新教材2023版高中化学第五章化工生产中的重要非金属元素第三节无机非金属材料学案新人教版必修第二册

第三节无机非金属材料
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了材料，还有无机非金属材料等。

从组成上看，许多无机非金属材料含有等元素，具有等特点，以及特殊的等性能。

随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为等高技术领域必需的材料。

核心微网络
新课程标准
1.知道常见无机非金属材料，结合实例认识材料组成、性能及应用的联系；
2.能从材料组成的角度对无机非金属材料进行分类，能根据使用需求选择适当的材料，能解释使用注意事项，并能科学合理使用。

素养新要求
1.能从二氧化硅、二氧化碳的结构角度分析两者性质的差异，形成“结构决定性质”的观念；
2.结合身边的生活用品、电子产品、建筑物等用到的无机非金属材料，感受化学就在身边，化学材料作用巨大，提高学生努力学习化学，投身国家建设的社会责任感。

学业基础——自学·思记·尝试
一、硅酸盐材料
1.硅酸盐的组成和性质
（1）概念：由、和组成的化合物的总称
（2）性质：固态，大多不溶于水，化学性质很
（3）表示方法：如Na2SiO3→
状元随笔硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。

每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。

硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。

硅氧四面体的结构示意图2.三种常见的硅酸盐产品——传统无机非金属材料
【学而思】
思考：根据制备玻璃的原料（纯碱、石灰石、石英砂）和玻璃的成分（Na2SiO3、CaSiO3和SiO2），思考制备玻璃的化学方程式。

纯碱＋石英→Na2SiO3：_____________________________________________。

石灰石＋石英→CaSiO3：____________________________________________。

二、新型无机非金属材料
1.硅
（1）硅的存在、结构、应用
单质硅是应用最为广泛的材料。

（2）高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为
①________________________________________________________________________
②________________________________________________________________________
③________________________________________________________________________
（3）化学性质
①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF（氢氟酸）、强碱（如NaOH）溶液反应。

Si＋F2=== ，Si＋HF=== ，
Si＋2NaOH＋H2O=== 。

②加热条件下和某些非金属单质（如O2、Cl2）发生反应。

Si＋O2=====
△。

（4）用途
①半导体材料，如等。

②新型能源，如等。

2.二氧化硅
（1）存在
水晶、玛瑙、光导纤维的主要成分是。

沙子中含有小粒的石英晶体。

（2）结构
SiO2晶体是空间网状结构，每个Si结合个O，每个O结合个Si，N（Si）∶N （O）＝
二氧化硅晶体的结构模型图
（3）物理性质
（4）化学性质
（5）用途
建筑材料、纤维（主要成分）、坩埚、饰物和工艺品。

3.新型陶瓷
4.碳纳米材料
碳纳米材料在能源、、医药等领域有广阔的前景。

【应用尝试】
1.将下列左栏中的物质与右栏中对应的性质、用途用线连起来：
2.填写下列物质主要化学成分的化学式或名称。

（1）刚玉：__________________________________；
（2）石英钟：___________________________________________；
（3）硅太阳能电池：____________________________________________；（4）水晶镜片：_____________________________________________；（5）门窗玻璃：_______________________________________________。

【学而思】
质疑：教材中描述“工业制备高纯硅的原理示意图”。

能否通过反应SiO 2＋2C=====高温
Si ＋2CO↑，证明C 、Si 的非金属性强弱？
[即学即练]
1.判断正误，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）SiO 2是空间正四面体网状结构晶体。

（ ） （3）SiO 2是酸性氧化物，与任何酸都不能发生反应。

（ ） （4）利用石英坩锅可熔融NaOH 固体。

（ ） （5）氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。

（ ） （6）SiO 2晶体是由SiO 2分子直接组成的。

（ ）
（7）水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO 2。

（ ） （8）光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”。

（ ） （9）硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质。

（ ） （10）普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。

（ ） （11）光电池可以将光能直接转化为电能。

（ ）
2.我国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盐的是（ ） A ．陶俑 B ．琉璃瓦 C ．汉白玉 D ．青花瓷
3.陶瓷版“冰墩墩”和“雪容融”均产自中国陶瓷之乡，下列说法错误的是（ ） A ．陶瓷、玻璃和水泥均属于无机非金属材料
B ．陶瓷版“冰墩墩”上黑色涂料的主要成分为Fe 2O 3
C ．陶瓷可用于日用的器皿、建筑材料等
D ．陶瓷是以黏土及天然矿物岩为原料，经加工烧制而成的
4.关于地壳中含量占第一位和第二位的元素之间形成的化合物，有关其说法正确的是（ ）
A ．化学性质不活泼
B ．可溶于水且显酸性
C ．熔沸点较低，物理性质与CO 2相似
D ．是酸性氧化物，不溶于任何酸
5.光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一。

