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第三节　无机非金属材料
素养 目标定位
目标素养
1.能基于材料组成认识常见传统无机非金属材料的生产原料和广泛应用
2.能基于硅酸盐的结构特点认识传统无机非金属材料的性能
3.能基于单质硅和二氧化硅的结构与性能特点认识其重要应用,进而认识新型无机非金属材料的广泛应用
4.了解工业制备高纯硅的原理,掌握二氧化硅的重要化学性质
知识概览
课前 基础认知
一、硅酸盐的结构、性质、用途
1.结构:在硅酸盐中,硅原子和氧原子构成了硅氧 四面体 。如图所示,四面体通过顶角的氧原子彼此相连,每个氧原子为两 个四面体所共有。
2.性质:结构决定性质。硅酸盐的特殊结构决定了多数硅酸盐具有硬度 高 、熔点 高 、难 溶于水、化学性质 稳定 、耐 腐蚀等特点。
3.用途:性质决定用途。硅酸盐的性质决定了硅酸盐作为一类优良的材料得到广泛应用。作为传统无机非金属材料主角的三大硅酸盐材料: 水泥 、玻璃 、陶瓷 。
二、三种硅酸盐材料的对比
微训练下列物质中,不含有硅酸盐的是(　　)。
A.玻璃 B.硅芯片
C.黏土 D.普通水泥
答案:B
解析:玻璃是常见的硅酸盐产品,普通水泥主要原料之一为黏土,黏土中含有硅酸盐,而硅芯片中不含硅酸盐,其含硅单质,硅是良好的半导体材料。
三、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅。
(1)存在:硅在地壳中的含量居第二位。硅的原子序数是14,原子结构示意图是_______________,位于元素周期表第 三周期第 ⅣA 族;硅单质的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最广泛的　半导体　材料。
硅在自然界主要以　硅酸盐　和SiO2的形式存在。
(2)主要应用。
(3)高纯硅的制备。
微判断(1)硅元素在自然界中既有化合态,又有游离态。
(　　)
(2)石英、水晶、玛瑙、光导纤维、砂子的主要成分都是SiO2。(　　)
×
√
2.新型陶瓷——碳化硅(SiC)。
3.碳纳米材料。
(1)富勒烯:由　碳原子　构成的一系列笼形分子的总称,其代表物为C60。
(2)碳纳米管:可看成由 石墨 片层卷成的管状物。碳纳米管的比表面积大,强度高,电学性能优良,可用于生产复合材料、电池和传感器等。
(3)石墨烯:只有　一个碳原子　直径厚度的单层石墨,其电阻率低、热导率高,具有很高的强度。
课堂 重难突破
一 硅酸盐和传统无机非金属材料
问题探究
据文史记载,古埃及和美索不达米亚的遗址里,都曾出土过小玻璃珠。有人发现在火焰的作用下,矿物“天然苏打”与沙滩上的石英砂发生化学反应产生的晶体,其实就是最早的玻璃。
(1)写出苏打和石英砂发生反应的化学方程式。
提示:Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑。
(2)上述反应能否说明硅酸的酸性比碳酸强
提示:不能。“强酸制弱酸”一般用于水溶液中的反应。该反应由SiO2生成CO2是在高温下进行的,不是在水溶液中进行的。反应能发生是因为产物CO2是气态,能脱离反应体系,使反应向生成Na2SiO3的方向进行。
(3)现在生产的普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅,其物质的量之比约为1∶1∶4。你能用氧化物的形式表示普通玻璃的组成吗
提示:Na2O·CaO·6SiO2。
重难归纳
1.传统无机非金属材料。
(1)关于玻璃成分与性质的易错问题。
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。
③氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛放。可用氢氟酸雕刻玻璃花纹,4HF+SiO2═SiF4↑+2H2O。
(2)关于水泥的易错问题。
①水泥具有吸水性,在空气中吸水发生复杂的物理、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水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放出CO2。
2.硅酸盐。
(1)性质。
①多数硅酸盐难溶于水,常见易溶于水的硅酸盐有Na2SiO3、K2SiO3等。
②一般硅酸盐硬度高,耐高温,难分解。
③硅酸酸性弱,且难溶于水,所以可溶性硅酸盐能与酸反应。
(2)硅酸钠。
①物理性质:可溶于水,水溶液俗称“水玻璃”,黏结力强,耐高温,可用作黏合剂和防火剂。
②化学性质:能与酸反应。
Na2SiO3+2HCl═2NaCl+H2SiO3↓。
Na2SiO3+CO2+H2O═Na2CO3+H2SiO3↓。
特别提醒
实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞是因为玻璃中含有二氧化硅,二氧化硅会与碱溶液反应生成有黏性的硅酸钠,将瓶口和瓶塞黏在一起。盛碱液的试剂瓶一般用橡胶塞。
典型例题
【例1】研究发现青花瓷瓶身上的图案所用颜料的成分大多为硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2O6)。下列说法不正确的是(　　)。
A.硅酸铜钡是一种硅酸盐
B.硅酸铜钡性质稳定,不易脱色
C.水晶、玛瑙的主要成分也是硅酸盐
D.制造陶瓷的原料也可用于制造水泥
答案:C
解析:硅酸铜钡属于硅酸盐,A项正确;难溶于水的BaCuSi2O6中铜元素的化合价为+2价,Cu2+不易被还原,所以性质稳定,不容易褪色,B项正确;水晶、玛瑙的主要成分是二氧化硅,属于氧化物,不属于硅酸盐,C项错误;制造水泥的原料为黏土和石灰石,制造陶瓷的原料为黏土,因此制造陶瓷的原料也可用于制造水泥,D项正确。
【例1】世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋、混凝土、7000多块铝板和1 200多块玻璃等建成。
(1)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是　　　　　。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。由化学方程式　　　　(填“能”或“不能”)判断出酸性H2SiO3>H2CO3。
(2)用作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠是一种最简单的硅酸盐。
①硅酸钠在空气中易与二氧化碳和水反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,写出其离子方程式: 　　　　　　　　　　。由此得出酸性:H2SiO3　　　　　(填“>”或“<”)H2CO3。
