化學必修 第二冊第三節(jié) 無機非金屬材料教學設計

這是一份化學必修 第二冊第三節(jié) 無機非金屬材料教學設計，共8頁。教案主要包含了知識導圖，目標導航，重難點精講，典題精練等內(nèi)容，歡迎下載使用。
專題03  無機非金屬材料 【知識導圖】【目標導航】1.結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)。本專題在各種考試中主要考查無機非金屬材料的相關知識，包括硅及其化合物的性質(zhì)、用途、制備以及傳統(tǒng)及新型無機非金屬材料的特點和用途，主要以選擇題的形式出現(xiàn)。【重難點精講】一、硅單質(zhì)1.存在硅單質(zhì)主要有晶體和無定形兩大類。2.物理性質(zhì)：帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高，硬度大，有脆性。3.化學性質(zhì)(1)常溫下不活潑，一般不與其他物質(zhì)反應，但可以與氟、氫氟酸、堿反應。反應的化學方程式分別為：與氟：Si＋2F2===SiF4；與氫氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；與堿：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。(2)在加熱或者點燃的條件下可以與氫氣、氧氣、氯氣等反應，與氧氣反應的化學方程式為Si＋O2SiO2。4、主要應用：半導體材料→硅芯片、硅太陽能電池5、高純硅的制備涉及的主要化學反應為(a)SiO2＋2CSi＋2CO↑(b)Si＋3HClSiHCl3＋H2(c)SiHCl3＋H2Si＋3HCl二、二氧化硅1.存在自然界中，碳元素既有游離態(tài)，又有化合態(tài)，而硅元素僅有化合態(tài)，主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在。天然SiO2有晶體和無定形兩種，統(tǒng)稱硅石。2.物理性質(zhì)熔點高，硬度大，難溶于水。3.結構SiO2晶體有多種晶型，其基本結構單元為硅氧四面體(如下圖甲所示)，硅氧四面體通過氧原子相互連接為空間的網(wǎng)狀結構(如下圖乙所示)。每個硅原子與4個氧原子相連，而每個氧原子與2個硅原子相連，故SiO2晶體中Si和O的比例為1∶2。4.化學性質(zhì)SiO2為酸性氧化物，是硅酸的酸酐。(1)SiO2可以與堿反應，生成硅酸鹽，如與氫氧化鈉反應的化學方程式為SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。(2)在高溫條件下可以與碳酸鹽反應，如與碳酸鈣反應的化學方程式為SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。(3)在高溫條件下，能夠與堿性氧化物反應，如與氧化鈣反應的化學方程式為SiO2＋CaOCaSiO3。(4)常溫下與氫氟酸反應的化學方程式為SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。5、主要應用：光導纖維三、硅酸、硅酸鹽1.硅酸(1)物理性質(zhì)硅酸的溶解度小，新制備的硅酸為透明、膠凍狀，干燥硅膠多孔，吸水性和吸附性強。(2)化學性質(zhì)①弱酸性：酸性比碳酸弱，與NaOH溶液反應的化學方程式為H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。②不穩(wěn)定性：受熱易分解，反應的化學方程式為H2SiO3SiO2＋H2O。(3)制備：通過可溶性硅酸鹽與其他酸反應制得，如Na2SiO3溶液與鹽酸反應：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(膠體)。(4)用途：硅膠可用作干燥劑、催化劑的載體等。2.硅酸鹽(1)硅酸鹽的結構、特點結構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)硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱，是構成地殼巖石的主要成分。(2)硅酸鈉：硅酸鈉溶液俗稱水玻璃，是無色黏稠液體，常用于制備黏合劑、防腐劑、耐火材料。四、無機非金屬材料1.傳統(tǒng)無機非金屬材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸鹽材料。(1)常見硅酸鹽材料比較 原料制備過程生產(chǎn)應用陶瓷黏土原料經(jīng)高溫燒結而成建筑材料、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)玻璃生產(chǎn)中的兩個重要反應：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。2.新型無機非金屬材料，如高溫結構陶瓷、光導纖維、生物陶瓷、壓電陶瓷等。(1)新型陶瓷新型材料成分性能主要應用金剛砂碳原子、硅原子以共價鍵連接，結構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、耐高溫結構材料和耐高溫半導體材料高溫結構陶瓷碳化硅、氮化硅、金屬氧化物耐高溫、抗氧化、耐腐蝕用于火箭發(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)機械能和電能的相互轉化用于濾波器、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、絕緣性好用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等超導陶瓷YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10臨界溫度下具有超導性用于電力、交通、醫(yī)療領域等(2)碳納米材料新型材料結構特點主要性能主要應用富勒烯碳原子構成的一系列籠形分子在溶解性、磁性、非線性光學性質(zhì)、光導電性等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能工業(yè)材料，應用于電化學，催化劑，化妝品，抗癌藥物等碳納米管石墨片層卷成的直徑納米級的管狀物比表面積大，具有高的強度和優(yōu)良的電學性質(zhì)生產(chǎn)復合材料、電池和傳感器等石墨烯一個碳原子直徑厚度的單層石墨電阻率低、熱導率高、具有很高的強度應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等方面（3） 傳統(tǒng)無機非金屬材料與新型無機非金屬材料的區(qū)別類別傳統(tǒng)無機非金屬材料新型無機非金屬材料主要成分硅酸鹽不一定是硅酸鹽主要特性抗腐蝕、耐高溫、質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊大都強度高、硬度大，耐高溫，另外還具有一定的電學特性、光學特性和生物功能等特別提醒：1．