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第三节　无机非金属材料
【学习目标】1．了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品的工业生产。
2．了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、碳纳米材料等新型无机非金属材料。
知识点一
PART
01
第一部分
知识点一　硅酸盐材料
1．无机非金属材料概述
2．硅酸盐材料
(1)硅酸盐的结构与性质特点
硅氧四面体的 结构示意图 结构 性质特点
在硅酸盐中，Si和O构成了____________结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，每个Si结合____个O，每个O结合______个Si 硅酸盐材料大多具有硬度______、________溶于水、____________、____________等特点
硅氧四面体
4
2
高
难
耐高温
耐腐蚀
[知识拓展]　最简单的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可用作黏合剂和防火剂，其与少量CO2反应的化学方程式为Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。
(2)常见的硅酸盐材料
物质 陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 ________(主要成分为含水的铝硅酸盐) ____________和石英砂(主要成分是SiO2) 主要原料：___________
辅料：适量的石膏
设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑
用途 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 生产建筑材料、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
黏土
纯碱、石灰石
石灰石和黏土
普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得。写出其中发生反应的化学方程式。
×
√
(1)硅酸盐结构较为复杂，大多易溶于水，化学性质稳定　(　　)
(2)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(　　)
(3)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　)
(4)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化　(　　)
√
√
1．《天工开物》第七卷《陶埏(陶瓷)》中“水火既济而土合。……后世方土效灵，人工表异，陶成雅器，有素肌、玉骨之象焉”。所述的“陶成雅器”的主要原料是(　　)
A．黏土　　　　　　　　 B．纯碱、石灰石、石英砂
C．黏土、石灰石 D．二氧化硅、硅酸钙、硅酸铝
解析：陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成的，题干中“水火既济而土合”为陶器的生产工艺，所以所述的“陶成雅器”的主要原料是黏土。
√
√
2．含硅元素的物质有很多用途。下列物质的主要成分不是硅酸盐的是(　　)
A．用作木材防火剂原料的水玻璃 B．制作精美饰品的玛瑙
C．我国三峡大坝使用的大量水泥 D．高压输电线使用的陶瓷绝缘材料
解析：A．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，属于硅酸盐材料；
B．玛瑙的主要成分为二氧化硅，不属于硅酸盐材料；
C．水泥的主要原料为黏土和石灰石，属于硅酸盐材料；
D．陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成的，属于硅酸盐材料。
3．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述不正确的是(　　)
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不易被腐蚀
B．在建筑工业上可以用作黏合剂、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：水玻璃为硅酸钠的水溶液，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。
√
知识点二
PART
02
第二部分
知识点二　新型无机非金属材料
1．硅和二氧化硅
(1)硅的结构与存在
原子结构 示意图 元素周期表中 的位置 存在 含量 主要存在形态
________ 第____周期　　 第____族　　　 地壳中居 第____位　　　 氧化物(如水晶、玛瑙)和硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)
三
ⅣA
二
(2)高纯硅的制备