②写出硅酸钠和盐酸反应的离子方程式: 　　　　　。
(3)博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑),婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法正确的是　　　　　(填字母)。
A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B.高岭土为含水的铝硅酸盐
C.n=3
D.我国在新石器时代已能烧制陶器
二 晶体硅的制备
问题探究
云南(如昭通、保山等地)拥有优质的石英矿资源,为工业硅生产提供了原料保障。云南硅产业正从传统高耗能模式向绿色化、精细化方向转型。
(1)工业上生产粗硅的反应涉及SiO2+2C Si(粗)+2CO↑;SiO2+3C SiC+2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为　　　　　　。
5∶2
(2)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
①若反应Ⅰ为Si(粗)+3HCl SiHCl3+H2,则反应Ⅱ的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　 　。
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: 　　　　　　　　　　　　　　　　。
SiHCl3+3H2O══H2SiO3↓+3HCl+H2↑
重难归纳
1.工业制备晶体硅的流程示意图。
典型例题
【例3】晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:
①高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅,同时得到一种可燃性气体;
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si+3HCl SiHCl3+H2);
③SiHCl3与过量的H2在1 100 ℃的温度下反应制得纯硅,已知SiHCl3能与水剧烈反应,在空气中易自燃。
(1)第一步制取粗硅反应的化学方程式为　　　　　。
(2)粗硅与HCl气体反应完全后,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)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去):
①装置B中的试剂是　　　　,装置C中的烧杯需要加热,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是 　　　　　　　　　。
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)SiO2+2C Si+2CO↑
(2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体物质生成　在题给反应温度下(1 100 ℃),普通玻璃管会软化　SiHCl3+H2 Si+3HCl
③排尽装置中的空气
解析:(3)①因SiHCl3能与水剧烈反应,故装置A中产生的H2必须干燥,因此装置B中的试剂为浓硫酸,且装置C中的烧杯需加热,其目的是使SiHCl3汽化,加快其与H2的反应速率。②石英管中产生的物质应为硅,故装置D中有固体产生;由题给信息可知,制纯硅的反应条件为1 100 ℃,此温度下普通玻璃管容易软化。③因高温下H2与O2反应容易爆炸,故还应排尽装置中的空气。
成果验收站
1.制取下列物质不需要用石灰石作原料的是(　　)。
A.硅酸 B.水泥
C.玻璃 D.生石灰
答案:A
解析:硅酸由可溶性硅酸盐与酸反应制得。
2.下列说法错误的是(　　)。
A.二氧化硅是光导纤维的主要原料
B.硅是信息技术的关键材料
C.陶瓷餐具所用材料为硅酸盐
D.水晶镜片所用原料为硅酸盐
答案:D
解析:水晶、光导纤维主要成分为SiO2。Si用于信息产业及太阳能电池。传统硅酸盐材料是陶瓷、水泥、玻璃。
3.下列物质中,属于新型无机非金属材料的是(　　)。
A.有色玻璃 B.碳化硅陶瓷
C.石英玻璃 D.钢化玻璃
答案:B
解析:有色玻璃、钢化玻璃的主要成分与普通玻璃相同,属于传统无机非金属材料;石英玻璃的主要成分是二氧化硅,也属于传统无机非金属材料。
4.下列说法正确的是(　　)。
A.可以用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
C.SiO2既能和NaOH溶液反应,又能和氢氟酸反应,所以是两性氧化物
D.Si和SiO2都用于制造光导纤维
答案:A
解析:HF与SiO2反应,SiO2+4HF══SiF4↑+2H2O,故可以用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记,A项正确。SiO2能溶于HF,难溶于盐酸,SiO2 SiCl4的转化过程不能实现,B项错误。HF与SiO2反应体现的是SiO2的特性,SiO2与其他的酸不反应,不是两性氧化物,C项错误。硅单质是良好的半导体材料,用于制造芯片,而SiO2常用于制造光导纤维,D项错误。
5.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,其功能远比我们想象的要大得多,这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅,其化学方程式为:
下列对上述三个反应的叙述中,错误的是(　　)。
A.①③为置换反应
B.②为化合反应
C.①②③均为氧化还原反应
D.三个反应的反应物中硅元素均被还原
答案:D
解析:①③中硅元素被还原,②中硅元素被氧化,D项错误。
6.露置于空气中一段时间后的水玻璃会变浑浊。向此浑浊液体中加入稀盐酸,会生成白色胶状沉淀,同时伴随有气泡产生。用化学方程式解释产生上述现象的原因。
(1)溶液变浑浊:________________________________。
(2)生成白色沉淀:____________________________。
(3)产生气泡:____________________________。
答案:(1)Na2SiO3+CO2+H2O══H2SiO3↓+Na2CO3
(2)Na2SiO3+2HCl══H2SiO3↓+2NaCl
(3)Na2CO3+2HCl══2NaCl+CO2↑+H2O

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