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(共44张PPT)
无机非金属材料
第三节
学习目标
1.通过原子结构与元素周期表的相关理论认识硅及其化合物的性质,能描述二氧化硅的性质和用途,能列举常见硅酸盐材料(水泥、陶瓷、玻璃)的简单生产原理及用途。
2.通过了解新型无机非金属材料的重要应用,能描述碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料的用途、特点。
组成 结构 特点
等元素 硅酸盐材料大多具有


等特点
『自主梳理』
学习任务1　认识硅酸盐材料
1.硅酸盐
硅、氧
耐高温、耐腐蚀、
硬度高、难溶于水、
化学性质稳定
项目 普通玻璃 普通水泥 陶瓷
生产 原料
生产设备 玻璃窑 水泥回转窑 —
主要 成分 — —
主要 用途 生产建筑材料、光学仪器、各种器皿,制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
2.常见的硅酸盐材料
纯碱、石灰石、
石英砂(SiO2)
石灰石、黏土
黏土
Na2SiO3、
CaSiO3和SiO2
『互动探究』
探究　普通玻璃的主要成分及制造
张家界大峡谷玻璃桥是斜拉式高山峡谷玻璃桥,其桥面全部采用透明玻璃材料铺设,整个工程无钢筋混凝土桥墩,因其创下多项玻璃桥的世界纪录而闻名中外。
问题1:普通玻璃的主要成分是什么 制造普通玻璃的主要原料是什么
提示:普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2;主要原料为纯碱、石灰石和石英砂。
问题2: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(生成Na2SiO3和 CaSiO3) 而制得玻璃。请写出有关反应的化学方程式。
问题3:根据生产玻璃的化学方程式能否得出H2CO3的酸性强于H2SiO3的酸性
提示:不能。水溶液中自发进行的复分解反应可以得出强酸制弱酸的结论,以上两反应均不是在溶液中进行的,无法比较其酸性。
关于硅酸盐材料的认识
1.硅酸盐有时可写成氧化物形式(其成分、性质均不变),例如:长石(KAlSi3O8)可改写为K2O·Al2O3·6SiO2。书写顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水,若改写硅酸盐时,化学计量数出现了分数,一般应化为整数。
2.关于玻璃的认识
(1)制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。制得的玻璃是混合物,没有固定的熔点。
(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。
归
纳
拓
展
3.关于水泥的认识
(1)水泥具有吸水性,在空气中吸水发生复杂的物理和化学变化而失去了原有的性质,因而变硬的水泥不能使用。
(2)水泥不能抗酸腐蚀,因为水泥的成分中有碳酸盐。
『题组例练』
1.(2024·黑吉辽卷)文物见证历史,化学创造文明。东北三省出土的下列文物据其主要成分不能与其他三项归为一类的是(　　)
A.金代六曲葵花鎏金银盏
B.北燕鸭形玻璃注
C.汉代白玉耳杯
D.新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐
A
解析:金代六曲葵花鎏金银盏是合金,属于金属材料;北燕鸭形玻璃注是玻璃制品,属于硅酸盐材料;汉代白玉耳杯是玉,属于含有微量元素的钙镁硅酸盐材料;新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐是陶器,属于硅酸盐材料。综上A选项材质与其他三项材质不同,不能归为一类,故选A。
2.下列有关玻璃的说法正确的是(　　)
A.玻璃有固定的熔、沸点
B.钢化玻璃与普通玻璃的主要成分不同
C.在生产玻璃的过程中加入氧化亚铜,可制成蓝色玻璃
D.制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英砂
D
解析:玻璃没有固定的熔、沸点,A错误;钢化玻璃与普通玻璃的主要成分相同,B错误;氧化亚铜为砖红色固体,在生产玻璃的过程中加入氧化亚铜,可制成红色玻璃,C错误;制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英砂,D正确。
原子结构示意图 周期表中位置 存在 含量 存在形态
地壳中居第 位 和
(如水晶、玛瑙)
学习任务2　认识新型无机非金属材料
『自主梳理』
1.硅和二氧化硅
(1)硅的存在与结构。
第三周期、
第ⅣA族
二
硅酸盐
氧化物
涉及的化学方程式:
① ;
② ;
③ 。
(2)硅的制备。
硅 利用其 性能制成芯片和
电池
二氧化硅 生产 (具有良好的导光性)
半导体
(3)主要应用。
硅太阳能
光导纤维
俗称 结构特点 主要性能 生产应用
碳原子和硅原子通过 连接,具有类似 的结构 硬度 、优异的高温抗氧化性能 砂纸和砂轮的磨料、
和

2.新型陶瓷——碳化硅(化学式 )
SiC
金刚砂
共价键
金刚石
很大
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
