资源简介

(共39张PPT)
第三节　无机非金属材料
第五章
内容索引
01
02
课前篇 素养初探
课堂篇 素养提升
素养目标
1.结合生产、生活中各种常见的无机非金属材料的应用,了解多种硅酸盐材料、新型无机非金属材料的性能和用途,发展科学态度与社会责任的学科核心素养。
2.掌握晶体硅的制备原理,发展变化观念的学科核心素养。
课前篇 素养初探
【自主梳理】
一、硅酸盐材料
1.无机非金属材料
(1)组成元素:含硅、氧等元素。
(2)性能:一般具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点,以及特殊的光学、电学等性能。
(3)应用:广泛应用于航空、航天、信息和新能源等领域。
2.传统无机非金属材料(多为硅酸盐材料)
(1)硅酸盐的结构与性能
①硅酸盐的结构:在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体,如下图所示。
硅氧四面体的结构示意图
②硅酸盐材料的性质:多数具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(2)三种常见硅酸盐产品
硅酸盐产品 原料 主要设备或生产条件 应用
陶瓷 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) 高温烧结 用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃(主要成分为Na2SiO3 、CaSiO3 和SiO2 ) 纯碱、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2) 在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制得 用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等
水泥 黏土、石灰石、石膏(调节水泥的硬化速率) 在水泥回转窑中煅烧 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程
【微思考】生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应 试写出反应的化学方程式。
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(1)单质硅的性质
硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是应用最为广泛的半导体材料。
(2)自然界中的硅元素
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。
(3)晶体硅的制备
工业制备高纯硅的原理示意图
其中涉及的主要化学反应为:
(4)硅和二氧化硅的用途
①晶体硅:制芯片、硅太阳能电池等。
②二氧化硅晶体:生产光导纤维等。
2.新型陶瓷
(1)碳化硅(SiC,俗称金刚砂)
硬度很大、耐高温　　　　　　　　　
①结构:碳原子和硅原子通过共价键连接,具有类似金刚石的结构。
②性质和用途
性质 用途
硬度很大 用作砂纸和砂轮的磨料
高温抗氧化 用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等
(2)几种新型陶瓷
名称 原料或成分 优良性能 用途
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 耐高温、抗氧化、耐腐蚀等 可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
压电陶瓷 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
名称 原料或成分 优良性能 用途
透明陶瓷 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 可用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
碳纳米材料名称 组成 性能 应用或用途
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,其中C60是富勒烯的代表物 — C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象,开启了碳纳米材料的研究和应用的新时代,如用C60作车轮的“纳米汽车”
碳纳米材料名称 组成 性能 应用或用途
碳纳米管 可看成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
石墨烯 是只有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 可用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面,如使用石墨烯材料制成的动力电池和超轻海绵等
【自我检测】
1.正误判断(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)硅酸盐中,Si与其周围距离最近的4个O构成正四面体结构。(　　)
(3)利用石英坩埚可熔融NaOH固体。(　　)
(4)富勒烯、碳纳米管和石墨烯都是碳单质。(　　)
(5)硅是制备光导纤维和光电池的材料。(　　)
(6)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。(　　)
×
√
×
√
×
√
2.硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中,硅一直扮演着主角。下面几种物质中含有硅单质的是(　　)
A.水晶镜片 B.玛瑙手镯
C.硅太阳能电池 D.石英光导纤维
答案 C
解析 水晶、玛瑙、石英的主要成分都是SiO2,硅太阳能电池中使用硅单质。
3.(2021湖南常德高一期末)我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世,填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是(　　)
A.晶体硅的结构与金刚石类似
B.晶体硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质发生反应
C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但是它提炼工艺复杂,价格昂贵
D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料,可以导电
答案 A
解析 常温下,晶体硅可与NaOH溶液、氢氟酸发生反应,B错误;可利用焦炭还原SiO2制得粗硅,再提纯得到高纯硅,工艺并不复杂,C错误;晶体硅是半导体材料,不是金属材料,D错误。
课堂篇 素养提升
任务一
晶体硅的制备
【问题探究】
中国5G芯片崛起,技术再获新突破,成为全球5G市场巨头。
(1)光导纤维的主要成分是什么 利用光导纤维传输信号是利用了其导电性吗 5G芯片的主要成分是什么
提示 光导纤维的主要成分是SiO2;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;5G芯片的主要成分是高纯硅。
(2)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
②整个制备过程中必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质,写出该反应的化学方程式。
提示 SiHCl3+3H2O === H2SiO3↓+3HCl+H2↑。
【深化拓展】
1.硅的制备与提纯
2.硅及其化合物的转化关系
【素能应用】
典例在无机非金属材料中,硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下:
①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅;
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3:
Si+3HCl SiHCl3+H2;
③SiHCl3与过量H2在1 100 ℃反应制得纯硅。
请回答下列问题:
(1)第①步制备粗硅反应的化学方程式为　　　　　　　　　　。
(2)粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点-84.7 ℃),提纯SiHCl3采用的方法为　　　　　。
(3)从基本反应类型角度分类,步骤③中发生的反应属于　　　　　　　　。
(4)为鉴定产品硅中是否含微量铁单质,将试样用稀盐酸溶解,取上层清液后需再加入的试剂是　　　　(填字母)。
A.氯水 B.NaOH溶液 C.KSCN溶液 D.Na2SO3溶液
答案 (1)SiO2+2C Si+2CO↑
(2)蒸馏(或分馏)　(3)置换反应　(4)AC
解析 (1)高温下用碳还原二氧化硅可制得粗硅,同时生成一氧化碳。
(2)分离沸点不同的液体应用蒸馏(或分馏)的方法。
(3)步骤③中发生反应的化学方程式为SiHCl3+H2 Si+3HCl,属于置换反应。
(4)鉴定产品中是否含铁单质,用稀盐酸溶解后生成Fe2+,因含量少,应将Fe2+转化为Fe3+后再检验,故选AC。
【变式设问】
从元素化合价角度分析,上述步骤中,硅及含硅化合物发生了怎样的变化
提示 步骤①中SiO2发生还原反应,步骤②中Si发生氧化反应,步骤③中SiHCl3发生还原反应。
变式训练已知:SiHCl3与过量H2在1 100 ℃反应制得高纯硅,且SiHCl3能与水剧烈反应,在空气中易自燃。用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去):
请回答下列问题:
(1)装置B中的试剂是　　　　　　,装置C中的烧瓶需要加热,其目的是　 　。
(2)反应一段时间后,装置D中观察到的现象是　　　　　　　　,装置D不能采用普通玻璃管的原因是　　　　　　　　　　　　　　,装置D中发生反应的化学方程式为　 。
(3)为保证制备纯硅实验的成功,操作的关键是检查实验装置的气密性,控制好反应温度以及　　　　　　。
答案 (1)浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
(2)有固体物质生成　在此反应温度下,普通玻璃会软化　
SiHCl3+H2 Si+3HCl
(3)排尽装置中的空气
解析 用Zn、稀硫酸反应制得的H2会混有少量H2O,而SiHCl3能与H2O发生剧烈反应,所以要进行干燥,根据装置应选择液态干燥剂浓硫酸。装置C用水浴加热,使SiHCl3汽化,再和H2进入装置D反应,因为SiHCl3与H2在1 100 ℃时反应,温度很高,普通玻璃会软化,因此不能使用普通玻璃管。因为SiHCl3在空气中易自燃,实验中还要注意先通一段时间的H2以排尽装置中的空气。
随堂检测
1.(2021辽宁大连金州高级中学高一检测)《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”,“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”,“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。下列说法错误的是(　　)
A.沙子和粘土主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”使粘土发生复杂的物理化学变化
C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦
D.粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
答案 A
解析 沙子的主要成分是SiO2,粘土的主要成分是硅酸盐,A错误;“燃薪举火”烧制粘土,发生一系列复杂的物理化学变化,可制得砖、瓦等硅酸盐产品,B正确;据“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”可知,烧制后浇水冷却成青瓦,C正确;粘土是制造砖瓦、陶瓷的主要原料,在烧制过程中发生复杂的物理化学变化,D正确。
2.硅被誉为无机非金属材料的主角。有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。下列有关说法正确的是(　　)
A.硅的含量居第二位,在地球上有丰富的单质硅资源,如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅
B.硅相对于氢气而言便于运输、贮存,从安全角度考虑,硅是有开发价值的燃料
C.存放NaOH溶液的试剂瓶能用玻璃塞
D.硅是一种良好的半导体材料,所以是制造光导纤维的基本原料
答案 B
3.(2021山东聊城二中检测)近年来科学家制造出大量的新物质,对下列三种物质的相关说法错误的是(　　)

