2020-2021学年高二化学新教材人教版必修第二册教师用书：第 2 课时 新型无机非金属材料

2020-2021学年高二化学新教材人教版必修第二册教师用书：第 2 课时 新型无机非金属材料

www.ks5u.com 第2课时　新型无机非金属材料 ‎ 课前自主预习 ‎ 一、硅 ‎1．物理性质 晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。‎ ‎2．化学性质 ‎(1)稳定性：常温下硅的化学性质不活泼，只能与氟气(F2)、氢氟酸(HF)和强碱溶液反应。化学方程式分别为：Si＋‎2F2===SiF4，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。‎ ‎(2)还原性：在加热条件下，硅能与一些非金属单质发生反应：‎ Si＋2Cl2SiCl4，Si＋O2SiO2，Si＋CSiC。‎ ‎3．工业制法 ‎(1)制粗硅：SiO2＋‎2CSi(粗)＋2CO↑；‎ ‎(2)粗硅提纯：Si＋3HClSiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2Si＋3HCl。‎ ‎4．用途 ‎(1)用做半导体材料，制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件。‎ ‎(2)制合金，如含硅4%的钢可制成变压器的铁芯，含硅15%的钢可制造耐酸设备等。‎ ‎(3)制造光电池，将光能直接转换为电能。‎ 二、二氧化硅 ‎1．硅元素的存在 ‎(1)存在 在地壳中硅的含量为26.3%，仅次于氧；主要以氧化物及硅酸盐的形式存在，因为硅是一种亲氧元素。‎ ‎(2)原子结构 硅原子的原子结构示意图最外层有4个电子，反应中既不易失去电子也不易得到电子，能形成＋4价的化合物。‎ ‎2．二氧化硅 ‎(1)存在 SiO2的存在形态有结晶形和无定形两大类，水晶、玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。‎ ‎(2)结构 SiO2晶体是由Si和O按原子数之比为12的比例组成的立体网状结构的晶体。每个硅原子周围结合4个O原子，每个O周围结合2个Si原子。‎ ‎(3)物理性质 熔点高；硬度大；溶解性：不溶于水。‎ ‎(4)化学性质 ‎ ‎ ‎(5)用途 ‎①沙子是基本的建筑材料。‎ ‎②纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。‎ ‎③石英和玛瑙制作饰物和工艺品。‎ ‎④实验室中使用石英坩埚。‎ 三、新型陶瓷和碳纳米材料 ‎1．新型陶瓷 ‎(1)新型陶瓷在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。‎ ‎(2)碳化硅(如SiC)俗称金刚砂，其中的碳原子和硅原子通过共价键连接具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，可作耐高温结构材料，耐高温半导体材料等。‎ ‎2．碳纳米材料 ‎(1)碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源信息、医药等领域有着广阔的应用前景。‎ ‎(2)富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。‎ ‎3．碳纳米管可以看成是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电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器。‎ ‎4．石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低，热导率高。石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。‎ ‎ 课堂互动探究 ‎ ‎ 硅的制备方法 ‎1．工业制备纯硅的基本流程及方程式：‎ ‎ ‎ ‎(1)SiO2＋‎2CSi(粗)＋2CO↑‎ ‎(2)Si(粗)＋2Cl2SiCl4，Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2‎ ‎(3)SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl，‎ SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl。‎ ‎2．实验室制硅：‎ ‎(1)将细砂(SiO2)和镁粉混合加热，制得粗硅：SiO2＋2Mg2MgO＋Si(粗)；‎ ‎(2)制得的粗硅中往往含有镁、氧化镁，可以用盐酸除去：Mg＋2HCl===MgCl2＋H2↑，MgO＋2HCl===MgCl2＋H2O；‎ ‎(3)过滤，滤渣即为纯硅。‎ ‎ 二氧化硅与二氧化碳的比较 ‎ 硅及其化合物的特殊性质 ‎ 典例题组训练 ‎ 题组一　　　粗硅的制备和提纯 ‎1．硅单质及其化合物应用范围广。