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人教版高一化学必2第五章5.3
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
核心素养目标
1.宏观辨识与微观探析：能从二氧化硅、二氧化碳的结构的角度分析两者性质的差异，形成"结构决定性质"的观念
2.变化观念与平衡思想：了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。
3.证据推理与模型认知：通过不能使用玻璃瓶盛放氢氟酸，不能用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液等原理的分析，培养证据意识，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系
4.科学探究与创新意识： 掌握李比希提出的燃烧有机物对产物的定量测定确定实验式，
5.科学精神与社会责任 ：能通过无机非金属材料的学习，认识化学对社会发展的重要贡献，具有可持续发展意识，能对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断
教学目标
教学重点：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。
教学难点：知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
情境导入
一、传统无机非金属材料（硅酸盐材料）
陶瓷
玻璃
水泥
(1)概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。
(2)结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。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。
(3)特点：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。
[SiO2]四面体结构
1. 硅酸盐及其结构
任务探究一
(1)物理性质： Na2SiO3是一种白色固体，可溶于水，其水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性。
Na2SiO3水溶液俗称：水玻璃
Na2SiO3
2. 最简单的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3＋CO2(少）＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓
(3)化学性质：水溶液显碱性，能与盐酸、CO2等反应。
Na2SiO3 + 2HCl === H2SiO3↓ + 2NaCl
(2)用途：制备硅胶、防火剂、黏合剂
强酸
弱酸
硅胶用途：干燥剂、催化剂，或用作其他催化剂的载体。
任务探究一
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料：
辅助原料：适量的石膏
设备 陶瓷窑
主要成分 含水的铝硅酸盐 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
黏土
纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
石灰石、黏土
玻璃窑
水泥回转窑
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程
任务探究一
生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用的玻璃仪器；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃，常用于建筑和装饰。
资料卡片 玻 璃
任务探究二
(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(　　)
(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定(　　)
(3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　)
(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(　　)
(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　)
(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　)
判断正误
×
√
√
√
√
√
任务探究二
1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。
理解应用
材料 物理性质 化学性质
玻璃
陶瓷
硬度大、耐磨损、耐高温、较脆
很稳定
硬度大、耐磨损、耐高温
很稳定
2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称 ，具有 强、耐 等特性，常用作黏合剂和防火剂。
水玻璃
黏结力
高温
任务探究二
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是 。
(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是 。
2H＋===H2SiO3↓
H2O===H2SiO3↓＋CO
任务探究二
任务探究三
硅酸盐的丰富性和多样性
由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，＋3价的铝常或多或少地置换硅酸盐中＋4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与NH 、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。
解析　普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
1.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.普通玻璃的主要成分是二氧化硅
C.陶瓷的主要原料是黏土
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
跟踪强化
1
2
3
√
任务探究三
2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是
A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
解析　水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。
1
2
3
√
任务探究三
3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是
A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B.高岭土为含水的铝硅酸盐
C.n＝3
D.我国在新石器时代已能烧制陶器
解析　根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。
1
2
3
√
返回
任务探究三
16
任务探究四
