《无机非金属材料》名师学案

第三节无机非金属材料

课程标准核心素养

1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性

能与应用之间的联系。

2.结合真实情景中的应用实例，了解硅酸盐、

硅、二氧化硅的主要性质。

1.宏观辨识与微观探析：能说明硅酸盐、硅、

二氧化硅的性质与应用之间的关系。

2.科学态度与社会责任：能说明化学科学发

展在自然资源利用、材料合成、促进科学技

术发展等方面的重要作用。

1．硅酸盐材料

(1)硅酸盐的结构、特点

结构特点

硅氧四面体

硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀

等

原料制备过程生产应用陶瓷黏土原料经高温烧结而成

建筑材料、绝缘材料、

日用器皿、卫生洁具等玻璃

纯碱、石灰石

和石英砂

原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，

发生复杂的物理和化学变化而制得

建筑材料、光学仪器、

各种器皿、玻璃纤维等水泥黏土、石灰石

原料与其他辅料经混合、研磨后在水

泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和

化学变化，加入适量石膏调节水泥硬

化速率，再磨成细粉即得

制作混凝土，用于建筑

和水利工程

(1)硅和二氧化硅

①主要应用

硅半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池二氧化硅光导纤维

涉及的主要化学反应为

(a)SiO 2＋2C=============1 800～2 000 ℃

Si ＋2CO ↑ (b)Si ＋3HCl=====300 ℃

SiHCl 3＋H 2 (c)SiHCl 3＋H 2=====1 100 ℃Si ＋3HCl (2)新型陶瓷——碳化硅(SiC)

俗称 结构特点 主要性能 生产应用 金 刚 砂 碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石

硬度很大、高温抗氧化性能优异

砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料

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C 60。

②碳纳米管：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化学性能，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。

硅和二氧化硅的化学性质

1．硅的化学性质

(1)在常温下不活泼，但能与氢氟酸反应： Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑。 (2)加热条件下能与O 2、Cl 2等反应： Si ＋O 2=====△

SiO 2；Si ＋2Cl 2=====△

SiCl 4。 2．二氧化硅的化学性质 (1)二氧化硅是一种酸性氧化物 SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O SiO 2＋CaO=====高温CaSiO 3 (2)二氧化硅能与氢氟酸反应 SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O

1．硅被誉为无机非金属材料的主角。下列产品的主要成分不是硅酸盐的是( ) A ．光导纤维

B ．玻璃

C ．水泥

D ．陶瓷餐具

解析：选A 。传统的硅酸盐材料有水泥、玻璃和陶瓷，其主要成分都是硅酸盐。光导纤维的化学成分是SiO 2，属于氧化物，不是硅酸盐，所以选A 。

2．华裔科学家高锟因“在光学通信领域中光在光导纤维中传输的研究方面所取得的开创性成就”获得了诺贝尔物理学奖。光导纤维的主要成分是( )

A ．Si

B ．SiO 2

C ．CaSiO 3

D ．SiCl 4

解析：选B 。光导纤维的主要成分为SiO 2。

3．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

①SiO 2＋2C=====高温

Si ＋2CO ↑ ②Si ＋2Cl 2=====高温

SiCl 4 ③SiCl 4＋2H 2=====高温Si ＋4HCl

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

解析：选D 。①③中硅元素被还原，②中硅元素被氧化，D 错误。

4．20世纪80年代后，人们发现和证实碳的另一类单质，它们是由一系列偶数个碳原子组成的分子，其中C 60(足球烯，分子中含有30个双键)最具代表性。下图所示为n 个C 60 连接而成的物质X 。下列有关说法不正确的是( )

A ．X 难溶于水

B ．X 的熔点比金刚石高

C ．X 是碳的一种同素异形体

D ．X 的相对分子质量为720n 解析：选B 。X 的熔点比金刚石低。

课堂小结

合格考训练

1．硅在无机非金属材料中一直扮演着重要角色，被誉为无机非金属材料的主角。下列物品的制造用到硅单质的是()

A．玻璃制品B．石英钟表

C．计算机芯片D．光导纤维

解析：选C。玻璃制品的制造用到硅酸盐；石英钟表、光导纤维的制造用到二氧化硅；计算机芯片的制造用到硅单质。

2．下列有关水泥的说法不正确的是()

A．制造水泥的主要原料是石灰石、纯碱和黏土

B．普通水泥的主要成分是钙的硅酸盐和铝酸盐

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：选A。A项，制造水泥的原料中没有纯碱，错误。B项，普通水泥的主要成分是硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙等，正确。D项，混凝土的成分是水泥、沙子和碎石，正确。

3．当航天飞机返回地球大气层时，由于与空气的剧烈摩擦，飞机尖端的温度可达1 000 ℃以上，为了防止高温将其烧毁，科学家给航天飞机的相应部位安装了可靠的保护层。制作保护层的材料是()

A．塑料B．玻璃

C．新型陶瓷D．镁铝合金

解析：选C。制作保护层的材料应该具有硬度很大、具有优异的高温抗氧化性能，只有C项符合要求。

4．我国科学家合成的3 nm长的管状碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的1/4)、熔点高，化学稳定性好的特点，因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是()

A．它是制造飞机的理想材料

B．它的主要组成元素是碳元素

C．它的结构与石墨相似

D．碳纤维复合材料耐高温

解析：选C。石墨的内部结构是层状的，碳纳米管是管状的。

5．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：

(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：