3.2功能各异的无机非金属材料第1课时学案(苏教版选修1)

3.2 功能各异的无机非金属材料第1课时学案（苏教版选修1）
三点剖析
一、生产陶瓷的原料及生产过程
制造陶瓷器的主要原料是黏土(主要成分可表示为Al2O3·2SiO2·2H2O)，手工制造陶瓷器的一般过程为①混合；②成型；③干燥；④烧结；⑤冷却，这样就可以得到成品陶瓷器。

一般烧制的陶瓷制品，表面比较粗糙，而且有不同程度的渗透性。

日常生活中我们见到的许多陶瓷制品，表面光滑、不渗水，而且色彩丰富，非常漂亮。

这是由于烧制前在坯体上涂了彩釉的缘故。

在普通釉料中加入一些重金属离子，可制成彩釉。

涂有彩釉的陶瓷制品绚丽多彩，备受人们的喜爱。

于失事的原因有各种推测，其中照片显示，在“哥伦比亚号”机翼下方有几片小瓷片脱落，引起了科学家的注意，这是一种覆盖在航天飞机表面的特殊的陶瓷片，其主要作用是( )
A.增加飞机的强度，防止流星和太空垃圾撞击而损坏飞机
B.将太阳能转化为电能供飞机使用
C.便于雷达跟踪，接受地面指挥中心的指令
D.在返回大气层时，陶瓷耐高温隔热，有效地保护飞机平安返回地面
解析：航天飞机的飞行速度很大，在进入大气层中时，与空气摩擦会产生高温，特殊的陶瓷片有耐高温和隔热作用，能有效地保护航天飞机。

答案：D
二、SiO2的特性
1.空间结构：立体网状结构。

2.物理性质：熔点高，硬度大，不溶于水。

3.化学性质：SiO2常温下化学性质很不活泼，不与水、酸(氢氟酸除外)反应。

(1)与强碱反应：SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O(生成的Na2SiO3具有黏性能将瓶塞和试剂瓶粘住，不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶存放NaOH溶液和Na2SiO3溶液，应用橡皮塞)
(2)与氢氟酸反应：SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O(能雕刻玻璃；氢氟酸不能用玻璃试剂瓶存放，应用塑料瓶)
(3)高温下与碱性氧化物反应：CaO+SiO2CaSiO3
(4)高温下与盐反应：CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
(反应原理是难挥发性酸酐制取易挥发性酸酐)
【例2】只含SiO2杂质的CaCO3样品，在高温煅烧后，残留固体为一纯净物，则原样品中SiO2的质量分数为( )
A.40%
B.28.6%
C.37.5%
D.62.5%
解析：根据题意，煅烧后仅残留一种纯净的固体，则应为CaSiO3，发生的反应为CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑，可知样品中SiO2与CaCO3的物质的量之比为1∶1。

答案：C
三、玻璃的成分和性能
1.制造普通的平板玻璃的主要原料是纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)和石英(SiO2)。

2.制造玻璃的设备为玻璃熔炉。

3.反应的化学方程式为CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑、Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑。

4.普通玻璃的主要成分为硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)和二氧化硅(SiO2)。

若普通玻璃的组成用氧化物的形式表示为
Na2O·CaO·6SiO2，则三种原料的物质的量比n(Na2CO3)∶n(CaCO3)∶n(SiO2)=1∶1∶6,质量比m(Na2CO3)∶m(CaCO3)∶m(SiO2)=53∶50∶180。

