资源简介

(共42张PPT)
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
素 养 目 标
1.通过阅读和讨论,了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途,知道普通玻璃的主要成分,感受传统硅酸盐材料在城乡建设中发挥的重要作用,培养科学态度与社会责任的学科核心素养。
2.通过学习,了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途,感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域所发挥的重要作用,激发学习化学的兴趣,培养科学探究与创新意识的学科核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
学以致用·随堂检测全达标
基础落实·必备知识全过关
一、硅酸盐材料
1.硅酸盐的结构与性质
(1)硅酸盐的结构 硅原子最外层有4个电子,均参与形成共价键
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧　　　　　结构(如图所示),每个Si结合
　　个O,Si在中心,O在四面体的4个顶角;许多这样的四面体可以通过顶角的O相互连接,每个O为两个四面体所共有,与2个Si相结合。
(2)硅酸盐的性质
结构决定性质(物理、化学性质)
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　　、难溶于水、耐　　　、耐腐蚀等特点。
四面体
4
高
高温
2.传统硅酸盐材料
类型 原料 设备 主要成分 主要用途
陶瓷 — 硅酸盐 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃 　　　　、石灰石和　　　　　 玻璃窑 __________ __________ 和SiO2 生产建筑材料、光学仪器和各种器皿等
水泥 　　　　和石灰石 硅酸盐 大量用于建筑和水利工程
黏土
纯碱
石英砂
Na2SiO3、
黏土
水泥回转窑
CaSiO3
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的“位—构—性”及存在形式
①硅元素的“位—构—性”关系
②存在形式:Si元素在自然界主要以　　　　　　和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。
　 不属于硅酸盐产品
三
ⅣA
4
硅酸盐
(2)工业制备高纯硅
工业上用焦炭还原石英砂可以制得含有少量杂质的粗硅,将粗硅通过化学方法提纯,得到高纯硅。
分别写出上述各步骤中反应的化学方程式。
教材拓展
最简单的硅酸盐(Na2SiO3)
(1)Na2SiO3是白色固体,可溶于水,其水溶液是一种无色黏稠的液体,俗称水玻璃,是一种矿物胶。
(2)Na2SiO3的化学性质稳定,不能燃烧,热稳定性好,但能与较强酸反应生成难溶于水的H2SiO3:Na2SiO3+2CO2(足量)+2H2O══H2SiO3↓+2NaHCO3。
(3)主要用途:Na2SiO3溶液用作建筑、纸张的黏合剂,制备木材阻燃剂等。
易错警示
硅和二氧化硅的性质
(1)硅元素具有亲氧性,在自然界中只以化合物(硅酸盐、SiO2)的形式存在,不存在单质硅。
(2)有金属光泽、能导电的单质不一定是金属单质,如晶体硅也可导电。
(3)制备粗硅时,SiO2与焦炭反应生成的气体是CO,不是CO2。
(4)硅和二氧化硅只能与氢氟酸(HF)反应,不能与其他酸反应。
归纳总结
SiO2的化学性质及分析
(3)硅和二氧化硅的用途
高纯硅用作　　　　　材料、硅太阳能电池等,如硅芯片及光电池的主要原料。纯净的SiO2用于制作　　　　　　,也可用于制造电子工业的重要部件、光学仪器等。
半导体
光导纤维
2.新型陶瓷
砂纸
砂轮
3.碳纳米材料
碳纳米材料是一类新型无机非金属材料,主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
纳米材料 结构及性能 主要用途
富勒烯 由　　　　　构成的一系列笼形分子的总称,其中C60是富勒烯的代表物 —
碳纳米管 可看成由　　　　　　　卷成的管状物,具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积　　,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
石墨烯 只有一个　　　　　　原子直径厚度的单层石墨,其独特的结构使其电阻率 　　、热导率　　,具有很高的强度 在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面广泛应用
碳原子
石墨片层
大
碳原子
低
高
深度思考
为什么盛放NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,而是使用橡胶塞
提示 玻璃中含有SiO2,能与NaOH溶液反应生成Na2SiO3,易将玻璃塞与试剂瓶黏在一起。
教材拓展
其他新型陶瓷和纳米材料
(1)其他新型陶瓷
(2)纳米材料
纳米材料是指在三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料。
重难探究·能力素养全提升
探究一　无机非金属材料的主要性能和用途
情境探究
