不能与酸反应习题2 下列物质中不与二氧化硅反应的是（）A烧碱B氢氟酸C硝酸D生石灰习题3 下列溶液能用玻璃瓶盛放，但不能用玻璃塞的是（ ）ANa2SiO3 溶液 BHF溶液 CNaNO3溶液 DNaCl溶液低碳生活“低碳生活”是个新概念，提出的却是世界可持续发展的老问题，它反映了人类因气候变化而对未来产生的担忧，世界对此问题的共识日益增多。 目前的主流看法是，导致气候变化的过量碳排放是在人类生产和消费过程中出现的，要减少碳排放就要相应优化和约束某些消费和生产活动。笔者以为，对占主流、有共识的“低碳生活”理念主旨可以概括为“适度吃、住、行、用，不浪费，多运动”。如以中国传统文化来解释这一理念的主要内涵，还可再简化为“勤、俭”二字。 “低碳生活”这一理念着眼于人类未来。近几百年来，以