5.玻璃的特点：(1)从物质分类角度看，玻璃属于混合物，因此玻璃没有一定的熔点，只是在某一温度范围内逐渐软化。

(2)普通的平板玻璃具有非常平的光滑表面，是很好的采光、防风、保暖材料，主要用作车窗玻璃和玻璃幕墙。

6.玻璃的种类及性能
玻璃的种类很多，除上述普通玻璃外，还有铅玻璃、有色玻璃、钢化玻璃等。

(1)铅玻璃折光率强，常用于制造光学仪器。

(2)有色玻璃是在制普通玻璃的原料里加入某些金属氧化物制成的。

金属氧化物均匀地分散到玻璃态的物质里，使玻璃呈现出特征颜色。

故有色玻璃属于胶体，用一束光照射会出现丁达尔效应，有色玻璃的颜色由金属氧化物的颜色决定，如加氧化钴(Co2O3)呈蓝色、加氧化亚铜(Cu2O)呈红色等。

【例3】与普通玻璃成分相同的是( )
A.有色玻璃
B.钢化玻璃
C.光学玻璃
D.石英玻璃
解析：虽然都称为玻璃，但是在制造上所用的原料有差别，其组成成分也不同，但是钢化玻璃是把普通玻璃加强热再骤然冷却得到的，其成分与普通玻璃成分相同。

答案：B
四、常见玻璃的特性及用途
【例4】根据不同玻璃的特性和用途填空。

a.普通玻璃(钠玻璃)
b.石英玻璃
c.光学玻璃(铅玻璃)
d.钢化玻璃(玻璃钢)
可用于制造门窗、镜子的是__________，用于汽车或火车窗玻璃的是__________，用于制造化学仪器的是__________，用于制造光学仪器的是__________。

解析：熟练掌握不同玻璃的特性和用途就可顺利解题。

答案：a d b c
五、水泥和钢筋混凝土
1.水泥的制备：以黏土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏，并研成细粉就得到普通水泥。

2.普通水泥的主要成分：硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)和铝酸三钙(3CaO·Al2O3)等。

3.普通水泥中加入适量的石膏目的是调水泥硬化速度。

4.钢筋混凝土的优点
钢筋混凝土是人类最早开发利用的复合材料之一。

钢筋和混凝土是性能各异的两种材料：钢筋密度大，既能承受压力，又能承受张力，不耐腐蚀；混凝土密度较小，能承受压力，但不能承受张力，耐腐蚀。

把钢筋和混凝土结合在一起，就把两者的优点都利用起来了。

利用钢筋混凝土建造的高楼大厦不仅造价较低，而且坚固耐用。

【例5】石灰石中的主要杂质为石英，在下列工业生产中其杂质也参加，并发生有益的化学反应的是( )
A.烧制石灰
B.制普通玻璃
C.炼铁
D.制硅酸盐水泥
解析：烧制石灰的反应是CaCO3CaO+CO2↑，有石英杂质时，在高温下生成的生石灰和石英发生反应，使石灰产量减少：
SiO2+CaOCaSiO3，A项错。

普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英，原料加强热熔融后，主要反应是Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑，
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。

因此，石英参加的是有益的反应，B项对。

炼铁是把化合态的铁还原成游离态的铁，反应是Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。

铁矿石中有杂质二氧化硅，需要加入石灰石，使杂质生成硅酸钙炉渣而除去：CaCO3CaO+CO2↑，
CaO+SiO2CaSiO3。

石灰石中含有杂质石英，会增大石灰石的用量，故C项错。

石灰石、黏土加一定辅助原料制成的水泥叫硅酸盐水泥，主要成分是硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)，原料石灰石中含杂质石英，有利于反应，D 项对。

答案：BD
六、水泥和玻璃的比较
这组混合物可能是( )
A.Mg(HCO3)2和MgCO3
B.Na2CO3和NaHCO3
C.CaCO3和MgCO3
D.SiO2和NaCl
解析：要满足“由两种固体组成的混合物，加热分解后残渣固体的质量是原混合物质量的一半”的题目要求，就必须满足：其中一种固体加热分解后残渣固体的质量小于原固体质量的一半，而另一种固体加热分解后残渣固体的质量大于原固体质量的一半。