传统无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料,如水泥、玻璃和陶瓷等。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的,具有特殊性能和用途的材料,如高温结构陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成,可用于制造火箭发动机、汽车发动机等。
(1)水泥、玻璃、陶瓷等材料是工业和基本建设所必需的基础材料,制造陶瓷和水泥共同使用的原料是什么 制造陶瓷过程中只发生物理变化吗
(2)高温结构陶瓷用于制造火箭发动机、汽车发动机等,据此推测高温结构陶瓷可能具有哪些优良性能
提示 共同使用的原料是黏土;制造陶瓷的过程发生复杂的物理、化学变化。
提示 具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优良性能。
方法突破
1.传统硅酸盐材料的性能和主要用途
名称 性能 主要用途
陶瓷 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 建筑材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃 透光性好、硬度大、无固定熔点 建筑材料、各种器皿、光学仪器等
水泥 遇水逐渐变硬(水硬性)、硬化后性质稳定 大量用于建筑、水利、道路等工程中
2.新型无机非金属材料的性能及主要用途
名称 性能 主要用途
晶体硅 导电性介于导体与绝缘体之间 半导体材料、计算机芯片、太阳能电池等
二氧 化硅 性质稳定、透光性好 光导纤维、玻璃仪器、装饰品等
新型 陶瓷 分别具有光学、热学、电学、磁学等方面的特性 可用于激光、火箭发动机、压电陶瓷
(点火器)、磁悬浮技术、人工关节等
石墨烯 电阻率低、热导率高、强度大 光电器件、超级电容器、电池、复合材料等
碳纳 米管 比表面积大、电学性能好、强度大 传感器、电池、复合材料等
应用体验
1.(2023·广东广州高一期中)下列有关硅及硅酸盐材料的说法正确的是
(　　)
A.硅酸钠属于盐,不属于碱,所以硅酸钠溶液可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中
B.高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维
C.普通玻璃、陶瓷、水泥等均属于硅酸盐材料
D.玻璃塞试剂瓶稳定性好,可以保存所有的酸,但不能保存氢氧化钠固体
C
解析 硅酸钠属于盐,不属于碱,但其具有黏合性,故硅酸钠溶液不可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中,A错误;高纯度的硅单质广泛用于制作半导体材料,光导纤维的主要成分是SiO2,B错误;普通玻璃、陶瓷、水泥等传统无机非金属材料,均属于硅酸盐材料,C正确;玻璃塞试剂瓶稳定性好,但由于玻璃中的SiO2能与HF反应,故不可以保存氢氟酸,D错误。
2.(2023·湖北十堰高一期末)“雨过天晴云破处,千峰碧波翠色来”用于描述汝窑青瓷之美。青色主要来自添加的玛瑙粉末,下列有关说法错误的是
(　　)
A.青瓷的青色来自玛瑙中的SiO2
B.题中陶瓷是传统的无机非金属材料
C.瓷器的质量与原料矿物组成、升温速度、煅烧时间等因素有关
D.青瓷化学性质稳定,耐酸碱侵蚀
A
解析 青瓷的青色主要来自添加的玛瑙粉末,而玛瑙的主要成分是SiO2,SiO2是无色晶体,A错误;题中陶瓷是传统无机非金属材料,其化学性质稳定,耐酸碱腐蚀,B、D正确;瓷器的质量与原料矿物组成、升温速度、煅烧时间等因素有关,C正确。
探究二　硅和二氧化硅的化学性质
情境探究
硅和二氧化硅都是重要的新型无机非金属材料,在生产、生活、科技、航空航天等领域有着广泛的应用。
(1)利用光导纤维传输信号是利用了其导电性吗 光导纤维遇强碱溶液会“断路”,其原因是什么
(2)高纯度硅晶片是生产5G芯片的基础材料,工业上是如何制备高纯硅的
提示 SiO2不具有导电性,利用光导纤维传输信号是利用了其对光的全反射现象;SiO2与强碱溶液反应生成硅酸盐和水,导致光导纤维出现“断路”。
提示 工业上以石英砂为原料,在高温下利用焦炭还原二氧化硅先制得粗硅,再以粗硅为原料,利用HCl、H2进行提纯,获得高纯硅。
方法突破
硅、二氧化硅的化学性质的共性和特性
应用体验
1.(教材改编题)从硅的氧化物可以制取硅单质,主要化学反应如下:
下列说法正确的是(　　)
A.步骤①反应中,氧化剂和还原剂的物质的量之比为2∶1
B.步骤②涉及反应中硅元素均被还原
C.高温熔融Na2CO3固体时可用石英坩埚
D.Si、SiO2都能与氢氟酸、NaOH溶液反应
D
解析 步骤①反应中,SiO2是氧化剂,C是还原剂,二者的物质的量之比为1∶2,A错误;步骤②涉及的两个反应,前者硅元素被氧化,后者硅元素被还原,B错误;石英坩埚中含有SiO2,高温熔融Na2CO3固体时二者可反应生成Na2SiO3,C错误;硅、二氧化硅都能与氢氟酸反应生成SiF4气体,都能与NaOH溶液反应生成Na2SiO3,D正确。
【变式设问】
SiO2能与氢氟酸、NaOH溶液反应,故SiO2属于两性氧化物,这种观点是否正确 为什么
提示 不正确。两性氧化物与酸、碱溶液反应均生成盐和水,而SiO2与氢氟酸反应生成SiF4气体,不生成盐,故SiO2不是两性氧化物。