光导纤维的主要成分是（ ） A ．Si B ．SiO 2
C ．Na 2SiO 3
D ．SiCl 4
6.下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是（填序号）。

①硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。

②硅的导电性介于导体与绝缘体之间。

③硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应。

④水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。

⑤高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。

核心素养——合作·探究·分享
例1.下列关于硅的说法中，错误的是（）
A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．单质硅和金刚石结构相似，但比金刚石硬度小，熔点低
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应
[提升1] 硅在地壳中的含量较高。

硅及其化合物在现代生活中有广泛应用。

回答下列问题：
（1）陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。

其中，生产普通玻璃的主要原料有________________________________________________________________________。

（2）高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。

工业上提纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图如下：
①工业上用石英砂和焦炭在电弧炉中加热到1 600～1 800 ℃，除生成粗硅外，也可以生成碳化硅，则在电弧炉内可能发生的反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，粗硅生成SiHCl3的化学方程式为________________________________________________________________________。

（3）还原炉中发生的化学反应为________________________________________________________________________。

状元随笔解答信息实验题时要特别注意以下两点：
（1）分析题目信息，注意实验操作或具有特殊性质的物质；
（2）与已掌握的知识进行对比分析，充分利用信息进行知识迁移。

关键能力
1.晶体硅的结构 结构类似于金刚石。

2.硅单质的化学性质
（1）常温下：①与氟气反应：Si ＋2F 2===SiF 4； ②与氢氟酸反应：Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑；
③与NaOH 溶液反应：Si ＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑ （2）加热条件下：①与O 2反应：Si ＋O 2=====△
SiO 2； ②与Cl 2反应：Si ＋2Cl 2=====△
SiCl 4； ③与C 反应：Si ＋C=====高温
SiC
状元随笔 高纯硅的制备 工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。

例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷（SiHCl 3），再经氢气还原得到高纯硅。

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： SiO 2＋2C =====1 800～2 000℃
Si ＋2CO↑
Si ＋3HCl =====300℃
SiHCl 3＋H 2
SiHCl 3＋H 2=====1 100℃
Si ＋3HCl
例2. 歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案生动形象，但古瓷中所用颜料的成分一直是个谜。

近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡（BaCuSi 2O x ，铜为＋2价），下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是（ ）
A ．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO 2
B ．性质稳定，不易脱色
C ．易溶于强酸和强碱
D ．x 等于6
[提升2] A 、B 、C 、D 、E 五种含硅元素的物质，相互转化关系如图所示：
（1）推断A ～E 的化学式：A ，B ，C ，D ，E 。

（2）①写出B ―→A 的化学方程式________________________________________________________________________。

②A―→C 的离子方程式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

状元随笔 硅及其化合物转化关系题中的突破口
（1）硅、二氧化硅的结构：如硅与金刚石结构相似。

（2）硅、二氧化硅的物理性质：如硬度大，熔、沸点高。

（3）特征性质：
①与强碱溶液反应放出H 2的非金属单质是硅。

②不与H 2O 反应、能与氢氟酸反应（或雕刻玻璃）的酸性氧化物为SiO 2。

③难溶于水的无机酸是H 2SiO 3。

关键能力
硅及其化合物的“价—类二维图”
①SiH 4＋2O 2=====点燃
SiO 2＋2H 2O （拓展反应） ②SiH 4=====高温
Si ＋2H 2 ③Si＋O 2=====△
SiO 2
④SiO 2＋2C=====高温
Si ＋2CO↑
⑤Si＋2F 2===SiF 4（或Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑） ⑥Si＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑ ⑦SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O ⑧SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O ⑨H 2SiO 3=====△
SiO 2＋H 2O
⑩Na 2SiO 3＋2HCl===2NaCl ＋H 2SiO 3↓
状元随笔 硅酸钠
（1）物理性质：可溶于水，水溶液俗称“水玻璃”。

“水玻璃”具有很强的黏合性，是建筑行业常用的黏合剂。

（2）化学性质：易与酸反应。

与强酸反应：Na 2SiO 3＋2HCl===2NaCl ＋H 2SiO 3↓。

与CO 2反应：CO 2不足，Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓；CO 2过量，Na 2SiO 3＋2CO 2
＋2H 2O===2NaHCO 3＋H 2SiO 3↓。

学考评价——夯实·测控·演练
1.“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。

玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是（ ）
A ．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B ．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂
C ．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D ．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
2.[2022·广东卷]广东一直是我国对外交流的重要窗口，馆藏文物是其历史见证。

下列文物主要由硅酸盐制成的是（ ）
A.南宋鎏金饰品
B.蒜头纹银盒
C.广彩瓷咖啡杯
D.铜镀金钟座
3.材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是（ ）
4.中国高铁对实现“一带一路”的倡议有重要的作用。

