新教材化学人教版学案5-3无机非金属材料

第三节无机非金属材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了________材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有________等元素，具有______________________等特点，以及特殊的____________等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为________________________等高技术领域必需的材料。核心微网络素养新目标1.了解传统和新型无机非金属材料。2．学会硅及其化合物在无机非金属材料中的应用。学业基础[预习新知]一、硅酸盐材料1．硅酸盐的组成和性质(1)概念：由______、______和______组成的化合物的总称(2)性质：固态，大多不溶于水，化学性质很______(3)表示方法：如Na2SiO3、__________eq\x(状元随笔)硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。硅氧四面体的结构示意图2．三种常见的硅酸盐产品——传统无机非金属材料产品主要原料主要设备主要成分用途陶瓷______(主要成分为含水的______)——________建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等玻璃______、____________玻璃窑______、______、______建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等水泥______、______水泥回转窑______建筑材料、水利工程二、新型无机非金属材料1．硅(1)形态及结构(2)物理性质色、态光泽熔点硬度质地导电性____________________________________(3)化学性质①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF(氢氟酸)、强碱(如NaOH)溶液反应。Si＋____F2=____，Si＋____HF=________，Si＋2NaOH＋H2O=__________。②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。Si＋O2eq\o(=,\s\up15(△))________。(4)用途①半导体材料，如________等。②新型能源，如________等。(5)硅的存在2．二氧化硅(1)存在水晶、玛瑙、光导纤维的主要成分是________。沙子中含有小粒的石英晶体。(2)结构SiO2晶体是____空间网状结构，每个Si结合____个O，每个O结合____个Si，N(Si)：N(O)＝____二氧化硅晶体的结构模型图(3)物理性质熔点硬度溶解性____________于水(4)化学性质(5)用途①建筑材料、______纤维、______坩埚、饰物和工艺品。②光导纤维：主要成分：______。3．新型陶瓷eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(高温结构陶瓷,压电陶瓷,透明陶瓷,超导陶瓷))4．碳钠米材料eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(富勒烯,碳钠米管,石墨烯))[即学即练]1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)硅元素在自然界中既有化合态，又有游离态。()(2)SiO2是空间正四面体网状结构晶体。()(3)SiO2是酸性氧化物，与任何酸都不能发生反应。()(4)利用石英坩锅可熔融NaOH固体。()(5)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。()(6)SiO2晶体是由SiO2分子直接组成的。()(7)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2。()(8)光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”。()(9)硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质。()(10)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。()(11)光电池可以将光能直接转化为电能。()2．我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是()A．陶俑B．琉璃瓦C．汉白玉D．青花瓷3．玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元素是()A．氮B．硫C．硅D．氯4．关于地壳中含量占第一位和第二位的元素之间形成的化合物，有关其说法正确的是()A．化学性质不活泼B．可溶于水且显酸性C．熔沸点较低，物理性质与CO2相似D．是酸性氧化物，不溶于任何酸5．光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一。光导纤维的主要成分是()A．SiB．SiO2C．Na2SiO3D．SiCl46．下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是________(填序号)。①硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。②硅的导电性介于导体与绝缘体之间。③硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应。④水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。⑤高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。核心素养目标一硅的结构特点、特性与制法[例1]下列关于硅的说法中，错误的是()A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体B．单质硅和金刚石结构相似，但比金刚石硬度小，熔点低C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应[提升1]硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物在现代生活中有广泛应用。回答下列问题：(1)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中，生产普通玻璃的主要原料有________________________________________________________________________。(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技术路线，其中一种工艺流程示意图如下：①工业上用石英砂和焦炭在电弧炉中加热到1600～1800℃②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，粗硅生成SiHCl3的化学方程式为________________________________________________________________________。(3)还原炉中发生的化学反应为________________________________________________________________________。eq\x(状元随笔)解答信息实验题时要特别注意以下两点：(1)分析题目信息，注意实验操作或具有特殊性质的物质；(2)与已掌握的知识进行对比分析，充分利用信息进行知识迁移。[核心能力]1．晶体硅的结构结构类似于金刚石。2．硅单质的化学性质(1)常温下：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)加热条件下：①与O2反应：Si＋O2eq\o(=,\s\up15(△))SiO2；②与Cl2反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up15(△))SiCl4；③与C反应：Si＋Ceq\o(=,\s\up15(高温))SiCeq\x(状元随笔)高纯硅的制备工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。其中涉及的主要化学反应为：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(1800～2000℃))Si＋2CO↑Si＋3HCleq\o(=,\s\up15(300℃))SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up15(1100℃))Si＋3HCl目标二含硅物质的性质应用与转化[例2]歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案生动形象，但古瓷中所用颜料的成分一直是个谜。