A项中，加热分解后的产物均为MgO，两种固体加热分解后残渣固体的质量都小于原固体质量的一半，故不满足题目要求；B项中，Na2CO3受热不分解，NaHCO3受热分解成Na2CO3，两种固体加热分解后残渣固体的质量都大于原固体质量的一半，故不满足题目要求；C项中，100 g CaCO3受热分解，残留56 g CaO，残留固体的质量大于原固体质量的一半，而84 g MgCO3受热分解，残留40 g MgO，残留固体的质量小于原固体质量的一半，故C项成立；D项中，加热条件下，SiO2和NaCl均不分解，故不满足题意。

答案：C
各个击破
类题演练1
制造陶瓷的主要原料为( )
A.氧化铝
B.黏土
C.氮化硅
D.碳化硼
答案：B
变式提升1
如下图所示物质的转化关系中，A是一种固体物质，E是一种白色沉淀，据此填空：
(1)B的化学式是__________________，不能用B一步制取E的原因是__________________。

(2)B与a溶液反应的离子方程式___________________________________________________。

(3)A与a溶液反应的离子方程式是_________________________________________________。

解析：由E为一种白色沉淀且与HCl反应生成白色沉淀的物质，则E只能是H4SiO4、H2SiO3或AgCl，但A是一种固体物质。

E、A、B中含有同一元素，且A、B都与a溶液反应生成同一种物质可知A为Si，B为SiO2，E为H4SiO4。

则可推知C为Na2SiO3，a溶液为NaOH 溶液。

答案：(1)SiO2SiO2不能溶于水，不可能和水反应
(2)SiO2+2OH-====+H2O
(3)Si+2OH-+H2O====+2H2↑
变式提升2
下列物质俗名、化学式、用途均相符的一组是( )
A.水玻璃Na2SiO3粉末建筑工业黏合剂
B.重晶石BaCO3粉末钡餐
C.苏打Na2SO4·10H2O 泡沫灭火器原料
D.生石膏2CaSO4·H2O 人物塑像
解析：水玻璃是Na2SiO3的水溶液，A项不正确。

重晶石是BaSO4晶体，不是BaCO3粉末，前者可用于钡餐，后者不能，B项不正确。

苏打是Na2CO3·10H2O，但泡沫灭火器中用的是小苏打溶液，C项不正确。

用石膏塑像时，先将生石膏加水调成糊状：
2CaSO4·H2O+2H2O====2［CaSO4·2H2O］
CaSO4·2H2O具有可塑性，附着在模具上，风干后定型为石膏塑像。

答案：D
类题演练2
熔融烧碱应选用的器皿是( )
A.石英坩埚
B.普通玻璃坩埚
C.生铁坩埚
D.陶瓷坩埚
解析：烧碱为NaOH，在A、B、D三项中，主要成分都是SiO2，因2NaOH+SiO2Na2SiO3+H2O 而被腐蚀，故选C项。

答案：C
变式提升3
获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。

(1)光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维，利用光缆通迅能同时传输大量信息。

制造光纤电缆的主要原材料的化学式是_____________，它属于___________________________材料。

(2)信息产业的核心材料是高纯度的硅，高纯度的单晶硅生产方法之一是用金属硅化物(Mg2Si)与HCl作用得硅烷，再热分解硅烷可得高纯硅。

单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等，硅纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。

写出上述方法中，生产高纯硅的两个化学方程式__________________，__________________。

解析：本题要求我们了解和熟悉生活中常见的新型材料，了解其成分及相应性能。

答案：(1)SiO2新型无机非金属
(2)Mg2Si+4HCl====2MgCl2+SiH4↑
SiH4Si+2H2
类题演练3
有下列物质：①钢化玻璃②水玻璃③玻璃纸④石英玻璃⑤有机玻璃。

它们之中主要成分为硅酸盐的是( )
A.①②
B.①④
C.③④
D.②④
解析：本题考查日常生活中遇到的物质的属类，钢化玻璃成分与普通玻璃相同，属于硅酸盐；水玻璃是Na2SiO3的水溶液。

