第三節(jié)無機非金屬材料課程標準核心素養(yǎng)1.結(jié)合實例認識無機非金屬材料的組成、性能與應用之間的聯(lián)系。2.結(jié)合真實情景中的應用實例，了解硅酸鹽、硅、二氧化硅的主要性質(zhì)。1.宏觀辨識與微觀探析：能說明硅酸鹽、硅、二氧化硅的性質(zhì)與應用之間的關(guān)系。2.科學態(tài)度與社會責任：能說明化學科學發(fā)展在自然資源利用、材料合成、促進科學技術(shù)發(fā)展等方面的重要作用。1．硅酸鹽材料(1)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)、特點結(jié)構(gòu)特點硅氧四面體硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等(2)硅酸鹽材料原料制備過程生產(chǎn)應用陶瓷黏土原料經(jīng)高溫燒結(jié)而成建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等玻璃純堿、石灰石和石英砂原料經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復雜的物理和化學變化而制得建筑材料、光學儀器、各種器皿、玻璃纖維等水泥黏土、石灰石原料與其他輔料經(jīng)混合、研磨后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，發(fā)生復雜的物理和化學變化，加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥硬化速率，再磨成細粉即得制作混凝土，用于建筑和水利工程2.新型無機非金屬材料(1)硅和二氧化硅①主要應用硅半導體材料→硅芯片、硅太陽能電池二氧化硅光導纖維②高純硅的制備涉及的主要化學反應為(a)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑(b)Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2(c)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl(2)新型陶瓷——碳化硅(SiC)俗稱結(jié)構(gòu)特點主要性能生產(chǎn)應用金剛砂碳原子、硅原子以共價鍵連接，結(jié)構(gòu)類似金剛石硬度很大、高溫抗氧化性能優(yōu)異砂紙和砂輪的磨料、耐高溫結(jié)構(gòu)材料和耐高溫半導體材料(3)碳納米材料①富勒烯：由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱，其代表物為C60。②碳納米管：由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大，有相當高的強度和優(yōu)良的化學性能，可用于生產(chǎn)復合材料、電池和傳感器等。③石墨烯：只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，其電阻率低、熱導率高，具有很高的強度。硅和二氧化硅的化學性質(zhì)1．硅的化學性質(zhì)(1)在常溫下不活潑，但能與氫氟酸反應：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。(2)加熱條件下能與O2、Cl2等反應：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2；Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4。2．二氧化硅的化學性質(zhì)(1)二氧化硅是一種酸性氧化物SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2OSiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3(2)二氧化硅能與氫氟酸反應SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O1．硅被譽為無機非金屬材料的主角。下列產(chǎn)品的主要成分不是硅酸鹽的是()A．光導纖維 B．玻璃C．水泥 D．陶瓷餐具解析：選A。傳統(tǒng)的硅酸鹽材料有水泥、玻璃和陶瓷，其主要成分都是硅酸鹽。光導纖維的化學成分是SiO2，屬于氧化物，不是硅酸鹽，所以選A。2．華裔科學家高錕因“在光學通信領(lǐng)域中光在光導纖維中傳輸?shù)难芯糠矫嫠〉玫拈_創(chuàng)性成就”獲得了諾貝爾物理學獎。光導纖維的主要成分是()A．Si B．SiO2C．CaSiO3 D．SiCl4解析：選B。光導纖維的主要成分為SiO2。3．單晶硅是制作電子集成電路的基礎(chǔ)材料，其功能遠比我們想象的要大得多，這對硅的純度要求很高。用化學方法可制得高純度硅，其化學方程式為①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑②Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高溫))SiCl4③SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋4HCl下列對上述三個反應的敘述中，錯誤的是()A．①③為置換反應B．②為化合反應C．①②③均為氧化還原反應D．三個反應的反應物中硅元素均被還原解析：選D。①③中硅元素被還原，②中硅元素被氧化，D錯誤。4．20世紀80年代后，人們發(fā)現(xiàn)和證實碳的另一類單質(zhì)，它們是由一系列偶數(shù)個碳原子組成的分子，其中C60(足球烯，分子中含有30個雙鍵)最具代表性。下圖所示為n個C60連接而成的物質(zhì)X。下列有關(guān)說法不正確的是()A．X難溶于水B．X的熔點比金剛石高C．X是碳的一種同素異形體D．X的相對分子質(zhì)量為720n解析：選B。X的熔點比金剛石低。課堂小結(jié)合格考訓練1．硅在無機非金屬材料中一直扮演著重要角色，被譽為無機非金屬材料的主角。下列物品的制造用到硅單質(zhì)的是()A．玻璃制品 B．石英鐘表C．計算機芯片 D．光導纖維解析：選C。玻璃制品的制造用到硅酸鹽；石英鐘表、光導纖維的制造用到二氧化硅；計算機芯片的制造用到硅單質(zhì)。