第三節(jié)無機非金屬材料基礎課時7無機非金屬材料學習目標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,認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料。2.結(jié)合真實情境中的應用實例,了解硅酸鹽、硅、二氧化硅的主要性質(zhì)。一、硅酸鹽材料(一)知識梳理1.無機非金屬材料傳統(tǒng)的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料,含、等元素,具有、

、等特點,以及特殊的、等性能。

2.傳統(tǒng)無機非金屬材料——硅酸鹽材料陶瓷普通玻璃普通水泥原料純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)主要原料:;

輔助原料:適量的石膏設備陶瓷窯主要成分含水的鋁硅酸鹽硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)用途建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等建筑材料、光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維等大量用于建筑和水利工程(二)互動探究普通玻璃以純堿、石灰石和石英砂為原料,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。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。【問題討論】問題你能寫出制備玻璃過程中發(fā)生反應的化學方程式嗎?根據(jù)這些反應能否說明硅酸的酸性比碳酸強?

【探究歸納】(1)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)在硅酸鹽中,Si和O構(gòu)成了硅氧四面體結(jié)構(gòu),Si在中心,O在四面體的4個頂角,許多這樣的四面體通過頂角的O相互連接,即每個Si結(jié)合4個O,每個O結(jié)合2個Si。(2)硅酸鹽的特性硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性,決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。(3)玻璃、水泥、陶瓷等均為混合物。生產(chǎn)水泥與陶瓷的共同原料是黏土,生產(chǎn)水泥與玻璃的共同原料是石灰石。1.我國古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸鹽的是()A.陶俑 B.琉璃瓦C.漢白玉 D.青花瓷2.陶瓷是火與土的結(jié)晶,是中華文明的象征之一,其形成、性質(zhì)與化學有著密切的關系。下列說法錯誤的是()A.“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色,來自氧化鐵B.聞名世界的秦兵馬俑是陶制品,由黏土經(jīng)高溫燒結(jié)而成C.陶瓷是應用較早的人造材料,主要化學成分是硅酸鹽D.陶瓷化學性質(zhì)穩(wěn)定,具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點3.“九秋風露越窯開,奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句,描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品,下列有關說法中正確的是()A.玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品B.制水泥的原料為純堿、石灰石和石英砂C.硅酸鹽制品的性質(zhì)穩(wěn)定、熔點較高D.沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽二、新型無機非金屬材料(一)知識梳理1.硅和二氧化硅(1)硅元素的存在與結(jié)構(gòu)存在原子結(jié)構(gòu)示意圖周期表中位置含量存在形態(tài)地殼中居第二位(2)高純硅的制備其中涉及的主要化學反應為①、

②、

③。

(3)硅和二氧化硅的用途硅材料→硅芯片、硅太陽能電池

二氧化硅纖維

2.新型陶瓷新型材料成分性能主要應用

硬度、耐、抗氧化

磨料、耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導體材料高溫結(jié)構(gòu)陶瓷碳化硅、氮化硅、金屬氧化物耐、抗氧化、耐磨蝕

用于火箭發(fā)動機、汽車發(fā)動機和高溫電極材料等壓電陶瓷鈦酸鹽、鋯酸鹽等能實現(xiàn)能和能的相互轉(zhuǎn)化

用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等透明陶瓷氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷;氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷具有優(yōu)異的光學性能、耐高溫、好

用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等超導陶瓷—臨界溫度下具有超導性用于電力、交通、醫(yī)療等領域3.碳納米材料結(jié)構(gòu)特點應用富勒烯由構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱

代表物,開啟了碳納米材料研究和應用的新時代

碳納米管由卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑

用于生產(chǎn)、

電池和傳感器石墨烯只有一個碳原子直徑厚度的石墨

應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料(二)問題探究問題1SiO2既能與NaOH溶液反應,也能與氫氟酸反應,能認為SiO2屬于兩性氧化物嗎?

問題2能否用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸?若不能,寫出化學方程式,簡述理由。

問題3為什么盛NaOH或Na2CO3等呈堿性溶液的試劑瓶一般使用玻璃瓶、橡膠塞?

問題4CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能與水反應生成相應的酸?那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)?

