《第三节无机非金属材料》公开课优秀教案教学设计(高中必修第二册)

1、专题03无机非金属材料10【知识导图】国氧.碳等元素一阜拿耐高 温.抗腐蚀.硬度高、特殊的光学,电学等性日常生活应用航 空、航天领域信息领域新能源锁域性能应用f成能应 一组性和新型无 机非金 属材料非金属材原料：黏土一陶禊二原 料，纯碱.石灰石和石英砂n 主要成分：硅酸钠j玻璃 硅酸 钙和二氧化硅传统无 机非金 属材料硅的制备 硅.用于作芯片.L太阳能电池二氧 制造光一化硅一导 纤维一蠹一碳化硅富勒烯碳纳米管，魏米石墨烯原料:黏土和石 灰右3丁标导航】1 结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系。2结合真实情景中的应用实例，了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。本专题在各种考试中主

2、要考查无机非金属材料的相关知识，包括硅及其化合物的性质、用途、制备以及传统及新型无机非金属材料的特点和用途，主要以选择题的形式出现。【重难点精讲】一、硅单质1 *存在硅单质主要有晶体和无逑两大类。2物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点直，硬度去，有脆性。3化学性质(1)常温下不活泼，一般不与苴他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。反应的化学方程式分别为:与氟：Si+2F2A=SiF4:与氢氟酸：Sl+4HF=SlF4T+2H2T：与碱：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3-F2HzT<>在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为S1 +

3、02=A=Si02o4、主要应用：半导体材料硅芯片、硅太阳能电池5、高纯硅的制备Mn rn-n涉及的主要化学反应为1 800 -2 000 (a) SiO2+2C=S14-2CQ?300 C(b) Si+3HClA=SlHCl5+H21 100 c(c) SiHC13+H2a=aSi+3HC1二、二氧化硅1 *存在自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态.主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。 天然S102有晶体和无左形两种，统称硅石。2物理性质熔点直，硬度去，难溶于水。3 结构SiCh晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四而体(如下图甲所示)，硅氧四而体通过氧原子相互连 接为空间

4、的哒结构(如下图乙所示)。每个硅原子与土个氧原子相连，而每个氧原子与色个硅原子相连，故 S1O：晶体中S1和O的比例为1 :2。4化学性质S1O)为酸性氧化物，是硅酸的酸酊。(1) SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO24-2NaOH=Na2SiO3 +吐。在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为SiO24-CaCO3AACaSiO34-CO2T0在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为Si02+Ca0AACaSi03o 常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SIO2+4HF=SIF4T+2H20.5、主要应用：光导纤维三、

5、硅酸、硅酸盐1 硅酸(1)物理性质硅酸的溶解度尘，新制备的硅酸为透明、胶冻状,F燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。(2)化学性质弱酸性：酸性比碳酸麒，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SlO3+2NaOH=Na2SiO3 + 2H2O. 不稳泄性：受热易分解，反应的化学方程式为H2SlO3A=SlO2+H2O.制备:通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得,如NazSQ溶液与盐酸反八：Na2SiO3 + 2HCl=2NaCl +H?SlO3(胶体)。(4)用途：硅胶可用作-燥剂、催化剂的载体等。2 硅酸盐(1)硅酸盐的结构、特点结构特点硅氧匹1面体硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳左、耐腐蚀等硅酸盐是

6、由硅、氧和金属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。四、无机非金属材料1 传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。常见硅酸盐材料比较原料制备过程生产应用陶瓷黏土原料经高温烧结而成建筑材料、绝缘材料、 日用器皿、卫生洁具等玻璃纯碱、石灰石和石英砂原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融， 发生复杂的物理和化学变化而制得建筑材料、光学仪器、 冬种器皿、玻璃纤维等水泥黏土、石灰石原料与其他辅料经混合、研磨后在水 泥回转窑中烧，发生复杂的物理和 化学变化，加入适量石膏调右水泥硬制作混凝上，用于建筑和水利

7、工程化速率，再磨成细粉即得(2)玻璃生产中的两个重要反应：NazCOs + SiOzAANazSiOs + COA1： CaCO3 + SiO2=ACaSiO3 +CO小2 .新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维.生物陶瓷、压电陶瓷等。(1)新型陶瓷新型材料成分性能主要应用金刚砂碳原子、硅原子以 共价键连接，结构 类似金刚石硬度很大、高温抗氧化性能优异砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅、金属氧化物耐高温、抗氧化、耐腐蚀用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷钛酸盐、钳酸盐等能实现机械能和电能的相互转化用于滤波器、扬声器、超 声波探伤器

8、和点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化锂等 透明陶瓷:氮化铝、 氟化钙等非氧化物 透明陶瓷具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷YBa2Cu3O7-s>B i/SriCaiCihO iu、TbBaddihOio临界温度卜具有超导性用于电力、交通、医疗领域等(2)碳纳米材料新型材料结构特点主要性能主要应用富勒烯碳原子构成的一系列笼形分子在溶解性、磁性、非线 性光学性质、光导电性 等方而表现出优异性能工业材料，应用于电化学， 催化剂，化妆品，抗癌药物 等碳纳米管石墨片层卷成的 宜径纳米级的管 状物比表而积大，具有高的强度和优良的电学性质生产复合材料、电池和传感