请回答下列问题：‎ ‎(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯度硅。三氯硅烷(SiHCl3，可燃)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程如图所示：‎ ‎①由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式为SiHCl3＋H2 Si(纯)＋3HCl。‎ ‎②整个制备过程中必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇H2O剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出发生反应的化学方程式SiHCl3＋3H2O===H2SiO3(胶体)＋3HCl↑＋H2↑。H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能造成的后果是O2与SiHCl3、H2混合引起爆炸。‎ ‎(2)光伏产业需二氧化硅作为原料生成晶体硅，下列说法正确的是C(填字母)。‎ A．利用二氧化硅可开发导电材料 B．芯片的主要成分是二氧化硅 C．二氧化硅与氧化钙的反应产物为玻璃的主要成分之一 D．二氧化硅能与水反应生成硅酸 解析：(1)①反应物为SiHCl3、H2，生成物为Si(纯)、HCl：SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl。②SiHCl3和H2O发生氧化还原反应生成H2：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3(胶体)＋3HCl↑＋H2↑。因SiHCl3、H2在O2中都能燃烧，所以混有O2时可能引起爆炸。(2)SiO2不导电，不可能利用SiO2开发导电材料；芯片的主要成分是晶体硅；SiO2与CaO在高温下发生反应生成CaSiO3，CaSiO3为玻璃的主要成分之一；SiO2不溶于水，也不与H2O反应。‎ 题组二　　硅、二氧化硅 ‎2．(双选)下列关于硅的说法错误的是(　CD　)‎ A．硅是非金属，但它的单质是灰黑色且有金属光泽的固体 B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料 C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应 D．当加热到一定温度时，硅能与氧气、氯气、稀H2SO4等反应 解析：硅是一种具有金属光泽的灰黑色固体，A项正确；硅是良好的半导体材料，B项正确；硅在常温下可与氟气、强碱溶液反应，C项错误；在加热时，硅与氧气、氯气等反应，但不能与稀硫酸反应，D项错误。‎ ‎3．下列说法正确的是(　D　)‎ A．硅的氧化物及硅酸盐是构成地壳的主要物质，硅是地壳中含量最多的非金属元素 B．硅和碳都是不活泼非金属，在自然界中大多以游离态的形式存在 C．碳和硅为同主族元素，所以它们的单质、氧化物均有相似的组成和结构 D．硅是构成岩石及矿物的基本元素 解析：地壳中含量最多的非金属元素是氧元素，A项错误；自然界中不存在游离态的硅，B项错误；CO2与SiO2的组成结构不同，C项错误。‎ ‎4．(双选)下列关于二氧化硅的叙述不正确的是(　CD　)‎ A．导电性很差 B．能与强碱反应，但不能与水反应 C．SiO2的物理性质与CO2的类似 D．既不是酸性氧化物，也不是碱性氧化物 解析：SiO2与CO2的物理性质差异很大；虽然SiO2不能与水反应生成酸，但它仍然是酸性氧化物，是H2SiO3的酸酐。‎ ‎5．下列说法不正确的是(　C　)‎ A．SiO2不溶于水，也不能跟水反应生成硅酸 B．将CO2通入Na2SiO3溶液中可制得硅酸 C．SiO2是酸性氧化物，它不溶于任何酸 D．SiO2晶体中不存在单个的SiO2分子 解析：SiO2不溶于水，也不能与水反应生成H2SiO3，H2SiO3是利用可溶性硅酸盐与其他酸反应制得的；SiO2虽然是酸性氧化物，但它可以与氢氟酸发生反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，氢氟酸用于刻蚀玻璃就是利用了SiO2的这一性质；SiO2晶体是一种空间立体网状结构的晶体，不存在单个的SiO2分子。‎ ‎6．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。‎ 请回答下列问题：‎ ‎(1)下列物质不属于硅酸盐的是D(填标号)。‎ A．陶瓷 B．玻璃 C．水泥 D．生石灰 ‎(2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，工艺师常用氢氟酸(填物质名称)来雕刻玻璃。‎ ‎(3)用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作阻燃剂，Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是D(填标号)。