故选A项。

答案：A
变式提升4
钾玻璃比普通玻璃具有更好的性能，已知钾玻璃中含K 15.3%，Ca 7.84%,Si 32.94%,O 43.92%(皆为质量分数)，(1)试用氧化物的形式表示钾玻璃的组成。

(2)制100 t这种钾玻璃需K2CO3的质量是多少？
解析：(1)钾玻璃中K、Ca、Si、O四种元素，原子个数比为∶∶∶≈2∶1∶6∶14
即钾玻璃的化学式为K2CaSi6O14，折成氧化物的形式为K2O·CaO·6SiO2
(2)设K2CO3的质量为x，由K元素质量守恒可得关系式
K2CO3—K2O·CaO·6SiO2
138 510
x 100 t
有解得x≈27.1 t
答案：钾玻璃的组成为K2O·CaO·6SiO2，制100 t这种钾玻璃需K2CO3 27.1 t。

类题演练4
玻璃的主要成分之一是二氧化硅，能在玻璃上进行蚀刻，将其制成毛玻璃和雕花玻璃的物质是( )
A.烧碱
B.纯碱
C.氢氟酸
D.盐酸
解析：烧碱和氢氟酸跟SiO2都发生反应，纯碱因水解而显碱性，也能跟SiO2发生反应，盐酸与SiO2不反应。

用于蚀刻玻璃的是氢氟酸。

2NaOH+SiO2====Na2SiO3+H2O
SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O
答案：C
变式提升5
下列说法正确的是( )
A.陶瓷、玻璃、水泥都是硅酸盐产品
B.水晶、玛瑙、光纤、硅胶的主要成分都是SiO2
C.SiO2很稳定，与所有的酸都不反应
D.将石棉(CaMg3Si4O12)化学式改写成氧化物的形式：3(MgO·CaO)·4SiO2
解析：水晶、玛瑙、光纤的主要成分都是SiO2，硅胶的主要成分为SiO2·xH2O;SiO2不跟氢氟酸以外的酸反应；石棉改写成氧化物形式为3MgO·CaO·4SiO2。

答案：A
变式提升6
能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是( )
A.CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水
B.CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀
C.高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2
D.氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出气体，通入可溶性硅酸盐溶液中生成沉淀
解析：由强酸制弱酸的规律可判断两种酸的酸性强弱，但高温下SiO2与碳酸盐反应生成挥发性的气体，不能用此规律解释。

答案：B
类题演练5
下列说法中正确的是( )
A.生产水泥时，在熟料中加入适量的石膏可以调节水泥的硬化速度
B.水泥在水中能硬化，但在空气中不会硬化
C.水泥和水拌和后生成不同的水合物，要吸收一定的热量
D.水泥是一种化合物
解析：水泥的主要成分为2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·Al2O3，为一混合物。

水泥的水硬性不仅在水下具有，在空气中也具有。

水泥与水混合后生成一定的水合物需要放出一定的热量。

答案：A
变式提升7
下列物质的变化，不能通过一步化学反应完成的是( )
A.CO2H2CO3
B.SiO2Na2SiO3
C.Na2ONa2CO3
D.SiO2H2SiO3
解析：SiO2不溶于水，不能跟水直接反应生成H2SiO3，必须先使其生成可溶性盐再跟酸反应得到。

答案：D
变式提升8
变色玻璃内部含有AgBr(或AgCl)和微量CuO。

用变色玻璃制作窗玻璃，可使烈日下透过的光线变得柔和且有阴凉之感。

变色玻璃也可用于制作太阳镜片。

变色玻璃的变色原理是什么？
答案：含有AgBr(或AgCl)和微量CuO的玻璃是一种变色玻璃。

当受到太阳光或紫外线照射时，其中的AgBr发生分解，产生银原子。

当银原子聚集到一定数量时，射在玻璃上的光大部分被吸收，原来无色透明的玻璃这时就会变成灰黑色。

当把变色后的玻璃放到暗处时，在CuO的催化作用下，银原子和溴原子又会结合成AgBr。

于是，玻璃又会变成无色透明。

变式提升9
氧化铜有多种用途，如用作玻璃着色剂、油类脱硫剂等。

为获得纯净的氧化铜以探究其性质，某同学用工业硫酸铜(含硫酸亚铁等杂质)进行如下实验：
(1)制备氧化铜
工业CuSO4CuSO4溶液CuSO4·5H2O……CuO
①步骤Ⅰ的目的是除不溶性杂质。