【探究歸納】硅及其化合物性質(zhì)的“九大特殊點”(1)碳族元素的主要化合價一般是+2、+4價,而硅常見的是+4價。(2)硅的還原性比碳強,而碳在高溫下卻能從SiO2中還原出硅。(3)非金屬單質(zhì)與強堿反應一般不生成氫氣,而硅卻能與強堿溶液反應產(chǎn)生氫氣,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。(4)非金屬單質(zhì)一般不與非氧化性酸反應,而硅不但能與氫氟酸反應,而且還有H2生成(類似于較活潑金屬與酸的置換反應),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接將它與水作用制備H2SiO3。(6)非金屬氧化物的熔、沸點一般較低,但SiO2的熔、沸點卻很高。(7)酸性氧化物一般不與酸作用,但SiO2卻能與氫氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。(8)無機酸一般易溶于水,而H2SiO3卻難溶于水。(9)因H2CO3的酸性強于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能發(fā)生下列反應:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高溫下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能發(fā)生。1.材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。下列說法正確的是()A.二氧化硅廣泛用于制備芯片和太陽能電池B.石墨烯、碳化硅陶瓷等屬于新型無機非金屬材料C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸鹽材料D.現(xiàn)代信息社會用于傳遞信號的光纖的主要成分為硅2.據(jù)報道我國科學家最近研制出一種新型“連續(xù)纖維增韌”航空材料,其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纖維復合而成。下列相關敘述錯誤的是()A.它耐高溫、抗氧化B.它比鋼鐵輕,但質(zhì)地較脆C.它沒有固定熔點D.它是一種新型無機非金屬材料3.單晶硅是制作電子集成電路的基礎材料,科學家預計一個電腦芯片上將會集成10億個晶體管,其功能遠比我們想象的要大得多,這對硅的純度要求很高。下列有關硅及其化合物的說法正確的是()A.在粗硅的制取中發(fā)生反應:2C+SiO22CO↑+Si,Si被還原,所以C的還原性大于SiB.Na2SiO3屬于鹽,不屬于堿,所以Na2SiO3溶液可以保存在帶磨口玻璃塞的試劑瓶中C.用SiO2制取硅酸,應先使SiO2與NaOH溶液反應,然后通入CO2D.由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3基礎課時7無機非金屬材料一、(一)1.硅氧耐高溫抗腐蝕硬度高光學電學2.黏土石灰石、黏土玻璃窯水泥回轉(zhuǎn)窯(二)問題Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3、CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。不能,反應是熔融態(tài)反應,二氧化碳氣體從反應體系逸出,有利于反應進行。硅酸酸性比碳酸弱。對點訓練1.C[漢白玉主要成分是碳酸鈣,陶、瓷、磚、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸鹽。]2.A[“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色與氧化亞鐵有關,而氧化鐵顯紅色,A錯誤;陶瓷以黏土為原料,經(jīng)高溫燒制而成,屬于人造材料,主要成分是硅酸鹽,C正確;陶瓷的主要成分是硅酸鹽,硅酸鹽中硅元素處于最高價態(tài),化學性質(zhì)穩(wěn)定,具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點,D正確。]3.C[A項,陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品;B項,純堿、石灰石和石英砂是制玻璃的原料,而制水泥的原料是黏土和石灰石;C項,硅酸鹽制品性質(zhì)穩(wěn)定、熔點高;D項,沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸鹽。]二、(一)1.(1)氧化物和硅酸鹽第三周期、第ⅣA族(2)①SiO2+2CSi+2CO↑②Si+3HClSiHCl3+H2③SiHCl3+H2Si+3HCl(3)半導體光導2.碳化硅(SiC)大高溫高溫機械電絕緣性3.碳原子C60石墨片層復合材料單層(二)問題1SiO2不屬于兩性氧化物。兩性氧化物指既能與酸反應生成鹽和水,又能與堿反應生成鹽和水的氧化物。SiO2能與氫氟酸反應,但并不生成鹽和水。問題2不能,玻璃中含有二氧化硅,能被氫氟酸腐蝕,發(fā)生反應的化學方程式為SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。問題3試劑瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易與氫氧化鈉溶液反應生成硅酸鈉溶液,從而使瓶塞與瓶壁黏合在一起而難以打開,所以盛NaOH溶液的試劑瓶一般是玻璃瓶、橡膠塞。問題4CO2可以,SiO2不能,因為二氧化硅不溶于水。由二氧化硅制取硅酸應先與堿(如NaOH溶液)反應生成硅酸鹽,再與酸(如鹽酸)反應生成硅酸。即SiO2Na2SiO3H2SiO3。化學方程式為SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O,Na2SiO3+H2O+CO2Na2CO3+H2SiO3↓。對點訓練1.B[A項,二氧化硅能夠使光線發(fā)生全反射,因此廣泛用于制備光導纖維;晶體硅是良好半導體材料,可用于制太陽能電池及晶體管等半導體零件;B項,石墨烯是非金屬單質(zhì),具有良好的導電性;石墨烯、碳化硅陶瓷等屬于新型無機非金屬材料;C項,水晶是SiO2,屬于氧化物,并不是硅酸鹽,因此不屬于硅酸鹽材料;D項,現(xiàn)代信息社會用于傳遞信號的光纖的主要成分為二氧化硅。]2.B[由題目信息中“連續(xù)纖維增韌”可知,該航空材料的韌性很好,質(zhì)地并不是很脆,B錯誤。]3.C[Si與C同主族,Si的還原性