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第三节　无机非金属材料
第五章　化工生产中的重要非金属元素
课程标准 核心素养目标
1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解硅、二氧化硅的主要性质。
2．认识无机非金属材料在生产中的应用和对生态环境的影响。 1.科学探究与创新意识：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。
2．科学态度与社会责任：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。
一、硅酸盐材料
1．硅酸盐的结构与性质
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧 (结构如右图所示)。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。
四面体
4
(2)硅酸盐的性质
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、耐高温、耐腐蚀等特点。
2．传统硅酸盐材料
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的 、窗户上的 、建筑用的 等。
(1)陶瓷
陶瓷是以 (主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成的。
高
陶瓷
玻璃
水泥
黏土
(2)玻璃
普通玻璃的主要成分为 、 和 ，它是以 、
和 (主要成分是SiO2)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的。
(3)水泥
普通硅酸盐水泥的生产以 和 为主要原料，二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉就能得到普通水泥。
Na2SiO3
CaSiO3
SiO2
纯碱
石灰石
石英砂
黏土
石灰石
3．硅酸钠(Na2SiO3)
(1)物理性质
白色固体，可溶于水。其水溶液俗称水玻璃，为无色黏稠状液体，常用作黏合剂。
(2)化学性质
硅酸盐一般具有较强的热稳定性，耐高温。
Na2SiO3可与酸性强于硅酸的酸反应，生成不溶于水的硅酸。例如：将少量CO2通入Na2SiO3溶液中，生成H2SiO3和Na2CO3，反应的化学方
程式为
将过量CO2通入Na2SiO3溶液中，生成H2SiO3和NaHCO3，反应的化学方程式为
(3)主要用途：用作建筑材料及纸张的黏合剂，制备木材阻燃剂等
Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3
Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3
1．硅和二氧化硅
(1)硅元素的“位—构—性”关系及存在形式
①硅元素的“位—构—性”关系。
②存在形式：硅在自然界主要以 和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。
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进一步提纯，才能得到高纯硅。
；
；
。
(3)硅和二氧化硅的用途
①高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其 性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的 ，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的 电池。
②二氧化硅可用来生产 ，其通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
半导体
芯片
硅太阳能
光导纤维
2.新型陶瓷
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 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 耐高温、抗氧化、耐磨蚀等 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
新型材料 成分 性能 主要应用
压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能与电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷；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 用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等
超导陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域
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。
物质 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，其中的C60是富勒烯的代表物 —
碳纳