项目 概念 性能 用途
富勒烯 由 构成的一系列笼形分子的总称,如 — 制碳纳米材料
碳纳 米管 由 卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 比表面积大,有相当高的 和优良的 性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 只有 厚度的单层石墨 电阻率 、热导率 ,具有很高的强度 在光电器件、超级电容器、电池、复合材料等方面的应用研究正在不断深入
相互关系 富勒烯、碳纳米管、石墨烯互为同素异形体 3.碳纳米材料
碳原子
C60
石墨片层
强度
电学
一个碳原子直径
低
高
『互动探究』
探究　硅和二氧化硅的性质
硅和二氧化硅都是科学研究的重要材料,有着广泛的用途。
问题1:半导体或芯片是由晶体硅生产的。虽然芯片比较坚硬,但是可被氢氟酸(HF溶液)腐蚀,生成SiF4和另一种气体,请写出该反应的化学方程式。
提示:Si+4HF SiF4↑+2H2↑。
问题2: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。因为比较物质氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,题述反应是在高温条件下发生的,所以不能比较碳和硅还原性的强弱。
问题3:实验室中要熔化烧碱固体,现有三种坩埚,石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚,应该选哪一种 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 (已知硅酸钠的水溶液俗称水玻璃,可作黏合剂)
提示:铁不与烧碱(NaOH)反应,而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2,SiO2是一种酸性氧化物,能与NaOH溶液反应,使得坩埚受损,
因此,应选择铁坩埚。试剂瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易与NaOH溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶口黏合在一起而难以打开。
问题4:SiO2也能与氢氟酸反应生成SiF4,能认为SiO2属于两性氧化物吗 为什么可以用氢氟酸刻蚀玻璃生产磨砂玻璃
提示:不能。玻璃中含有二氧化硅,可与氢氟酸反应。
归
纳
拓
展
硅及二氧化硅的化学性质拓展
(1)硅的化学性质。
常温下能与氟气、氢氟酸、强碱等反应。
(2)二氧化硅的化学性质。
题点一　辨析硅和二氧化硅的性质、用途
1.“千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金。”诗句中“沙”的主要成分是SiO2,下列说法错误的是(　　)
A.“从沙滩到用户”这句话涉及工业上制备粗硅的工艺
B.“水玻璃”可以由SiO2与NaOH溶液反应制得
C.SiO2是制取传统硅酸盐产品玻璃的原料之一
D.SiO2属于酸性氧化物,不与任何酸反应
『题组例练』
D
解析:“从沙滩到用户”这句话涉及工业上制备粗硅的工艺和制备电子产品的工艺,A正确;SiO2与NaOH溶液反应制得硅酸钠溶液,即水玻璃,B正确;SiO2是制取传统硅酸盐产品玻璃的原料之一,C正确;
SiO2属于酸性氧化物,但是可以和HF反应,D错误。
2.下列叙述正确的是(　　 )
A.硅在自然界中能够以单质形式存在
B.SiO2具有导电性,可用于制作光导纤维和光电池
C.可用Na2SiO3溶液和CO2反应来制备H2SiO3
D.NaOH溶液可以盛装在带玻璃塞的磨口试剂瓶中
C
解析:硅在自然界中主要以SiO2和硅酸盐的形式存在,无游离态的硅,A错误;SiO2对光具有良好的全反射作用,可制作光导纤维,而Si为半导体材料可作光电池材料,B错误;较强酸与较弱酸的盐反应可制备较弱酸,用Na2SiO3溶液和CO2反应可制备H2SiO3,C正确;NaOH能与玻璃中SiO2反应生成具有黏性的硅酸钠,故NaOH溶液不可以盛装在带玻璃塞的磨口试剂瓶中,D错误。
题后悟道
含硅物质在生活中对应的产品
题点二　考查高纯硅的提取
3.高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域,如图是工业制备高纯硅的原理示意图:
下列叙述错误的是(　　)
A.反应①的化学方程式为SiO2+2C Si(粗)+2CO↑
B.反应②的产物为SiHCl3和H2
C.已知SiHCl3中H显-1价,则反应③中氧化剂是SiHCl3,还原剂是H2
D.反应①③中硅元素均被还原,②中硅元素被氧化
C
4.“中国芯”的发展离不开高纯单晶硅。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应流程如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.流程图中的X是CO2
B.流程中HCl和H2可以循环利用
C.仅②③反应为氧化还原反应
D.硅太阳能电池、光导纤维和计算机芯片所用的材料都是Si
