1、高 中 同 步 学 案 优 化高 中 同 步 学 案 优 化 设 计设 计GAO ZHONG TONG BU XUE AN YOU HGAO ZHONG TONG BU XUE AN YOU HU UA SHE JIA SHE JI第三节无机非金属材料第三节无机非金属材料第五章第五章2022内容索引课前篇课前篇 素养初探素养初探课堂篇课堂篇 素养提升素养提升素养目标1.结合生产、生活中各种常见的无机非金属材料的应用,了解多种硅酸盐材料、新型无机非金属材料的性能和用途,发展科学态度与社会责任的学科核心素养。2.掌握晶体硅的制备原理,发展变化观念的学科核心素养。课前篇课前篇 素养初探素养初探【自主
2、梳理】【自主梳理】一、硅酸盐材料1.无机非金属材料(1)组成元素:含硅、氧等元素。(2)性能:一般具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点,以及特殊的光学、电学等性能。(3)应用:广泛应用于航空、航天、信息和新能源等领域。2.传统无机非金属材料(多为硅酸盐材料)(1)硅酸盐的结构与性能硅酸盐的结构:在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体,如下图所示。硅氧四面体的结构示意图硅酸盐材料的性质:多数具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。(2)三种常见硅酸盐产品 硅酸盐产品原料主要设备或生产条件 应用陶瓷黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)高温烧结用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等玻璃(主要成分
3、为Na2SiO3 、CaSiO3 和SiO2 )纯碱、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2)在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制得用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等水泥黏土、石灰石、石膏(调节水泥的硬化速率)在水泥回转窑中煅烧水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程【微思考】生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应?试写出反应的化学方程式。二、新型无机非金属材料1.硅和二氧化硅(1)单质硅的性质硅单质的导电性介于导体
4、和绝缘体之间,是应用最为广泛的半导体材料。(2)自然界中的硅元素主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。(3)晶体硅的制备 工业制备高纯硅的原理示意图 其中涉及的主要化学反应为: (4)硅和二氧化硅的用途晶体硅:制芯片、硅太阳能电池等。二氧化硅晶体:生产光导纤维等。2.新型陶瓷(1)碳化硅(SiC,俗称金刚砂) 硬度很大、耐高温结构:碳原子和硅原子通过共价键连接,具有类似金刚石的结构。性质和用途性质用途硬度很大用作砂纸和砂轮的磨料高温抗氧化用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等(2)几种新型陶瓷 名称原料或成分优良性能用途高温结构陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金
5、属氧化物等在高温下烧结而成耐高温、抗氧化、耐腐蚀等可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷主要有钛酸盐和锆酸盐等能实现机械能与电能的相互转化可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等名称原料或成分优良性能用途透明陶瓷主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等超导陶瓷 在某一临界温度下电阻为零,具有超导性可用于电力、交通、医疗等领域3.碳纳米材料 碳纳米材料名称组成性能应用或用途富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,其中C60是富勒烯的代表物C60的发现为纳米科学提供了重要的研究
6、对象,开启了碳纳米材料的研究和应用的新时代,如用C60作车轮的“纳米汽车”碳纳米材料名称组成性能应用或用途碳纳米管可看成由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径碳纳米管的比表面积大,有相当高的强度和优良的电学性能可用于生产复合材料、电池和传感器等石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高,具有很高的强度可用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面,如使用石墨烯材料制成的动力电池和超轻海绵等【自我检测】【自我检测】1.正误判断(正确的打“”,错误的打“”)(1)硅元素在自然界中既有化合态,又有游离态。()(2)硅酸盐中,Si与其周围距离最近的4个O构成正四面体结构。()(3
7、)利用石英坩埚可熔融NaOH固体。()(4)富勒烯、碳纳米管和石墨烯都是碳单质。()(5)硅是制备光导纤维和光电池的材料。()(6)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。() 2.硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中,硅一直扮演着主角。下面几种物质中含有硅单质的是()A.水晶镜片B.玛瑙手镯C.硅太阳能电池D.石英光导纤维答案 C解析 水晶、玛瑙、石英的主要成分都是SiO2,硅太阳能电池中使用硅单质。3.(2021湖南常德高一期末)我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世,填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是()A.晶体
8、硅的结构与金刚石类似B.晶体硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质发生反应C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但是它提炼工艺复杂,价格昂贵D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料,可以导电答案 A解析 常温下,晶体硅可与NaOH溶液、氢氟酸发生反应,B错误;可利用焦炭还原SiO2制得粗硅,再提纯得到高纯硅,工艺并不复杂,C错误;晶体硅是半导体材料,不是金属材料,D错误。课堂篇课堂篇 素养提升素养提升任务一任务一晶体硅的制备晶体硅的制备【问题探究】【问题探究】中国5G芯片崛起,技术再获新突破,成为全球5G市场巨头。(1)光导纤维的主要成分是什么?利用光导纤维传输信号是利用了其导电性吗?5G芯片的主