（1）建设高铁轨道需要大量的水泥，生产水泥的主要原材料是黏土和 ；还需要加入适量 调节水泥硬化速率。

（2）高铁上的信息传输系统使用了光导纤维，其主要成分是 ；乘务员使用的无线通话机的芯片材料是 。

（3）高铁上安装有许多玻璃，氢氟酸可以处理玻璃表面的微裂纹，氢氟酸与玻璃中的二氧化硅反应的化学方程式为 。

（4）高铁上的卫生间没有任何异味，是由于所使用的马桶、地漏和洗手盆下水口都是纳米硅胶的高科技产品。

向硅酸钠溶液中加入稀盐酸可产生硅酸胶体，该反应的离子方程式为 。

5.关于硅及其化合物的叙述中，正确的是（ ）
A.硅是良好的半导体材料，可以与NaOH 溶液和氢氟酸反应
B.二氧化硅与石灰石反应：SiO 2＋CaCO 3=====高温
CaSiO 3＋CO↑ C.用焦炭还原二氧化硅生产硅：SiO 2＋2C=====高温
Si ＋2CO 2↑
D.水泥的主要成分是Na 2SiO 3、CaSiO 3和SiO 2
6.为确认HCl 、H 2CO 3、H 2SiO 3的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的装置，一次实验即可达到目的（不必选其他酸性物质）。

请据此回答：
（1）锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为。

（2）装置B所盛的试剂是，其作用是。

（3）装置C所盛试剂是，C中反应的离子方程式是________________________________________________________________________。

（4）由此得到的结论是酸性> > 。

练后感悟
CO2与SiO2的性质区别
第三节无机非金属材料
金属硅、氧耐高温、抗腐蚀、硬度高光学、电学航空、航天、信息和新能源学业基础
一、
1．硅氧金属稳定Na2O·SiO2
2．黏土铝硅酸盐硅酸盐纯碱石灰石石英砂Na2SiO3CaSiO3SiO2石灰石黏土硅酸盐
【学而思】
提示：SiO 2＋Na 2CO 3=====高温
Na 2SiO 3＋CO 2↑ SiO 2＋CaCO 3=====高温
CaSiO 3＋CO 2↑
二、
1．(1)二 氧化物和硅酸盐 三 ⅣA 半导体 (2)①SiO 2＋2C =====1 800～2 000 ℃
Si ＋2CO↑ ②Si＋3HCl =====300 ℃
SiHCl 3＋H 2 ③SiHCl 3＋H 2=====1 100 ℃
Si ＋3HCl
(3)2 SiF 4 4 SiF 4↑＋2H 2↑ Na 2SiO 3＋2H 2↑ SiO 2 (4)硅芯片 硅太阳能电池
2．(1)石英 SiO 2(或二氧化硅) (2)立体 4 2 1∶2 (3)高 大 不溶 (4)SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O CaO ＋SiO 2=====高温
CaSiO 3
2NaOH ＋SiO 2===Na 2SiO 3＋H 2O (5)光导 SiO 2 石英
3．SiC 金刚砂 共价 金刚石 大 高温抗氧化 4．信息 单层石墨 复合 复合 传感器 C 60 【应用尝试】
1．①—c ②—a ③—e ④—b ⑤—d
2．(1)Al 2O 3 (2)SiO 2 (3)Si (4)SiO 2 (5)硅酸盐 【学而思】
提示：不能。

硅的还原性比碳强，而碳在高温下却能从SiO 2中还原出硅。

[即学即练]
1．答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)√ (9)√ (10)√ (11)√ 2．答案：C
3．解析：水泥、玻璃、陶瓷均属于无机非金属材料，故A 正确；Fe 2O 3是红棕色物质，而陶瓷版“冰墩墩”上为黑色涂料，故不是氧化铁，故B 错误；陶瓷可用于日用的器皿、建筑材料等，故C 正确；陶瓷是以黏土及天然矿物岩为原料，经加工烧制发生复杂的化学反应而制成的，故D 正确。

答案：B 4．答案：A
5．解析：光导纤维的主要成分是SiO 2。

答案：B
6．解析：①硅在自然界中只有化合态，没有游离态，硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，硅石的主要成分是SiO 2，①不正确；②正确；③硅在常温下能与F 2、HF 和强碱溶液反应，③不正确；④水晶的成分是SiO 2，④不正确；⑤SiO 2用于制光导纤维而不是硅，⑤不正确。

核心素养
[例1] 解析：硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属；硅原子与碳原子最外层电子数相同，晶体结构相似，但硅晶体比金刚石的硬度小，熔点低；硅的化学性质不活泼，常温能与氟气、氢氟酸和NaOH 溶液等发生反应；加热至一定温度时，硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。