二、新型无机非金属材料
单质硅
二氧化硅
新型陶瓷
单质硅
(1)位置：第三周期、第ⅣA族，处于金属与非金属的过渡位置，半导体，常用于制作集成电路板（硅芯片）和太阳能电池极板。
(2)自然界存在
硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。
玛瑙
水晶
任务探究四
制备原理 用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原。
制备流程
反应方程式
(3)高纯硅的制备
（粗硅）
（高纯硅 99.9999999％）
任务探究四
二氧化硅
状态 颜色 熔点 硬度 水溶性
晶体
无色
高
大
不溶
(1)存在：SiO2广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称水晶。
(2)物理性质
（3）用途
①用于生产光导纤维；②水晶、玛瑙等饰品； ③制作耐高温的化学仪器。
光导纤维
石英坩埚
玛瑙水晶
任务探究四
SiO2+CaO === CaSiO3
高温
SiO2+4HF === SiF4 ↑+2H2O
(3)化学性质（酸性氧化物）
SiO2＋2NaOH === Na2SiO3＋H2O
①酸性氧化物的通性
③特性
②弱氧化性
SiO2+2C === Si+2CO ↑
高温
不溶于水，不与水反应
（用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃）
盛放NaOH溶液不用玻璃塞，而用橡胶塞
（制备粗硅）
任务探究四
结构
性能
高温抗氧化性能
碳原子和硅原子通过共价键连接
硬度大
砂纸和砂轮的磨料
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
新型陶瓷
碳化硅（SiC）
陶瓷
俗称：金刚砂
任务探究五
种类
性能
耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀
硬度大、耐磨损、密度小
氮化硅、
氧化铝、碳化硅、二氧化锆等
用途
制造发动机
新型陶瓷
高温结构陶瓷
任务探究五
压电陶瓷：
透明陶瓷：
主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。
主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、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，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。
超导陶瓷：
在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。
压电陶瓷
透明陶瓷
磁悬浮列车
新型陶瓷
任务探究五
碳纳米材料
——富勒烯
任务探究五
碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。
碳纳米材料
——碳纳米管
任务探究五
石墨烯电池
碳纳米材料
——石墨烯
任务探究五
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，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等
传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别
一般来说，除了陶瓷、水泥、玻璃外，其他均是新型无机非金属材料。
任务探究六
1.硅和二氧化硅
(1)硅的存在与性质
①硅在自然界主要以 和 的形式存在；
②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；
③高温下，硅能与氧气反应生成 ，与氯气反应生成 。
(2)二氧化硅的性质
①二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；
②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=== ；
③具有氧化性：SiO2＋2C ；
④特性：SiO2＋4HF=== 。
硅酸盐
氧化物
SiO2
SiCl4
Na2SiO3＋H2O
Si＋2CO↑
SiF4↑＋2H2O
任务探究六
2.新型陶瓷
(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在 上有很大的变化，在 等方面具有很多新的特性和功能。
(2)常见新型陶瓷及其用途(连线)
成分
光学、热学、电
学、磁学
(3)高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)
碳化硅俗称 ，它是由碳原子和硅原子通过 连接而形成，与 的结构类似，具有硬度大和优异的 性能。
金刚砂
共价键
金刚石
高温抗氧化
任务探究六
3.碳纳米材料
(1)富勒烯是由 构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是 。
(2)碳纳米管是由 卷成的管状物，具有 尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。
(3)石墨烯是只有一个 直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。
碳原子
C60
石墨片层
纳米
碳原子
碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。
特别提示
任务探究六
(1)硅晶片是生产芯片的基础材料(　　)
(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　)
(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应(　　)
(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸(　　)
(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　)
(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳(　　)
判断正误
√
√
×
×
×
√
任务探究六
1.工业制备高纯硅的原理如图所示：
深度思考
(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：
① ；
② ；
③ 。
任务探究六
(2)上述反应共同的反应类型是 ，反应①中焦炭的作用是 ，反应③中氢气的作用是 。
(3)在半导体工业中有这样一句行话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？
氧化还原反应(或置换反应)
还原剂
还原剂
提示　沙子的主要成分是SiO2，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。
任务探究六
2.回答下列问题。
(1)碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？
提示　原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。
(2)碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？