2.(2023·福建三明高一期中)“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可用流程图表示:
下列说法不正确的是(　　)
A.反应①中SiO2是氧化剂 B.流程中HCl和H2可以循环利用
C.反应①②③均为置换反应 D.反应③中H2是氧化剂
D
解析 反应①是SiO2+2C Si+2CO↑,反应中Si元素的化合价降低,故氧化剂为SiO2,A正确;根据流程和节约成本可知,流程中HCl和H2可以循环利用,B正确;反应①②③均为置换反应,C正确;反应③中H2是还原剂,D错误。
学以致用·随堂检测全达标
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1.(2023·山东卷)下列物质具有典型的齐鲁文化特色,据其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是(　　)
A.泰山墨玉 B.龙山黑陶
C.齐国刀币 D.淄博琉璃
C
解析 泰山墨玉、龙山黑陶、淄博琉璃的主要成分为硅酸盐;齐国刀币的主要成分为合金。
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2.(2023·福建三明高一期中)化学与生产、生活、科技息息相关,下列叙述错误的是(　　)
A.国产飞机C919用到的氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料
B.石墨、碳纳米管、富勒烯互为同素异形体
C.“天宫二号”空间实验室的太阳能电池板的主要材料是二氧化硅
D.水玻璃可用作制备木材防火剂的原料
C
解析 氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料,硬度大,可用于制造发动机,A正确;石墨、碳纳米管、富勒烯都是由碳元素形成的单质,互为同素异形体,B正确;太阳能电池板的主要材料是晶体硅,C错误;水玻璃是硅酸钠的水溶液,可用来制作木材防火剂,D正确。
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3.(2023·河北唐山高一期中)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金属材料还有无机非金属材料,化学与材料、信息、能源关系密切。下列说法不正确的是(　　)
A.当前计算机使用的硅芯片的主要材料是二氧化硅
B.当前太阳能电池的主要材料是硅
C.水泥、玻璃、陶瓷都是传统的硅酸盐工业产品
D.高纯硅的制备是通过氢气还原三氯硅烷实现的
A
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解析 Si位于金属与非金属的交界处,是良好的半导体材料,是当前计算机使用的硅芯片主要材料,A错误;当前太阳能电池的主要材料是Si,B正确;水泥、玻璃和陶瓷是传统的硅酸盐工业产品,C正确;高纯硅的制备是通过氢气还原三氯硅烷实现的:SiHCl3+H2 Si+3HCl,D正确。
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4.(2023·黑龙江大庆高一期末)宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑和哥窑。其中钧窑以“入窑一色,出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是(　　)
A.窑变是高温下釉料中的化合物发生反应导致的颜色变化
B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C.高品质的瓷器晶莹剔透,属于纯净物
D.陶瓷属于硅酸盐材料,耐酸碱腐蚀,但是不能用来盛装氢氟酸
C
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解析 在高温下,釉料中的化合物发生反应导致的颜色变化称为窑变,A正确;氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,B正确;瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅,是混合物,C错误;HF能与二氧化硅反应,陶瓷的成分是硅酸盐和二氧化硅,故陶瓷不能用来盛装氢氟酸,D正确。
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5.新材料的使用助力了我国航天航空事业的飞速发展。下列说法错误的是(　　)
A.火箭箭体采用的高强度新型钛合金属于金属材料
B.制造太阳能电池板的单晶硅不属于新型无机非金属材料
C.飞船返回舱外表面使用的耐高温氮化硅陶瓷属于新型陶瓷
D.制造月球探测器中的瞄准镜时使用的光导纤维,其主要成分是SiO2
B
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解析 火箭箭体采用的高强度新型钛合金属于金属材料,A正确;硅是半导体,制造太阳能电池板的单晶硅属于新型无机非金属材料,B错误;氮化硅陶瓷性质稳定,耐高温,飞船返回舱外表面使用的耐高温氮化硅陶瓷属于新型陶瓷,C正确;二氧化硅能传递光信号,制造月球探测器中的瞄准镜时使用的光导纤维,其主要成分是SiO2,D正确。

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