其中涉及的主要化学反应如下：
①__________________________________；
②_______________________________；
③_____________________________。
SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应生成硅酸盐。氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4气体和水。
(1)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，SiO2属于两性氧化物吗？
提示：SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应，但生成的SiF4不属于盐。
(2)能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸？若不能，请写出化学方程式并简述理由。
提示：不能。玻璃中含有二氧化硅，能被氢氟酸腐蚀，化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
(3)为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液？
提示：NaOH能与磨口玻璃塞中的SiO2反应生成具有黏性的Na2SiO3，把瓶塞与瓶口黏结在一起。
(4)SiO2属于酸性氧化物，能否用SiO2与水直接反应制取H2SiO3？若不能，则如何由SiO2来制取H2SiO3？用化学方程式表示。
二氧化硅的化学性质
(3)主要用途
①利用高纯硅的半导体性能可以制造________和________________等。
②SiO2可用来生产____________。
芯片
硅太阳能电池
光导纤维
2．新型陶瓷
新型陶瓷 成分 性能 主要应用
金刚砂 _________________ 硬度很______、具有优异的高温抗氧化性能 用作磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料等
高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、某些金属氧化物等 耐______、抗氧化、耐________ 火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
碳化硅(SiC)
大
高温
磨蚀
新型陶瓷 成分 性能 主要应用
压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 实现______能与____能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物；氮化铝、氟化钙等非氧化物 具有优异的光学性能，耐高温，__________好 高压钠灯、激光器和高温探测窗等
超导 陶瓷 — 某一临界温度下具有超导性 电力、交通、医疗等领域
机械
电
绝缘性
3.碳纳米材料
碳纳米材料 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 可以看成是由________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 __________________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、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入
碳原子
C60　
石墨片层
强度
电学
只有一个碳原子直径
低
高
√
解析：A．硅元素以二氧化硅和硅酸盐形式存在于地壳中，石英、水晶的主要成分均是二氧化硅，选项A正确；
D．硅单质是一种半导体材料，高纯度的硅单质广泛用于制作硅芯片，选项D正确。
√
2．(2024·云南高一月考)现代社会的发展与进步离不开材料。下列说法错误的是(　　)
A．碳化硅是一种新型陶瓷材料，具有耐高温、耐磨的特点
B．晶体硅常用于制作光导纤维
C．制普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂
D．石墨烯是一种新型无机非金属材料，具有高电导率的特点
解析：碳化硅(SiC)是一种新型无机非金属材料，熔点高、硬度大，具有耐高温、耐磨的特点，A正确；
晶体硅是一种半导体材料，常用于制造芯片，二氧化硅用于制作光导纤维，B错误；
普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂，C正确；
石墨烯是一种新型无机非金属材料，导电性强，具有高电导率的特点，D正确。
√
3．“纳米车”是科学家用某有机化合物分子和球形笼状分子C60制成的，每辆“纳米车”由一个有机化合物分子和四个C60分子构成。下列说法正确的是(　　)
A．人们用肉眼可以清晰地看到“纳米车”的运动
B．C60和金刚石中碳元素均以游离态的形式存在
C．C60是一种新型的化合物
D．C60和石墨具有完全相同的性质
解析：A项，“纳米车”很小，人们不能直接用肉眼清晰地看到“纳米车”的运动，错误；
B项，C60和金刚石都是单质，碳元素均以游离态的形式存在，正确；
C项，C60是由一种元素组成的纯净物，属于单质，错误；
D项，C60和石墨是不同的物质，结构不同，性质不完全相同，错误。
课堂检测 巩固落实
PART
03
第三部分
√
1．(2022·新高考广东卷)广东一直是我国对外交流的重要窗口，馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是(　　)
解析：A．鎏金饰品是用金和水银合成金汞剂，将其涂在饰品的表面，经过烘烤，汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺，其中不含硅酸盐，故A项不符合题意；
B．蒜头纹银盒的主要成分为金属银，故B项不符合题意；
C．广彩瓷咖啡杯是由黏土烧制而成的，主要成分为硅酸盐，故C项符合题意；
D．铜镀金钟座是由铜和金等制成的，其中不含硅酸盐，故D项不符合题意。
√
2．(教材习题改编)下列叙述错误的是(　　)
A．硅在自然界中主要以单质形式存在
B．硅是应用最广泛的半导体材料
C．传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如陶瓷、玻璃、水泥等
D．二氧化硅可用于生产玻璃
3．(2024·杭州高一调研)碳纳米管是由石墨烯卷曲成的单层或多层的直径为2～20 nm的中空管状结构。下列说法不正确的是(　　)

A．碳纳米管是一种胶体
B．石墨烯卷成管状结构发生了化学变化
C．石墨烯和碳纳米管互为同素异形体
D．根据碳纳米管的形状可推测它可以用作催化剂的载体
√
解析：胶体是分散系，是混合物，而碳纳米管是纯净物，不是胶体，A错误；
石墨烯卷成管状结构变为碳纳米管发生了化学变化，B正确；
石墨烯和碳纳米管是碳元素形成的两种不同的单质，二者互为同素异形体，C正确；
碳纳米管有较大的比表面积，可以用作催化剂的载体，D正确。
√
4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如下图所示)。下列说法正确的是(　　)

A．图中所有反应都不属于氧化还原反应
B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维
C．可用盐酸除去石英(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，有固定的熔点
解析：由题图可知，SiO2与CaO、CaCO3、Na2CO3的反应不属于氧化还原反应，SiO2与C、Si与Cl2、SiCl4与H2的反应属于氧化还原反应，A错误；
光导纤维的主要成分是SiO2，B错误；
玻璃没有固定的熔点，D错误。
5．中国高铁已经成为中国的一张新名片。作为“基建狂魔”，中国高铁的发展速度已经不止一次让全世界赞叹。
(1)碳纤维复合材料可用作高速列车的车身结构，动力学前端、内饰、承重结构件或其他零部件，碳纤维与碳纳米管、石墨烯________(填“是”或“不是”)同素异形体。
解析：碳纤维与碳纳米管、石墨烯均为碳的单质，互为同素异形体。
是
(2)建设高铁轨道需要大量的水泥，生产水泥的主要原材料是黏土和________；还需要加入适量________调节水泥硬化速率。
解析：生产水泥的主要原材料是石灰石和黏土。
(3)高铁上的信息传输系统使用了光导纤维，主要成分是________；乘务员使用的无线通话机的芯片材料是________。
解析：光导纤维的主要成分是SiO2，具有良好的导光性；硅单质是半导体材料，常用于制作计算机芯片和太阳能电池，乘务员使用的无线通话机的芯片材料是硅。
石灰石
石膏
SiO2
Si　
(4)高铁上安装有许多玻璃，氢氟酸可以处理玻璃表面的微裂纹，氢氟酸与玻璃中的二氧化硅反应的化学方程式为______________________________。
解析：玻璃中含有二氧化硅，二氧化硅和氢氟酸反应生成四氟化硅和水，化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(5)高铁上的卫生间没有任何异味，这是由于所使用的马桶、地漏和洗手盆下水口都是纳米硅胶的高科技产品。向硅酸钠溶液中加入稀盐酸可产生硅酸胶体，该反应的离子方程式为____________________________________。

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