9、要成分是什么?提示 光导纤维的主要成分是SiO2;SiO2不具有导电性,利用光导纤维传输信号是利用了其对光的全反射现象;5G芯片的主要成分是高纯硅。(2)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅: 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。提示 SiHCl3+3H2O = H2SiO3+3HCl+H2。【深化拓展】【深化拓展】1.硅的制备与提纯2.硅及其化合物的转化关系【素能应用】【素能应用】典例在无机非金属材料中,硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下:高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅;粗硅与干燥的HCl气体反
10、应制得SiHCl3:Si+3HCl SiHCl3+H2;SiHCl3与过量H2在1 100 反应制得纯硅。请回答下列问题:(1)第步制备粗硅反应的化学方程式为。 (2)粗硅与HCl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)从基本反应类型角度分类,步骤中发生的反应属于。 (4)为鉴定产品硅中是否含微量铁单质,将试样用稀盐酸溶解,取上层清液后需再加入的试剂是(填字母)。 A.氯水 B.NaOH溶液 C.KSCN溶液D.Na2SO3溶液答案 (1)SiO2+2C Si+2CO(2)蒸
11、馏(或分馏)(3)置换反应(4)AC解析 (1)高温下用碳还原二氧化硅可制得粗硅,同时生成一氧化碳。(2)分离沸点不同的液体应用蒸馏(或分馏)的方法。(3)步骤中发生反应的化学方程式为SiHCl3+H2 Si+3HCl,属于置换反应。(4)鉴定产品中是否含铁单质,用稀盐酸溶解后生成Fe2+,因含量少,应将Fe2+转化为Fe3+后再检验,故选AC。【变式设问】从元素化合价角度分析,上述步骤中,硅及含硅化合物发生了怎样的变化?提示 步骤中SiO2发生还原反应,步骤中Si发生氧化反应,步骤中SiHCl3发生还原反应。变式训练已知:SiHCl3与过量H2在1 100 反应制得高纯硅,且SiHCl3能与
12、水剧烈反应,在空气中易自燃。用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去):请回答下列问题:(1)装置B中的试剂是,装置C中的烧瓶需要加热,其目的是 。 (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为 。 (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)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化(2)有固体物质生成在此反应温度下,普通玻璃会软化SiHCl3+H2 Si+3HCl(3)排尽装置中的空气解析 用Zn、稀硫酸反应制得的H2会混有少量H2O,而Si
13、HCl3能与H2O发生剧烈反应,所以要进行干燥,根据装置应选择液态干燥剂浓硫酸。装置C用水浴加热,使SiHCl3汽化,再和H2进入装置D反应,因为SiHCl3与H2在1 100 时反应,温度很高,普通玻璃会软化,因此不能使用普通玻璃管。因为SiHCl3在空气中易自燃,实验中还要注意先通一段时间的H2以排尽装置中的空气。 随随堂检测堂检测1.(2021辽宁大连金州高级中学高一检测)天工开物记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”,“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”,“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。下列说法错误的是()A.沙子和粘土主要成分为硅酸盐B.“燃薪举火”使粘土
14、发生复杂的物理化学变化C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦D.粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料答案 A解析 沙子的主要成分是SiO2,粘土的主要成分是硅酸盐,A错误;“燃薪举火”烧制粘土,发生一系列复杂的物理化学变化,可制得砖、瓦等硅酸盐产品,B正确;据“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”可知,烧制后浇水冷却成青瓦,C正确;粘土是制造砖瓦、陶瓷的主要原料,在烧制过程中发生复杂的物理化学变化,D正确。2.硅被誉为无机非金属材料的主角。有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。下列有关说法正确的是()A.硅的含量居第二位,在地球上有丰富的单质硅资源,如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质
15、硅B.硅相对于氢气而言便于运输、贮存,从安全角度考虑,硅是有开发价值的燃料C.存放NaOH溶液的试剂瓶能用玻璃塞D.硅是一种良好的半导体材料,所以是制造光导纤维的基本原料答案 B3.(2021山东聊城二中检测)近年来科学家制造出大量的新物质,对下列三种物质的相关说法错误的是()石墨烯:从石墨中分离出来,是最薄、最坚硬的纳米材料石墨炔:平面网状结构的全碳分子,具有优良的化学稳定性纳米碳管:具有优良的场发射性能,制作阴极显像管、储氢材料A.石墨烯具有良好的导电性B.上述三种物质与金刚石互为同素异形体C.石墨炔孔径略大于H2分子的直径,可作H2的提纯薄膜D.上述三种物质与浓硫酸都能发生反应,但反应产
16、物不同答案 D解析 石墨烯是从石墨中分离出来的,也具有导电性,A正确;同种元素的不同单质互称同素异形体,B正确;碳原子半径大于氢原子,则石墨炔孔径大于H2分子的直径,可以通过H2分子,C正确;碳与浓硫酸反应的产物均为二氧化碳、二氧化硫和水,D错误。4.氮化硅是一种高温结构陶瓷,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在1 300 时反应获得氮化硅。(1)根据性质,推测氮化硅陶瓷的用途是(填序号)。 制汽轮机叶片航空航天耐高温材料制永久性模具汽车发动机(2)画出N的原子结构示意图:,写出氮化硅的化学式:。 (3)高纯硅与纯氮气反应制得氮化硅,请写出反应的化学方程式:。 答案 (1)(2) Si3N4(3)2N2+3Si Si3N4解析 从题给信息可知,氮化硅具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。由于在化合物中硅元素显+4价,氮元素显-3价,故氮化硅的化学式为Si3N4。更多精彩内容请登录志鸿优化网志鸿优化网http:/www.zhyh.org/本本 课课 结结 束束