石墨烯:从石墨中分离出来,是最薄、最坚硬的纳米材料 石墨炔:平面网状结构的全碳分子,具有优良的化学稳定性 纳米碳管:具有优良的场发射性能,制作阴极显像管、储氢材料
A.石墨烯具有良好的导电性
B.上述三种物质与金刚石互为同素异形体
C.石墨炔孔径略大于H2分子的直径,可作H2的提纯薄膜
D.上述三种物质与浓硫酸都能发生反应,但反应产物不同
答案 D
解析 石墨烯是从石墨中分离出来的,也具有导电性,A正确;同种元素的不同单质互称同素异形体,B正确;碳原子半径大于氢原子,则石墨炔孔径大于H2分子的直径,可以通过H2分子,C正确;碳与浓硫酸反应的产物均为二氧化碳、二氧化硫和水,D错误。
4.氮化硅是一种高温结构陶瓷,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在1 300 ℃时反应获得氮化硅。
(1)根据性质,推测氮化硅陶瓷的用途是　　　　　　(填序号)。
①制汽轮机叶片　②航空航天耐高温材料　③制永久性模具　④汽车发动机
(2)画出N的原子结构示意图:　　　　　　　　　　　　　,写出氮化硅的化学式:　　　　　　。
(3)高纯硅与纯氮气反应制得氮化硅,请写出反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案 (1)①②③④　(2) 　 Si3N4
(3)2N2+3Si Si3N4
解析 从题给信息可知,氮化硅具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。由于在化合物中硅元素显+4价,氮元素显-3价,故氮化硅的化学式为Si3N4。

展开更多......

收起↑