米管 可以看成是由 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
，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
碳原子
石墨
大
物质 结构及性能 主要用途
石墨烯 只有一个 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的应用研究正在不断深入
碳原子
低
高
◆拓展延伸
最简单的硅酸盐(Na2SiO3)
(1)Na2SiO3是白色固体，可溶于水。其水溶液俗称水玻璃，为无色黏稠液体，是一种天然矿物胶。
(2)Na2SiO3的化学性质稳定，不燃烧，热稳定性好。能与较强酸反应生成难溶于水的硅酸，如与足量CO2反应：Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3。
(3)Na2SiO3可用作建筑材料及纸张的黏合剂，制备木材阻燃剂等。
◆拓展延伸
硅酸盐的表示方法
硅酸盐组成复杂，常用氧化物形式表示，顺序为金属氧化物·二氧化硅·水。多种金属时按金属活动性顺序排列。例如：
硅酸钠(Na2SiO3)→Na2O·SiO2
高岭石(Al2H4Si2O9)→Al2O3·2SiO2·2H2O
钾云母(KH2Al3Si3O12)→K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
◆名师点拨
无机非金属材料的分类
◆易错警示
硅和二氧化硅的性质
(1)硅元素具有亲氧性，在自然界中仅以化合态(硅酸盐、SiO2)存在，无游离态单质。
(2)具有金属光泽和导电性的单质不一定是金属，如半导体材料晶体硅。
(3)工业制粗硅时，SiO2与焦炭在高温下反应的主要产物是CO，而不是CO2。
(4)二氧化硅的特性是与氢氟酸(HF)反应；硅单质除HF外，也可与强碱溶液反应。
◆拓展延伸
纳米材料
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，并因此呈现出独特物理化学特性的材料。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)硅是构成矿物和岩石的主要元素，在地壳中含量居于第一位(　　)
(2)硅的化学性质不活泼，在自然界中主要以单质硅形式存在(　　)
(3)硅主要用于制造芯片、硅太阳能电池，二氧化硅可用于制造光导纤维(　　)
(4)SiO2既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，故SiO2属于两性氧化物(　　)
√
×
×
×
◆名师点拨
1．碳酸与硅酸的性质比较
(1)H2CO3
①酸性：弱酸，酸性强于H2SiO3。
②水溶性：能溶于水。
③稳定性：常温下易分解生成CO2和H2O。
④制备：CO2＋H2O H2CO3。
(2)H2SiO3
①酸性：弱酸，酸性弱于H2CO3。
②水溶性：难溶于水。
③稳定性：受热分解生成SiO2和H2O。
④制备：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
(3)H2CO3与H2SiO3的转化关系：
Na2SiO3＋H2CO3===H2SiO3↓＋Na2CO3。
2．Na2SiO3与Na2CO3的性质比较
(1)Na2SiO3
①俗名：Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃、泡花碱。
②水溶性：易溶于水，水溶液黏合性强，可用作矿物胶。
③与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
④与CO2反应：
a．Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
b．Na2SiO3＋2CO2(过量)＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3。
⑤用途：制备硅胶、木材防火剂、黏合剂。
(2)Na2CO3
①俗名：纯碱、苏打。
②水溶性：易溶于水。
③与盐酸反应：
a．Na2CO3＋2HCl(过量)===2NaCl＋H2O＋CO2↑。
b．Na2CO3＋HCl(少量)===NaCl＋NaHCO3。
④与CO2反应：Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3。
⑤用途：制玻璃、肥皂等。
探究一 无机非金属材料的性能和用途
传统的无机非金属材料，如水泥、玻璃和陶瓷，是工业和基础设施建设所必需的基础材料。新型无机非金属材料则是在20世纪中期后发展起来的，具有特殊性能与用途的先进材料，如由碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成的高温结构陶瓷，被广泛用于火箭发动机、汽车发动机等关键部件。
[问题设计]
(1)水泥、玻璃、陶瓷等材料是工业和基础设施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？陶瓷的制造过程是否只发生物理变化？
提示：制造陶瓷和水泥共同使用的原料是黏土。陶瓷的制造过程发生了复杂的物理、化学变化。
(2)高温结构陶瓷可用于制造火箭发动机、汽车发动机等部件。根据其应用场景，推测其可能具有哪些优良性能。
提示：高温结构陶瓷具有耐高温、耐磨蚀、抗氧化等优良性能。
(1)传统硅酸盐材料的性能和主要用途