近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是()A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2B．性质稳定，不易脱色C．易溶于强酸和强碱D．x等于6[提升2]A、B、C、D、E五种含硅元素的物质，相互转化关系如图所示：(1)推断A～E的化学式：A________，B________，C________，D________，E________。(2)①写出B→A的化学方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②A→C的离子方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。eq\x(状元随笔)硅及其化合物转化关系题中的突破口(1)硅、二氧化硅的结构：如硅与金刚石结构相似。(2)硅、二氧化硅的物理性质：如硬度大，熔、沸点高。(3)特征性质：①与强碱溶液反应放出H2的非金属单质是硅。②不与H2O反应、能与氢氟酸反应(或雕刻玻璃)的酸性氧化物为SiO2。③难溶于水的无机酸是H2SiO3。[核心能力]硅及其化合物的“价—类二维图”①SiH4＋2O2eq\o(=,\s\up15(点燃))SiO2↓＋2H2O(拓展反应)②SiH4eq\o(=,\s\up15(高温))Si＋2H2③Si＋O2eq\o(=,\s\up15(△))SiO2④SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))Si＋2CO↑⑤Si＋2F2=SiF4(或Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑)⑥Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑⑦SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O⑧SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O⑨H2SiO3eq\o(=,\s\up15(△))SiO2＋H2O⑩Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓eq\x(状元随笔)硅酸钠(1)物理性质：可溶于水，水溶液俗称“水玻璃”。“水玻璃”具有很强的黏合性，是建筑行业常用的黏合剂。(2)化学性质：易与酸反应。与强酸反应：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓。与CO2反应：CO2不足，Na2SiO3＋CO2＋H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓；CO2过量，Na2SiO3＋2CO2＋2H2O=2NaHCO3＋H2SiO3↓。学考评价1．“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是()A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐2．科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列关于硅的说法中正确的是()A．地壳中硅的含量稀少B．自然界中存在大量单质硅C．高纯度的硅被用于制作计算机芯片D．光导纤维的主要成分是Si3．关于硅及其化合物的叙述中，正确的是()A．硅是良好的半导体材料，可以与NaOH溶液和氢氟酸反应B．二氧化硅与石灰石反应：SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up15(高温))CaSiO3＋CO↑C．用焦炭还原二氧化硅生产硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))Si＋2CO2↑D．水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO24．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.为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的装置，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________>________>________。练后感悟CO2与SiO2的性质区别CO2SiO2类别均为酸性氧化物物理性质常温下是气体，熔、沸点低，能溶于水硬度大，熔点高的固体，不溶于水化学性质与水反应CO2＋H2O=H2CO3不反应与酸反应不反应只与HF反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O与NaOH反应CO2(少量)＋2NaOH=Na2CO3＋H2OCO2(过量)＋NaOH=NaHCO3SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O与CaO反应CO2＋CaO=CaCO3SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up15(高温))CaSiO3eq\x(请完成课时作业6)第三节无机非金属材料金属硅、氧耐高温、抗腐蚀、硬度高光学、电学航空、航天、信息和新能源学业基础[预习新知]硅氧金属稳定Na2O·SiO2黏土铝硅酸盐硅酸盐纯碱石灰石石英砂Na2SiO3CaSiO3SiO2石灰石黏土硅酸盐晶体硅无定形硅灰黑色固体金属光泽高大脆良好半导体2SiF44SiF4↑＋2H2↑Na2SiO3＋2H2↑SiO2硅芯片光电池氧＋4氧化物硅酸盐石英SiO2(或二氧化硅)立体421:2高大不溶SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2OCaO＋SiO2eq\o(=,\s\up15(高温))CaSiO32NaOH＋SiO2=Na2SiO3＋H2O光导石英SiO2[即学即练]1．答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√(6)×(7)√(8)√(9)√(10)√(11)√2．答案：C3．解析：玻璃、陶瓷、水泥属于传统的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有硅元素和氧元素，故选项C正确。答案：C4．答案：A5．解析：光导纤维的主要成分是SiO2。答案：B6．解析：①硅在自然界中只有化合态，没有游离态，硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，硅石的主要成分是SiO2，①不正确；②正确；③硅在常温下能与F2、HF和强碱溶液反应，③不正确；④水晶的成分是SiO2，④不正确；⑤SiO2用于制光导纤维而不是硅，⑤不正确。答案：②核心素养[例1]解析：硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属；硅原子与碳原子最外层电子数相同，晶体结构相似，但硅晶体比金刚石的硬度小，熔点低；硅的化学性质不活泼，常温能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。答案：C[提升1]解析：(1)生产普通玻璃的主要原料有纯碱、石英砂、石灰石。(2)①二氧化硅与焦炭在高温下发生反应生成粗硅或碳化硅，化学方程式为SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))Si＋2CO↑、SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up15(高温))SiC＋2CO↑。②粗硅与氯化氢在250～300℃条件下反应生成SiHCl3和氢气。(3)还原炉内，氢气与SiHCl3发生氧化还原反应，生成Si和HCl，化学方程式为SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up15(高温))Si＋3HCl。答案：(1)纯碱、石英砂、石灰石(2)①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))Si＋2CO↑、SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up15(高温))SiC＋2CO↑②Si＋3HCleq\o(=,\s\up15(250～300℃))SiHCl3＋H2(3)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up15(高温))Si＋3HCl[例2]解析：BaCuSi2Ox中，Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，O为－2价，由化合价规则：(＋2)＋(＋2)＋2×(＋4)＋(－2)×x＝0，得x＝6，则用氧化物形式表示硅酸铜钡为BaO·CuO·2SiO2，A、D项正确；由题干信息可知硅酸铜钡的性质稳定，不易脱色，故B项正确，C项错误。答案：C[提升2]解析：在空气中燃烧生成D，B可能为Si，B和D都能与NaOH溶液反应生成A，则A为Na2