2．下列有關(guān)水泥的說法不正確的是()A．制造水泥的主要原料是石灰石、純堿和黏土B．普通水泥的主要成分是鈣的硅酸鹽和鋁酸鹽C．水泥具有水硬性D．混凝土指水泥、沙子和碎石的混合物解析：選A。A項，制造水泥的原料中沒有純堿，錯誤。B項，普通水泥的主要成分是硅酸二鈣、硅酸三鈣和鋁酸三鈣等，正確。D項，混凝土的成分是水泥、沙子和碎石，正確。3．當航天飛機返回地球大氣層時，由于與空氣的劇烈摩擦，飛機尖端的溫度可達1000℃以上，為了防止高溫將其燒毀，科學家給航天飛機的相應部位安裝了可靠的保護層。制作保護層的材料是()A．塑料 B．玻璃C．新型陶瓷 D．鎂鋁合金解析：選C。制作保護層的材料應該具有硬度很大、具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，只有C項符合要求。4．我國科學家合成的3nm長的管狀碳納米管，長度居世界之首。這種碳纖維具有強度高、剛度(抵抗變形的能力)高、密度小(只有鋼的1/4)、熔點高，化學穩(wěn)定性好的特點，因此被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法中不正確的是()A．它是制造飛機的理想材料B．它的主要組成元素是碳元素C．它的結(jié)構(gòu)與石墨相似D．碳纖維復合材料耐高溫解析：選C。石墨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是層狀的，碳納米管是管狀的。5．硅單質(zhì)及其化合物應用范圍很廣。請回答下列問題：(1)制備硅半導體材料必須先得到高純硅。三氯硅烷(SiHCl3)還原法是當前制備高純硅的主要方法，生產(chǎn)過程示意圖如下：①寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學方程式：________________________________________________________________________________________________________。②整個制備過程必須嚴格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，寫出配平的化學方程式：_________________________________________；H2還原SiHCl3過程中若混入O2，可能引起的后果是_____________________________。(2)下列有關(guān)硅材料的說法正確的是________(填字母)。A．碳化硅化學性質(zhì)穩(wěn)定，可用于生產(chǎn)耐高溫水泥B．氮化硅硬度大、熔點高，可用于制作高溫陶瓷和軸承C．高純度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光導纖維D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點很高E．鹽酸可以與硅反應，故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅解析：(1)①根據(jù)給定的反應物和生成物寫出化學方程式，注意反應條件和配平。②寫出反應物和給出的生成物H2SiO3和HCl，用原子守恒法找出另一種生成物為H2，并配平。(2)A項中水泥是硅酸鹽材料；B、C項根據(jù)硅的化合物的用途可知，兩項說法都正確；D項中玻璃是混合物，沒有固定的熔點；E項中鹽酸和硅不反應。答案：(1)①SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl②SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑氧氣與氫氣混合，可能引起爆炸；氧氣可能會氧化SiHCl3(2)BC等級性測試1．根據(jù)陶瓷的生產(chǎn)原理，可以得出硅酸鹽工業(yè)的一般特點是()①以含硅物質(zhì)作為原料②主要產(chǎn)物是硅酸鹽③反應條件是高溫④反應原理是復雜的物理變化和化學變化A．只有①③ B．只有②③C．①②③④ D．只有③④解析：選C。傳統(tǒng)陶瓷多是將黏土與水的混合物通過高溫燒結(jié)制成。其生產(chǎn)過程中發(fā)生復雜的化學變化和物理變化。故①②③④均正確。2．硅及其化合物在材料領(lǐng)域中應用廣泛。下列敘述中正確的是()A．汽車中小擺件“蘋果花”的動力是以Si為原料制作的太陽能電池B．晶體硅主要用途是制造光導纖維C．硅是地殼中含量最多的元素D．硅的化學性質(zhì)很穩(wěn)定，因此硅在自然界中以游離態(tài)形式存在解析：選A。晶體硅是良好的半導體材料，主要用途是制作太陽能電池、集成電路，A正確，B錯誤；氧是地殼中含量最多的元素，C錯誤；硅是親氧元素，在自然界中只以化合態(tài)形式存在，D錯誤。3．下列敘述中，正確的是()A．自然界中存在大量的單質(zhì)硅B．水晶、瑪瑙的主要成分都是二氧化硅C．二氧化硅的化學性質(zhì)活潑，能跟酸或堿溶液發(fā)生化學反應D．自然界中硅元素都存在于石英中解析：選B。自然界中硅元素含量很高，但都以化合態(tài)形式存在，A項錯誤；二氧化硅的化學性質(zhì)較穩(wěn)定，其為酸性氧化物，可以和堿溶液反應，除與HF反應外，不與其他酸反應，C項錯誤；硅元素是親氧元素，主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在，D項錯誤。4．下列說法正確的是()A．硅材料廣泛應用于光纖通信B．工藝師利用鹽酸刻蝕石英制作藝術(shù)品C．水晶項鏈和餐桌上的瓷盤都是硅酸鹽制品D．粗硅制備單晶硅不涉及氧化還原反應解析：選A。A項，光導纖維的主要原料是SiO2；B項，石英SiO2不能和鹽酸反應，但能與氫氟酸反應；C項，瓷盤是硅酸鹽制品，水晶的成分是SiO2，不是硅酸鹽制品；D項，粗硅制單晶硅的反應為Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl，二者均是氧化還原反應。5．中國的瓷器馳名世界，傳統(tǒng)陶瓷是以黏土等天然硅酸鹽為主要原料燒成的制品。下列有關(guān)說法不正確的是()A．黏土也是制備玻璃的原料之一B．傳統(tǒng)的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料C．