B
解析:反应①是SiO2+2C Si(粗)+2CO↑,所以X为CO,A错误;反应②产生的H2可以用于反应③中,反应③产生的HCl可以用于反应②中,所以H2和HCl可以循环利用,B正确;反应①②③中均有元素化合价变化,均属于氧化还原反应,C错误;硅太阳能电池和计算机芯片所用的材料都是Si,而光导纤维用的材料是SiO2,
D错误。
题点三　辨析新型无机非金属材料
5.化学与科技、生活密切相关。下列叙述正确的是(　　)
A.GaN具有半导体的性质,常用作LED灯的芯片,属于新型无机非金属材料
B.从石墨中剥离出的石墨烯薄片能导电,因此是电解质
C.宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
D.机器人所用芯片的主要成分为二氧化硅
A
解析:GaN具有半导体的性质,属于新型无机非金属材料,A正确;石墨及从石墨中剥离出的石墨烯薄片是非金属单质,不是化合物,故不属于电解质,B错误;宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是氮化硅,属于新型无机非金属材料,C错误;机器人所用芯片的主要成分为晶体硅,D错误。
6.具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展。下列有关新型无机非金属材料的叙述不正确的是(　　)
A.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
B.碳化硅的硬度大、熔点高,可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C.氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料,可用于制造发动机,其化学式为Si3N4
D.不锈钢和石英光导纤维都是新型无机非金属材料
D
解析:传统无机非金属材料的缺点为质地较脆,经不起热冲击,新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,能承受高温,强度较高,具有优良的电学特性、光学特性等,A正确;碳化硅的硬度大、熔点高,可用于制作高温结构陶瓷和轴承,B正确;石英光导纤维属于新型无机非金属材料,但不锈钢属于金属材料,D错误。
知识整合
学科素养测评
硅酸盐具有特殊的性质与应用,回答下列问题。
(1)硅酸盐材料是传统无机非金属材料,下列产品的主要成分是硅酸盐的是　　　　 (填序号)。
①玻璃;②陶瓷;③石英玻璃;④硅芯片;⑤光导纤维;⑥水泥;⑦砖瓦。
①②⑥⑦
解析:(1)玻璃、陶瓷、水泥、砖瓦的主要成分都是硅酸盐,即①②⑥⑦可选;而石英玻璃、光导纤维的主要成分是SiO2,硅芯片的主要成分是晶体硅。
(2)在水泥、玻璃的制备时,都需要的原料是　　　　。
石灰石
解析:(2)制备玻璃的原料是石灰石、纯碱、石英砂,制备水泥的原料是石灰石、黏土和其他辅料,所以共同的原料是石灰石。
(3)磷酸钙陶瓷是一种新型无机非金属材料,可用于制造人造骨骼,这是利用了这类材料的　　　　(填字母)。
A.耐高温的特性　　　　　　　　 B.电学特性
C.光学特性 D.生物功能
D
解析:(3)根据题中信息可知,“人造骨骼”具有生物功能的特性,
D正确。
(4)向Na2SiO3溶液中通入CO2气体,现象是　　　　 　　　　　,化学方程式为　
　。
Na2SiO3+CO2+H2O H2SiO3↓+Na2CO3
解析:(4)向Na2SiO3溶液中通入CO2气体,溶液中发生反应Na2SiO3+
CO2+H2O H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O H2SiO3↓+
2NaHCO3,即看到溶液中有白色沉淀生成。
生成白色沉淀
(或Na2SiO3+2CO2+2H2O H2SiO3↓+2NaHCO3)
(5)我国成功发射了嫦娥一号探测卫星,对月球土壤中14种元素的分布及含量进行探测。月球上的主要矿物有辉石(CaMgSi2O6)和橄榄石(Mg2Fe2SiO6)等,则橄榄石中铁为　　　　价,其氧化物形式可表示为　　　　　　　　　 ,辉石(CaMgSi2O6)　　 　　(填“难”或“易”)溶于水。
解析:(5)橄榄石中Mg是+2价,Si是+4价,O是-2价,由化合物中正、负化合价代数和为0可判断铁元素为+2价,将其改写成氧化物的形式应为2MgO·2FeO·SiO2;辉石可看作硅酸钙盐或硅酸镁盐,是难溶于水的化合物。
+2
2MgO·2FeO·SiO2
难
命题解密与解题指导
情境解读:本题以硅酸盐和新型无机非金属材料为背景,着重考查相关材料的性质和用途等知识。
素养立意:随着科技的发展,在硅酸盐材料的基础上,一系列新型无机非金属材料相继问世,应学会从宏观和微观结合的视角,分析与解决实际问题,培养科学态度与社会责任的学科素养。
思路点拨:
(1)硅酸盐材料:玻璃、陶瓷和水泥等,硅酸盐能改写成氧化物的形式。
(2)新型无机非金属材料的特性,如人造骨骼具有生物功能。
(3)硅酸盐的相关性质与化学方程式的书写。
谢 谢 观 看

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