分类 名称 性能 主要用途
传统硅酸盐
材料 陶瓷 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 建筑材料、绝缘材料、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 大量用于建筑和水利工程
(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
高纯硅 导电性介于导体与绝缘体之间 作半导体材料，制成计算机的芯片、硅太阳能电池等
二氧
化硅 性质稳定、透光性好 用于生产光导纤维等
新型
陶瓷 在光学、热学、电学、磁学等方面具有新的特性和功能 可用于激光器、火箭发动机、点火器、磁悬浮技术、人工关节等
名称 性能 主要用途
石墨烯 电阻率低、热导率高、强度高 用于光电器件、超级电容器、电池、复合材料等
碳纳
米管 比表面积大、电学性能优良、强度高 用于生产传感器、电池、复合材料等
C
[例1] 下列物质不属于新型无机非金属材料的是 (　　)
A.应用于超高清显示器的低温多晶硅材料 B.应用于新能源汽车的石墨烯电池
C.应用于高分辨率人工视网膜的聚酰亚胺材料 D.应用于敏感元器件的氮化镓半导体材料
低温多晶硅、石墨烯和氮化镓都属于新型无机非金属材料；聚酰亚胺属于有机高分子材料。
B
1．下列关于无机非金属材料的说法正确的是 (　　)
A．硅是生产计算机芯片的原料，二氧化硅是制造太阳能电池的原料
B．天和核心舱电推进系统中采用的氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料
C．陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐
D.水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
高纯二氧化硅可用于制造光导纤维，高纯硅可用于制造太阳能电池和半导体芯片；氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料；传统陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐，但水晶的主要成分是二氧化硅；水玻璃是硅酸钠的水溶液，属于混合物。
探究二 硅和二氧化硅的化学性质
人类历经长期探索，发现了硅元素的存在，在广泛存在的沙子中提取出硅单质，并借助现代工艺制成计算机芯片，完成了“从沙子到芯片”的跨越；随后，又制备出高纯度的SiO2，开创性地把光纤应用于通信领域，实现了“从沙滩到用户”的梦想，由此，人类迈入了互联网时代。
[问题设计]
(1)高纯度硅晶片是制造5G芯片的关键材料之一。工业上是如何制备高纯硅的？
提示：工业上制备高纯硅通常以石英砂为原料。先在高温下利用焦炭还原石英砂，制得粗硅；再以粗硅为原料，利用在一定条件下与HCl、H2发生反应，经一系列化学过程进行提纯，最终获得高纯硅。
(2)利用光导纤维传输信号是基于其导电性吗？光导纤维遇强碱溶液会导致信号传输中断，其原因是什么？
提示：SiO2本身不具有导电性。光导纤维能够传输信号，是利用其对光的全反射原理实现的。SiO2可与强碱溶液发生化学反应，生成可溶性的硅酸盐，导致光导纤维结构被破坏，从而导致信号传输中断。
(1)硅的化学性质
①常温下，硅能与氢氟酸、氟气、强碱溶液发生反应。
与氢氟酸反应： Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
与氟气反应：Si＋2F2===SiF4 。
与氢氧化钠溶液反应： Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
②在加热条件下，硅能与氧气、碳等非金属单质反应。
[特别提醒] (1)Si与氢氟酸反应是其特性反应，其他常见非金属单质不具备此性质。
(2)Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质，Al是能与NaOH溶液反应放出H2的金属单质，此性质常作为化学推断题的突破口。
(3)Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑可理解为分两步进行：Si＋3H2O===H2SiO3＋2H2↑、H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。合并后得到总反应。在此反应中，Si是还原剂，H2O是氧化剂，NaOH既不是氧化剂也不是还原剂。
(2)SiO2的化学性质
[特别提醒] (1)因玻璃中含SiO2，会与碱溶液反应生成黏性的Na2SiO3，导致瓶塞黏结，故盛放碱液的试剂瓶应使用橡胶塞，而非玻璃塞。
(2)未经磨砂处理的光滑玻璃表面，在常温下被强碱腐蚀的速度较慢。
(3)氢氟酸能腐蚀玻璃，因此不能保存在玻璃瓶中，需存放在塑料瓶或铅皿中。
(7)注意区分二氧化硅与晶体硅的实际用途：SiO2可用于制作光导纤维；晶体硅用作半导体材料，用于制造计算机芯片、太阳能电池等。
(8)加热熔融NaOH时，不宜使用陶瓷坩埚、石英坩埚或铝坩埚，而应选用铁坩埚。原因是陶瓷与石英的主要成分均为SiO2，会与NaOH发生反应；铝坩埚表面的氧化铝也会与NaOH反应，导致容器被腐蚀。
[例2] 5G商用加速推出，凝结着新时代奋斗者的心血和汗水，彰显了不同凡响的中国风采、中国力量。制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3与过量H2在1 100 ℃反应制备高纯硅的装置如右栏上图所示(热源及夹持装置略去)。