陶瓷材料是人類應用最早的硅酸鹽材料D．瓷器耐酸堿腐蝕，可用作日用器皿、裝飾用品等解析：選A。制備玻璃的原料為石灰石、純堿、石英砂。6．硅是構(gòu)成無機非金屬材料的一種主要元素，下列有關(guān)硅的化合物的敘述錯誤的是()A．氮化硅陶瓷是一種新型無機非金屬材料，其化學式為Si3N4B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔點高，可用于制作高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和軸承C．光導纖維是一種新型無機非金屬材料，其主要成分為SiO2D．硅酸鹽中硅、氧原子之間以離子鍵結(jié)合解析：選D。硅酸鹽中硅、氧原子之間以共價鍵結(jié)合。7．開發(fā)新材料是現(xiàn)代科技發(fā)展的方向之一。下列有關(guān)材料的說法正確的是()A．石墨烯是新型無機非金屬材料B．納米材料屬于膠體C．硅酸鹽材料只含有非金屬元素D．二氧化硅常用作光電轉(zhuǎn)換材料解析：選A。納米材料分散到分散劑中，才能形成膠體，B項不正確；硅酸鹽材料不一定只含有非金屬元素，可能含Ca、Al等金屬元素，C項不正確；硅常用作光電轉(zhuǎn)換材料，D項不正確。8．下列關(guān)于無機非金屬材料的說法不正確的是()A．傳統(tǒng)無機非金屬材料指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料B．新型無機非金屬材料克服了傳統(tǒng)無機非金屬材料的缺點，具有極大的強度C．高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有耐高溫、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損、密度小等優(yōu)點D．傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽解析：選D。新型無機非金屬材料的主要成分并不是硅酸鹽，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等，故D項錯誤。9．晶體硅是一種重要的非金屬材料，制備純硅的主要步驟如下：①高溫下用過量的碳還原二氧化硅制得粗硅，同時得到一種可燃性氣體；②粗硅與干燥的HCl氣體反應制得SiHCl3(Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2)；③SiHCl3與過量的H2在1100℃的溫度下反應制得純硅，已知SiHCl3能與水劇烈反應，在空氣中易自燃。(1)第一步制取粗硅反應的化學方程式為______________________________________________________________________________________________________________。(2)粗硅與HCl氣體反應完全后，經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點33.0℃)中含有少量SiCl4(沸點57.6℃)和HCl(沸點－84.7℃)，提純SiHCl3采用的方法為__________________________。(3)實驗室用SiHCl3與過量的H2反應制取純硅裝置如圖所示(加熱和夾持裝置略去)：①裝置B中的試劑是________，裝置C中的燒杯需要加熱，目的是____________________。②反應一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是________________________________，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是__________________________________，裝置D中發(fā)生反應的化學方程式是____________________________________________________。③為保證制備純硅實驗的成功，操作的關(guān)鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度以及______________________________________。解析：(3)①因SiHCl3能與水劇烈反應，故裝置A中產(chǎn)生的H2必須干燥，因此裝置B中的試劑為濃H2SO4，且裝置C中的燒杯需加熱，其目的是使SiHCl3汽化，加快其與H2的反應速率。②石英管中產(chǎn)生的物質(zhì)應為硅，故裝置D中有固體產(chǎn)生；由題給信息可知，制純硅的反應條件為1100℃，此溫度下普通玻璃管容易軟化。③因高溫下H2與O2反應容易爆炸，故還應排盡裝置中的空氣。答案：(1)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑(2)分餾(或蒸餾)(3)①濃硫酸使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化②有固體物質(zhì)生成在題給反應溫度下(1100℃)，普通玻璃管會軟化SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl③排盡裝置中的空氣10．硅在地殼中的含量較高。硅及其化合物的開發(fā)由來已久，在現(xiàn)代生活中有廣泛應用。(1)1810年瑞典化學家貝采利烏斯在加熱石英砂、木炭和鐵時，得到一種“金屬”。這種“金屬”可能是________。(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸鹽材料。其中，生產(chǎn)普通玻璃的主要原料有________________。(3)高純硅是現(xiàn)代信息、半導體和光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)都需要的基礎(chǔ)材料。工業(yè)上提純硅有多種技術(shù)路線，其中一種工藝流程示意圖及主要反應如下：發(fā)生的主要反應電弧爐SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(18