答案：C
[提升1] 解析：(1)生产普通玻璃的主要原料有纯碱、石英砂、石灰石。

(2)①二氧化硅与焦炭在高温下发生反应生成粗硅或碳化硅，化学方程式为SiO 2＋2C=====高温
Si ＋2CO↑、SiO 2＋3C=====高温
SiC ＋2CO↑。

②粗硅与氯化氢在250～300 ℃条件下反应生成SiHCl 3和氢气。

(3)还原炉内，氢气与SiHCl 3发生氧化还原反应，生成Si 和HCl ，化学方程式为SiHCl 3＋H 2=====高温
Si ＋3HCl 。

答案：(1)纯碱、石英砂、石灰石
(2)①SiO 2＋2C=====高温 Si ＋2CO↑、SiO 2＋3C=====高温
SiC ＋2CO↑ ②Si＋3HCl =====250～300 ℃
SiHCl 3＋H 2 (3)SiHCl 3＋H 2=====高温
Si ＋3HCl
[例2] 解析：BaCuSi 2O x 中，Ba 为＋2价，Cu 为＋2价，Si 为＋4价，O 为－2价，由化合价规则：(＋2)＋(＋2)＋2×(＋4)＋(－2)×x ＝0，得x ＝6，则用氧化物形式表示硅酸铜钡为BaO·CuO·2SiO 2，A 、D 项正确；由题干信息可知硅酸铜钡的性质稳定，不易脱色，故B 项正确，C 项错误。

答案：C
[提升2] 解析：在空气中燃烧生成D ，B 可能为Si ，B 和D 都能与NaOH 溶液反应生成A ，则A 为Na 2SiO 3，A 和盐酸反应生成C ，C 为H 2SiO 3，H 2SiO 3受热分解又生成SiO 2，证明B 为Si ，E 为CaSiO 3。

答案：(1)Na 2SiO 3 Si H 2SiO 3 SiO 2 CaSiO 3 (2)①Si＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑
②Si O 32−＋2H ＋
===H 2SiO 3↓ 学考评价
1．答案：C
2．解析：鎏金饰品是用金汞合金制成的金泥涂饰器物的表面，经过烘烤，汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺，其中不含硅酸盐，故A 项不符合题意；蒜头纹银盒中主要成分为金属银，其中不含硅酸盐，故B 项不符合题意；广彩瓷咖啡杯是由黏土等硅酸盐产品烧制而成，其主要成分为硅酸盐，故C 项符合题意；铜镀金钟座是铜和金等制得而成，其中不含硅酸盐，故D 项不符合题意。

3．解析：刚玉的主要成分是三氧化二铝，金刚石的成分是碳。

大理石、石灰石的主要成分都是碳酸钙；水泥、玻璃属于硅酸盐；沙子、石英的主要成分都是二氧化硅。

答案：A
4．解析：(1)生产水泥的主要原料是：石灰石和黏土；还需加入适量石膏调节水泥硬化速率；(2)光导纤维，其主要成分是SiO 2，具有良好的导光性，硅单质是半导体材料，常用于计算机芯片的材料和太阳能电池，乘务员使用的无线通话机的芯片材料是硅；(3)玻璃中含有二氧化硅，二氧化硅和氢氟酸反应生成四氟化硅和水，反应方程式为：SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O ；(4)向硅酸钠溶液中滴入稀盐酸，反应生成硅酸胶体，离子方程式：Si O 3
2−＋2H ＋
===H 2SiO 3(胶体)。

答案：(1)石灰石 石膏 (2)SiO 2 Si
(3)SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O
(4)Si O 32−＋2H ＋
===H 2SiO 3(胶体)
5．解析：B 项正确的化学方程式为CaCO 3＋SiO 2=====高温
CaSiO 3＋CO 2↑；C 项正确的化学方程式为SiO 2＋2C=====高温
2CO↑＋Si ；D 项水泥的主要成分是3CaO·SiO 2、2CaO·SiO 2、3CaO·Al 2O 3。

答案：A
6．解析：根据强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐分析可知，分液漏斗中盛装盐酸，A 中盛放Na 2CO 3，根据Na 2CO 3＋2HCl===2NaCl ＋H 2O ＋CO 2↑可以知道酸性HCl 强于H 2CO 3，然后将生成的CO 2通入Na 2SiO 3溶液中，反应为Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===H 2SiO 3↓＋Na 2CO 3，由此判断酸性H 2CO 3>H 2SiO 3，但需注意的是A 中反应会有HCl 气体逸出，故将CO 2通入Na 2SiO 3溶液前需将CO 2中的HCl 吸收，故可选用饱和NaHCO 3溶液。

答案：(1)盐酸 (2)饱和NaHCO 3溶液 吸收HCl 气体
(3)Na 2SiO 3溶液 Si O 32−＋CO 2＋H 2O===H 2SiO 3↓＋C O 32−
(4)HCl H 2CO 3 H 2SiO 3。