提示　单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、C60不导电。
(3)碳和硅的氧化物有何异同？
提示　硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物，CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态，存在于地表及地壳中；CO2、CO为气态，存在于大气中；SiO2的性质比CO2更稳定等。
任务探究六
3.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。
(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。
A.制汽轮机叶片 B.制有色金属
C.制永久性模具 D.制造柴油机
(2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式______。
ACD
Si3N4
任务探究六
(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：
______________________________。
(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为____________________________________。
Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
3SiCl4＋2N2＋6H2 Si3N4＋12HCl
任务探究六
相关链接
近几年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅(SiC，俗称金刚砂)，具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料；含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在－60～250 ℃仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人工制造的分子筛(一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作吸附剂和催化剂；等等。
任务探究七
1.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是
①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰　⑤硅太阳能电池
⑥光导纤维　⑦计算机芯片
A.①②③④⑥ B.全部
C.⑤⑦ D.①②⑥⑦
1
2
3
跟踪强化
解析　玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。
√
任务探究七
2.(2018·三门峡高一期末)高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
1
2
3
下列说法不正确的是
A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑
B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C.步骤③中的反应为氧化还原反应
D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
√
任务探究七
3.下列物质与其对应的用途搭配不正确的是
A.高能燃料——火箭动力
B.石英砂——制造光导纤维
C.半导体硅晶片——制造计算机芯片
D.高强度耐火陶瓷——制造轮船
√
1
2
3
解析　制造轮船材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷。
返回
任务探究七
【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。
任务探究八
42
任务探究八
【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③　　B.①③④　　C.②和④　　D.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。
任务探究九
　 【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。
任务探究十
　【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”。
45
任务探究十
　　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。
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任务探究十
(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 8 16 24 32 40 48
pH 5.0 4.8 4.5 4.3 4.2 4.0 4.0
任务探究十
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逐渐被氧化成H2SO4,使溶液的酸性增强,由此可以得出酸雨形成过程为二氧化硫与水反应SO2+H2O====H2SO3,酸雨为硫酸型酸雨。
(4)如何设计实验证明(3)中的结论,写出你的思路,并与同学们进行交流。
提示:①取一定量上述雨水,加入足量盐酸,再加热将产生的气体通入品红溶液中,品红溶液褪色;②取①反应后的雨水于另一试管中,加入BaCl2溶液,产生白色沉淀;如图:
任务探究十
【探究二】防止酸雨的措施的选择
2.通过近20年的治理,柳州空气的二氧化硫含量已于2006年达标。
(1)把煤燃烧产生的废气通入CaCO3与水形成浆状物,可以起到很好的脱硫效果,同时制得副产品石膏。试写出有关反应的化学方程式。
提示:由于亚硫酸的酸性大于碳酸,故发生的反应为SO2+CaCO3====CaSO3+CO2,CaSO3再被氧气氧化:2CaSO3+O2====2CaSO4。
(2)为了持续打好环保战,柳州市政府推广绿色低碳的出行方式,大力支持当地清洁车辆的生产与使用。如使用纯电动汽车,这些措施可以大大减少汽车尾气的排放,汽车尾气的主要污染气体有哪些 造成的主要环境危害有哪些
提示:汽车尾气的主要污染气体为CO、NO、NO2等,对环境的主要危害有光化学烟雾、酸雨等。
任务探究十
(3)为了彻底修复城市生态,进一步改造城市风貌,柳州市不仅做了“节能减排”的减法,还进行“绿色覆盖”的加法,实施了一系列城市绿化建设工程。这些做法体现了什么环境治理的思想
提示:柳州市的做法体现了环境治理的两种措施:①控制进入大气、土壤和水体的碳、硫和氮等化合物的量;②增强生态系统对碳、硫和氮等化合物的吸收能力。
50
任务探究十一
【探究三】迁移应用
3.水华指淡水水体中藻类大量繁殖的一种自然生态现象,是藻类大量繁殖后使水体呈现蓝色或绿色的一种现象。你能解释原因吗 可以采取什么措施防止这种现象的发生
提示:水华主要是由于生活及工农业生产中含有大量氮、磷的废污水进入水体后,水体富营养化,引起藻类大量繁殖。为了防止水体富营养化可采取以下措施:①严控水域附近建设氮肥厂、磷肥厂;②禁止含磷洗涤剂的使用;③工业、生活废水去营养化处理;④合理使用氮肥、磷肥。
小结

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