D
已知： SiHCl3 遇水会发生强烈反应，在空气中易自燃。
下列说法错误的是(　　)
A．装置Y中的试剂是浓硫酸
B．实验时先打开装置X中分液漏斗的旋塞
C．装置Z中的烧瓶需要加热，其目的是使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
D．装置R不能采用普通玻璃管的原因是SiO2会与HCl发生反应
SiHCl3 遇水发生强烈反应，因此通入的H2必须干燥，装置Y中选用浓硫酸作为干燥剂；SiHCl3在空气中易自燃，实验前必须排尽装置内的空气，正确的操作是先打开装置X的分液漏斗活塞，利用生成的H2排出装置内的空气，再打开装置Z的分液漏斗旋塞；由于SiHCl3呈液态，需经加热汽化为蒸气，才能进入石英管与H2反应，因此装置Z的烧瓶需要加热；该反应需在1 100 ℃的高温下进行，此温度下普通玻璃管会软化，因此不能使用普通玻璃管。
C
B
1．下列物质与化学有着密切联系，其中说法错误的是 (　　)
A．晶体硅可用于光伏发电
B．富勒烯、石墨烯都是含碳化合物
C．新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料
D．我国提出网络强国战略。光导纤维的主要成分是SiO2
晶体硅效率高、寿命长、性能可靠，可用于制造太阳能电池进行光伏发电；富勒烯和石墨烯都是由碳元素形成的不同单质；碳化硅作为新型陶瓷，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优良性能；光导纤维的主要成分是SiO2。
D
2．“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘了我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷等硅酸盐材料属于传统无机非金属材料，下列说法正确的是 (　　)
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂
C．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分不同
陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品之一；制普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐；传统无机非金属材料主要指硅酸盐材料(如玻璃、水泥、陶瓷)，而新型无机非金属材料是具有特殊性能的非硅酸盐材料，二者成分不同。
B
3．材料的开发与应用有力推动了我国航空航天事业的飞速发展。下列说法正确的是 (　　)
A．神舟十五号载人飞船返回舱外表面使用的新型高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
B．火箭芯一级尾段使用的碳纤维材料属于新型无机非金属材料
C．天问一号探测器采用的新型SiC增强铝基材料属于新型硅酸盐材料
D．中国空间站天和核心舱推进器所使用的氮化硼陶瓷属于传统的无机非金属材料
新型高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料，不属于传统的硅酸盐材料；新型SiC增强铝基材料属于复合材料，不属于硅酸盐材料；氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料。
C
4．碳纳米管可被视为由单层或多层石墨烯卷曲而成的中空管状结构，直径通常在10～20 nm。下列说法错误的是 (　　)
A．石墨烯和碳纳米管互为同素异形体
B．石墨烯中只存在非极性键
C．碳纳米管是一种胶体
D．石墨烯可用于制造超级电容器、电池等
石墨烯和碳纳米管都是由碳元素形成的不同结构单质，二者互为同素异形体；石墨烯中只存在非极性的碳碳键；碳纳米管是碳单质，属于纯净物，不是胶体；石墨烯具有电阻率低、热导率高和强度大的特点，可用于制造超级电容器和电池等。
5．硅单质及其化合物应用广泛。请回答下列问题：
(1)硅元素在元素周期表的位置是__________________。它的氧化物属于__________(填序号)氧化物。
a．酸性　　　b．碱性　　　c．中性
(2)硅单质可作为半导体材料。三氯硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程如下图所示。
由题给流程可知，石英砂和焦炭在高温下反应生成硅和一氧化碳，得到粗硅；粗硅与氯化氢在高温条件下反应生成三氯硅烷和氢气，得到粗三氯硅烷；粗三氯硅烷精馏提纯后，再与氢气在高温条件下反应生成氯化氢和硅，从而得到纯硅。在该过程中，氢气和氯化氢均可循环使用。
(1)硅元素的原子序数为14，位于元素周期表第三周期、第ⅣA族。二氧化硅是能与碱反应生成盐和水的酸性氧化物。
(4)实验室中盛装氢氧化钠溶液的试剂瓶不宜使用玻璃塞，是因为玻璃中的二氧化硅会与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和水，硅酸钠具有黏性，易使瓶塞与试剂瓶黏结。反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

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