‎ A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚 C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚 ‎(4)工业上常用‎2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中有元素化合价升高的物质是C(填化学式，下同)，氧化剂是SiO2。‎ 解析：(1)陶瓷、玻璃、水泥都属于硅酸盐，生石灰是氧化钙，不属于硅酸盐。(2)二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2‎ O；氢氟酸能够与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，可用来雕刻玻璃。(3)硅酸钠不能燃烧，可以用作阻燃剂；普通玻璃坩埚、石英坩埚都含有二氧化硅，能够与纯碱发生反应，氧化铝与纯碱也能够发生反应，所以高温熔融纯碱时应选用铁坩埚。(4)该反应中SiO2作氧化剂，C作还原剂。‎ ‎(1)要清楚含硅材料的成分是硅单质、二氧化硅还是硅酸盐。如：‎ 硅 计算机芯片、太阳能电池(光电池)等 二氧化硅 水晶镜片、玛瑙饰物、光导纤维等 硅酸盐 陶瓷、水泥、玻璃等 ‎(2)熔融烧碱、纯碱等固体时，不能选用瓷坩埚，因为陶瓷中含SiO2，会与NaOH、Na2CO3发生反应。同理，也不能用玻璃坩埚、石英坩埚等，但可以使用铁坩埚。‎ 题组三　　新型无机非金属材料 ‎7．(双选)碳及其化合物与科学、技术、社会、环境密切相关。下列有关说法中正确的是(　BC　)‎ A．‎12C、‎13C、‎14C、C60、石墨烯、金刚石都是碳的同素异形体，用途广泛 B．用二氧化碳合成可降解的聚碳酸酯塑料，可以实现“碳”的循环利用 C．石墨烯和碳纤维都是新型无机非金属材料 D．碳纳米管是一种有机合成纤维，其比表面积大，可用作新型储氢材料 解析：A项，‎12C、‎13C、‎14C都是碳元素的三种核素，不是同素异形体，A错误。B项，CO2合成可降解的聚碳酸酯塑料，所以能实现碳的循环利用，故B正确。C项，石墨烯、碳纤维都是碳的同素异形体，是无机非金属材料，故C正确。D项，碳纳米管是碳的同素异形体，是无机非金属材料，不是有机合成纤维，故D错误，故选B、C。‎ ‎8．平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了－‎‎20 ℃‎ 时能发热4 h的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高‎2.35 m、重量仅为‎10 kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。下列说法不正确的是(　A　)‎ A．石墨烯是能导热的金属材料 B．铝合金是密度较低的金属材料 C．碳纤维是耐低温的无机非金属材料 D．新型材料种类多、用途广 解析：A项，石墨烯是碳的一种单质，属于无机非金属材料，故A错误；B项，铝合金的密度小，硬度大，属于金属材料，故B正确；C项，碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，属于无机非金属材料，故C正确。D项，人们依据生产生活的需要研制出很多种用途不同的新型材料，如功能新型材料，新的合金材料等，故D正确，故选A。‎ ‎ 核心素养 ‎ ‎　新型无机非金属材料 材料类别 主要特性 示例 用途 高温结 构陶瓷 能承受高 温，强度高 氮化硅 陶瓷 汽轮机叶片、轴承、永久性模具等 半导体 陶瓷 具有电学特性 二氧化 锡陶瓷 集成电路中的半导体 光学材料 具有光学特性 光导纤维 光缆通讯、医疗、照明等 生物陶瓷 具有生物功能 氧化铝 陶瓷 人造骨骼、人造关节、接骨螺钉 ‎【例1】　(双选)硅及其化合物的应用范围很广。下列说法错误的是(　　)‎ A．二氧化硅是将太阳能转换为电能的常用材料 B．氮化硅陶瓷能承受高温、高压，所以用于制造汽轮机叶片、轴承等 C．碳化硅硬度大、又称“金刚砂”用于制作砂纸、砂轮 D．二氧化硅为立体网状结构其中硅原子与硅氧键数目比为12‎ ‎【解析】　硅单质是将太阳能转换为电能的常用材料，A错误；二氧化硅是由硅氧原子通过共价键形成的立体网状结构，每个硅原子连结四个氧原子，每个氧原子连结两个硅原子，所以硅原子与硅氧键数目比应为14，D错误。‎ ‎【答案】　AD ‎【例2】　材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是(　　)‎ 选项 材料 主要化学成分 A 光导纤维 二氧化硅 B 半导体材料 硅 C 普通水泥、普通玻璃 硅酸盐 D 沙子、石英 硅 ‎【解析】　光导纤维的主要成分为二氧化硅，A正确；半导体材料可以是硅晶体，B正确；水泥成分为硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙，普通玻璃的主要成分为二氧化硅、硅酸钙和硅酸钠，普通水泥、普通玻璃的主要成分为硅酸盐，C正确；沙子、石英的主要成分为二氧化硅，不是硅，D错误。‎ ‎【答案】　D ‎ ‎