氫氟酸能腐蝕玻璃并用于雕刻玻璃，盛放氫氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。盛放堿性溶液的試劑瓶不能用玻璃塞，因為SiO2與堿溶液反應生成具有黏性的Na2SiO3。2．不能依據(jù)反應2C＋SiO2Si＋2CO↑來說明C的還原性比Si強，也不能依據(jù)反應SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑來說明SiO2水化物的酸性比H2CO3強。此類反應能進行的原因是因為在高溫條件下，生成物中的氣體從反應體系中逸出，有利于反應向右進行。3．SiO2雖然能與NaOH溶液、HF溶液反應，但不屬于兩性氧化物，屬于酸性氧化物，但與水不能直接反應。4．C與SiO2反應的產(chǎn)物是CO不是CO2。5．不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光導纖維的是SiO2，用于制作半導體材料、計算機芯片的是晶體硅。【典題精練】考點1、考查硅及其化合物的性質(zhì)1．下列敘述中正確的是(　　)A．因為Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強B．碳和硅都是ⅣA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性質(zhì)相似C．二氧化硅既溶于氫氧化鈉溶液又溶于氫氟酸，所以二氧化硅是兩性氧化物D．二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反應生成硅酸解析：A項中反應不是在水溶液中進行，產(chǎn)物中有氣體生成，故不能通過此反應判斷H2CO3與H2SiO3的酸性強弱，A項錯誤；CO2和SiO2的物理性質(zhì)差異較大，B項錯誤；SiO2與氫氟酸的反應不屬于堿性氧化物與酸生成鹽和水的反應，在此反應中SiO2并沒有表現(xiàn)出堿性氧化物的性質(zhì)，C項錯誤。答案：D名師歸納：硅及其化合物性質(zhì)“反常”小結(1)一般情況下，非金屬元素單質(zhì)熔、沸點低，硬度小，但晶體硅、金剛石熔、沸點高，硬度大，其中金剛石為自然界中硬度最大的物質(zhì)。(2)一般情況下，非金屬單質(zhì)為絕緣體，但硅為半導體，石墨為電的良導體。(3)Si的還原性強于C，但C在高溫下能還原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑。(4)非金屬單質(zhì)與堿反應一般既作氧化劑又作還原劑，且無氫氣放出，但硅與強堿溶液反應只作還原劑，且放出氫氣：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。(5)非金屬單質(zhì)一般不與非氧化性酸反應，但硅能跟氫氟酸反應：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。(6)一般情況下，堿性氧化物＋酸―→鹽＋水，二氧化硅是酸性氧化物，卻能與氫氟酸反應：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不屬于鹽，故SiO2不是兩性氧化物)。(7)一般情況下，無機酸能溶于水，但硅酸卻難溶于水。(8)一般情況下，較強酸＋較弱酸的鹽―→較弱酸＋較強酸的鹽(溶液中的反應)。因碳酸的酸性強于硅酸，所以水玻璃在空氣中易變質(zhì)：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3(膠體)。但在高溫下，可發(fā)生反應Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑(CO2離開反應體系促進反應的正向進行)。(9)一般情況下，金屬(Na、K)能置換出水中的氫，但C在高溫下也能置換出H2O中的氫：C＋H2O(g)H2＋CO。(10)一般情況下，酸性氧化物與水反應生成相應的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不與水反應。考點2、考查硅及其化合物的用途例2、硅及其化合物在材料領域中應用廣泛。下列說法正確的是(　　)A.水晶項鏈是硅酸鹽制品B.硅單質(zhì)廣泛用于光纖通訊C.利用鹽酸刻蝕石英制作藝術品D.水泥、玻璃、陶瓷屬于傳統(tǒng)無機非金屬材料解析：水晶項鏈主要成分是二氧化硅,A錯;光纖是由二氧化硅制造而成的,B錯;石英中的二氧化硅不與鹽酸反應,C錯；傳統(tǒng)無機非金屬材料包括水泥、玻璃、陶瓷等，D正確。答案：D名師歸納：(1)傳統(tǒng)無機非金屬材料都是以含硅物質(zhì)為原料，經(jīng)過高溫發(fā)生復雜的物理、化學變化制成，產(chǎn)品都為硅酸鹽。(2)生產(chǎn)中采用不同的原料和工藝，也可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。例如，利用含有鉛的原料可制得光學玻璃；加入硼酸鹽制成耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃；加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃。考點3、考查硅及其化合的制備例3、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＋H2Si＋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名師歸納：考點4、考查無機非金屬材料的有關知識4．下列關于無機非金屬材料的說法中不正確的是(　　)A．傳統(tǒng)無機非金屬材料是指玻璃、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)無機非金屬材料的許多缺點C．高溫結構材料具有耐高溫、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：無機非金屬材料分為傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)無機非金屬材料是指我們常說的硅酸鹽材料，包括玻璃、水泥、磚瓦、陶瓷等；新型無機非金屬材料是指一些新型的具有特殊結構和特殊功能的非硅酸鹽型材料。新型無機非金屬材料與傳統(tǒng)無機非金屬材料相比，具有許多優(yōu)良性能，如耐高溫、耐磨損、耐酸堿腐蝕、具有壓電效應、具有生物功能等。答案：D名師歸納：四種新型的無機非金屬材料對比