操作是___________________________________________。

②步骤Ⅱ的目的是除铁。

操作是：滴加H2O2溶液，稍加热；当Fe2+转化完全后，慢慢加入Cu2(OH)2CO3粉末，搅拌，控制溶液pH=3.5；加热煮沸一段时间，过滤，用稀硫酸酸化滤液至pH=1。

控制溶液pH=3.5的原因是
_______________________________________________。

③步骤Ⅲ的目的是得到CuSO4·5H2O晶体。

操作是____________，过滤，水浴加热烘干。

水浴加热的特点是_________________________________________________________________。

(2)探究氧化铜的性质
①取A、B两支试管，往A中先加入适量CuO粉末，再分别向A和B中加入等体积的3% H2O2溶液，只观察到A中有大量气泡。

结论是___________________________________________。

②为探究试管A中反应的速率，收集气体并测定其体积必需的实验仪器有_______________。

解析：(1)①除去不溶性杂质的操作是过滤。

②加H2O2已将Fe2+氧化为Fe3+,Fe3+只能存在于酸性溶液中，当溶液的pH大于2.6时，Fe3+开始水解生成沉淀，当溶液的pH等于3.5时，Fe3+已完全水解为沉淀。

Fe3++3H2OFe(OH)3↓+3H+
③由CuSO4(aq)得到CuSO4·5H2O，需蒸发掉CuSO4(aq)中的水分。

水浴加热的优点有两个：便于控制温度，加热温度不超过100 ℃。

(2)①CuO加速了过氧化氢的分解反应，是催化剂：2H2O22H2O+O2↑。

②可按下图所示方法收集并测量O2体积，必需仪器是量筒(或量筒和导管、橡皮管)。

答案：(1)①过滤②使Fe3+完全水解为Fe(OH)3沉淀
③蒸发结晶便于控制温度，且不使温度超过100 ℃
(2)①CuO是H2O2分解的催化剂②量筒(或量筒、导管、橡皮管)
类题演练6
下列物质，不属于硅酸盐材料的是( )
A.钢化玻璃
B.有机玻璃
C.水泥
D.陶瓷
解析：以硅酸盐为主要成分制成的材料，如陶器、瓷器、砖瓦、水泥、玻璃等都属于硅酸盐材料，有机玻璃的主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯，属于有机高分子材料。

答案：B
变式提升10
化合物A、D、F是中学化学中常见的物质，化合物B、C、E中含有两种相同的元素，这些元素存在如下图所示的关系，其中A和B的反应是一种重要化工生产中的主要反应。

(1)在A、C、F中相同的元素是_____________。

(2)化合物C的化学式是_____________，化合物A的水溶液显_____________性。

(3)C的水溶液与D的水溶液能否发生反应_____________；其理由是_____________。

解析：A可与盐酸反应，而A与B的反应物C还可以与盐酸反应，且C是高温下的产物，C中的酸根对应的酸的酸性弱于碳酸，所以A可能是Na2CO3,C是Na2SiO3。

答案：(1)Na (2)Na2SiO3碱(3)能碳酸的酸性比硅酸的强
变式提升11
下列玻璃破碎后没有尖锐棱角的是( )
A.“浮法”玻璃
B.聚酯“玻璃”
C.钢化玻璃
D.光学玻璃
解析：钢化玻璃破碎后没有尖锐棱角，聚酯“玻璃”是指玻璃钢，其主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯，不是玻璃。

答案：C。