9、器等石墨烯一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高、具有很高的强度应用于光电器件、超级电容 器、电池和复合材料等方面（3）传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别类别传统无机非金属材料新型无机非金属材料主要成分硅酸盐不一定是硅酸盐主要特性抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击大都强度高、硬度大，耐高温，另外还 具 有一泄的电学特性、光学特性和生物功能 等特别提醒：1 .氢氟酸能腐蚀玻璃并用于雕刻玻隔，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。盛放碱性溶液的试剂瓶 不能用玻璃塞,因为SiCh与碱溶液反应生成具有黏性的NafiCho2 不能依据反应2C + SlO2iSl+2COT来说明C的还原性比S

10、i强，也不能依拯反应SiO2 + 高温Na2cChNa2SiCh+CO2?来说明S©水化物的酸性比HjCOj强。此类反应能进行的原因是因为 在高温条件下，生成物中的气体从反应体系中逸出，有利于反应向右进行。3 S©虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能 直接反应。4 . C与SiO2反应的产物是CO不是C02o5.不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光导纤维的是SiO?用于制作半导体材料、计算机芯片的 是晶体硅。【典题精练】考点K考查硅及其化合物的性质L下列叙述中正确的是（）高温A.因为Na2cCh + SiO2A=Na2SiO3

11、+C（h?»所以硅酸的酸性比碳酸强B.碳和硅都是IVA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似C.二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸，所以二氧化硅是两性氧化物D.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反应生成硅酸解析:A项中反应不是在水溶液中进行，产物中有气体生成，故不能通过此反应判断H2cCh *JH2SIO3的 酸性强弱，A项错误；C02和SiCh的物理性质差异较大，B项错误：SiCh与氢氟酸的反应不属于碱性 氧化物与酸生成盐和水的反应，在此反应中S©并没有表现出碱性氧化物的性质，C项错误。答案：D名师归纳：硅及其化合物性质“反常”小结(1) 一

12、般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，英中金 刚石为自然界中硬度最大的物质。(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。高温(3) Si的还原性强于C,但C在高温下熊还原出Si： Sl02+2CA=Sl+2C0To(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2T<>非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Sl+4HF=SIF4T+2H2To(6)一般情况下，碱性氧化物+酸一盐+水，二氧化硅是酸性

13、氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2 +4HF=SlF,T+2H2CXS1F4不属于盐，故S©不是两性氧化物)。(7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。一般情况下，较强酸+较弱酸的盐一较弱酸+较强酸的盐(溶液中的反应)。因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3+H20 + CO2=Na2CO3+H2SlO3(.l ft) o但在高温下,可发生反应Na2cO3+SiO2Na2SiO3+CO2T(CO：离开反应体系促进反应的正向进行)。(9) 一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能程换出H20中的氢.： C +H2O(g)A=H：

14、+COo(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。考点2、考查硅及其化合物的用途例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.利用盐酸刻蚀右英制作艺术品D.水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料解析：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;仃英中的二氧.化硅不与盐酸反应.C错；传统无机非金属材料包括水泥、玻璃、陶 瓷等，D正确。答案：D名师归纳：（1）传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，经过高温发生复杂的物理、化学变化制成，产品都为硅酸盐。（2）生

15、产中采用不同的原料和工艺，也可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，利用含有铅的原料可制得光学玻璃：加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃： 加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃。考点3、考查硅及其化合的制备例3、硅单质及其化合物应用范国很广。请回答下列问题：制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯硅烷（SiHCE）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产 过程示意图如下：石英砂I八彩丽 殍后，SiHCI丽弹复I SiHCI两船伯纯硅 写出由纯S1HCI3制备高纯硅的化学方程式,：。整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCh遇水剧烈反应生成H2S1O3.HC1和期一种物质，写 出配

16、平的化学方程式：:吐还原SiHCh过程中若混入02,可能引起的后果 是。（2）下列有关硅材料的说法正确的是 （填字母）。A.碳化硅化学性质稳泄，可用于生产耐高温水泥B.氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承C.高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材乍一光导纤维D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，英熔点很高E.盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅解析：（1）根据给怎的反应物和生成物写出化学方程式，注意反应条件和配平。写出反应物和给出 的生成物H2S1O3和HC1,用原子守恒法找出另一种生成物为H?拼配平。（2） A项中水泥是硅酸盐材料；B、C项根据硅的化合物的用途可知，

17、两项说法都正确；D项中玻璃是 混合物，没有固定的熔点：E项中盐酸和硅不反应。1 100 答案：（IXDS1HCI3+H2 = Si+3HC 1 S1HC13 + 3H2O=H2S1O31+3HC1T+H2T氧气与氢气混合，可能引起爆炸：氧气可能会氧化SIHC13（2） BC名师归纳：考点4、考 查无机非金 属材料的有 关知识4.下列关于 无机非金属 材料的说法 中不正确的 是（）步骤反应化学方稻|粗硅的加函|粗硅的提纯ISi(>：+2('Si(U> + 2C()t粗硅与IK1反应Si(粗)+ 3HCl A siHCh + H?回一还原一SW（L + H_j二与（纯）+ 3H（'lA.传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料C.B.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐解析：无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类。传统无机非金属材料是 指我们常说的硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、砖瓦、陶瓷等；新型无机非金