高中必修第二册《第三节 无机非金属材料》优质课教案教学设计

专题03 无机非金属材料

【知识导图】

【目标导航】

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。

本专题在各种考试中主要考查无机非金属材料的相关知识，包括硅及其化合物的性质、用途、制备以及传统及新型无机非金属材料的特点和用途，主要以选择题的形式出现。

【重难点精讲】

一、硅单质

1.存在

硅单质主要有晶体和无定形两大类。

2.物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。

3.化学性质

(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。反应的化学方程式分别为：

与氟：Si＋2F2===SiF4；

与氢氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；

与碱：Si ＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑。

(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为Si ＋O 2=====△

SiO 2。

4、主要应用：半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池

5、高纯硅的制备

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 二、二氧化硅 1.存在

自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO 2有晶体和无定形两种，统称硅石。 2.物理性质

熔点高，硬度大，难溶于水。 3.结构

SiO 2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO 2晶体中Si 和O 的比例为1∶2。

4.化学性质

SiO 2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。

(1)SiO 2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O 。

(2)在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为SiO 2＋CaCO 3=====高温

CaSiO 3＋CO 2↑。

(3)在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO 2＋CaO=====高温CaSiO 3。

(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O 。 5、主要应用：光导纤维 三、硅酸、硅酸盐 1.硅酸 (1)物理性质

硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。 (2)化学性质

①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH 溶液反应的化学方程式为H 2SiO 3＋2NaOH===Na 2SiO 3＋2H 2O 。 ②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为 H 2SiO 3=====△

SiO 2＋H 2O 。

(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na 2SiO 3溶液与盐酸反应：Na 2SiO 3＋2HCl===2NaCl ＋H 2SiO 3(胶体)。

(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。 2.硅酸盐

(1)硅酸盐的结构、特点

硅氧四面体

(2)(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。 四、无机非金属材料

1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。 (1)常见硅酸盐材料比较

(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑。

2.新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。

(1)新型陶瓷

1．氢氟酸能腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，因为SiO 2与碱溶液反应生成具有黏性的Na 2SiO 3。

2．不能依据反应2C ＋SiO 2=====高温

Si ＋2CO↑来说明C 的还原性比Si 强，也不能依据反应SiO 2＋Na 2CO 3=====高温

Na 2SiO 3＋CO 2↑来说明SiO 2水化物的酸性比H 2CO 3强。此类反应能进行的原因是因为在高温条件下，生成物中的气体从反应体系中逸出，有利于反应向右进行。

3．SiO 2虽然能与NaOH 溶液、HF 溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应。

4．C 与SiO 2反应的产物是CO 不是CO 2。

5．不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光导纤维的是SiO 2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。

【典题精练】

考点1、考查硅及其化合物的性质

1．下列叙述中正确的是( )

A ．因为Na 2CO 3＋SiO 2=====高温

Na 2SiO 3＋CO 2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强 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质相似

C ．二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸，所以二氧化硅是两性氧化物

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应生成硅酸 名师归纳：硅及其化合物性质“反常”小结

(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。

(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。 (3)Si 的还原性强于C ，但C 在高温下能还原出Si ：SiO 2＋2C=====高温

Si ＋2CO↑。

(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si ＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑。

(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑。 (6)一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O(SiF 4不属于盐，故SiO 2不是两性氧化物)。 (7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。

(8)一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐―→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。

因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na 2SiO 3＋H 2O ＋CO 2===Na 2CO 3＋H 2SiO 3(胶体)。

但在高温下，可发生反应Na 2CO 3＋SiO 2=====高温

Na 2SiO 3＋CO 2↑(CO 2离开反应体系促进反应的正向进行)。

(9)一般情况下，金属(Na 、K)能置换出水中的氢，但C 在高温下也能置换出H 2O 中的氢：C ＋H 2O(g)=====高温

H 2＋CO 。

(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。

考点2、考查硅及其化合物的用途

例2、硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是( ) A.水晶项链是硅酸盐制品 B.硅单质广泛用于光纤通讯 C.利用盐酸刻蚀石英制作艺术品

D.水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料

名师归纳：(1)传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，经过高温发生复杂的物理、化学变化制成，产品都为硅酸盐。(2)生产中采用不同的原料和工艺，也可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，利用含有铅的原料可制得光学玻璃；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