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课件新人教版必修第二册 32页

第三节　无机非金属材料 知识铺垫 新知预习 自主测试 1 . 金属材料包括 纯金属 和 它们的合金 。日常使用的金属材料大多数属于 合金 。 2 . 碳、硅的核电荷数分别是 6 和 14 , 其原子结构示意图分别为 3 .CO 2 是一种 酸性 氧化物 , 它和足量 NaOH 溶液反应的化学方程式为 2NaOH+CO 2 === Na 2 CO 3 +H 2 O 。 4 . 地壳中含量最多的两种元素是 O 、 Si , 二者形成的化合物为 SiO 2 , 对应的酸为 H 2 SiO 3 。 知识铺垫 新知预习 自主测试 一、硅酸盐材料 1 . 无机非金属材料 (1) 组成元素 : 多含 硅、氧 等元素。 (2) 性能 : 一般具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点 , 以及特殊的光学、电学等性能。 (3) 应用 : 广泛应用于航空、航天、信息、医疗和新能源等领域。 知识铺垫 新知预习 自主测试 2 . 传统无机非金属材料 ( 多为硅酸盐材料 ) (1) 硅酸盐的结构与性能 ① 硅酸盐的结构 : 在硅酸盐中 ,Si 和 O 构成了硅氧 四面体 , 如下图所示。 硅氧四面体的结构示意图 ② 硅酸盐材料的性质 : 多数具有硬度 高 、熔点 高 、 难 溶于水、化学性质 稳定 、 耐腐蚀 等特点。 知识铺垫 新知预习 自主测试 (2) 三种常见硅酸盐产品 知识铺垫 新知预习 自主测试 【微思考】 生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂 ( 主要成分为 SiO 2 ), 而玻璃的主要成分是 Na 2 SiO 3 、 CaSiO 3 和 SiO 2 , 那么在生产过程中发生了怎样的反应 ? 试写出反应的化学方程式。 知识铺垫 新知预习 自主测试 (3) 特种玻璃 知识铺垫 新知预习 自主测试 二、新型无机非金属材料 1 . 硅和二氧化硅 (1) 单质硅的性质 硅单质的导电性介于 导体和绝缘体 之间 , 是应用最为广泛的 半导体 材料。 (2) 自然界中的硅元素 主要以 硅酸盐 ( 如地壳中的大多数矿物 ) 和氧化物 ( 如 水晶 、 玛瑙 ) 的形式存在。 知识铺垫 新知预习 自主测试 (3) 晶体硅的制备 知识铺垫 新知预习 自主测试 (4) 硅和二氧化硅的用途 ① 晶体硅 : 制 芯片 、 硅太阳能电池 等。 ② 二氧化硅晶体 : 生产 光导纤维 。 2 . 新型陶瓷 (1) 碳化硅 (SiC, 俗称 金刚砂 ) ① 结构 : 碳原子和硅原子通过 共价键 连接 , 具有类似 金刚石 的结构。 ② 性质和用途 : 知识铺垫 新知预习 自主测试 (2) 新型陶瓷 知识铺垫 新知预习 自主测试 知识铺垫 新知预习 自主测试 3 . 碳纳米材料 知识铺垫 新知预习 自主测试 知识铺垫 新知预习 自主测试 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) 硅酸盐中 ,Si 与其周围距离最近的 4 个 O 构成正四面体结构。 ( 　　 ) (3) 利用石英坩埚可熔融 NaOH 固体。 ( 　　 ) (4) 水泥、玻璃、陶瓷都属于传统的无机非金属材料。 ( 　　 ) (5) 富勒烯、碳纳米管和石墨烯的主要成分都是碳单质。 ( 　　 ) (6) 硅是制备光导纤维和光电池的材料。 ( 　　 ) (7) 汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的瓷器 , 其主要原料为黏土。 ( 　　 ) 答案 : (1)× 　 (2) √ 　 (3)× 　 (4) √ 　 (5) √ 　 (6)× (7) √ 知识铺垫 新知预习 自主测试 2 . 下列物质中 , 属于新型无机非金属材料的是 ( 　　 ) A. 有色玻璃 B. 碳化硅陶瓷 C. 石英玻璃 D. 钢化玻璃 答案 : B 解析 : 有色玻璃、钢化玻璃主要成分与普通玻璃相同 , 属于传统无机非金属材料 ; 石英玻璃主要成分是二氧化硅 , 也属于传统无机非金属材料。 知识铺垫 新知预习 自主测试 3 . 有关材料用途的说法中不正确的是 ( 　　 ) A. 氧化铝陶瓷可用作高压钠灯的灯管 B. 氮化硅陶瓷可用作陶瓷发动机的材料 C. 光导纤维可用作遥测遥控、照明等 D. 氧化铝陶瓷可用作半导体材料 答案 : D 解析 : 氧化铝陶瓷属于高温结构陶瓷 , 它具有高熔点、高硬度等特性 , 可制成透明陶瓷 , 但不能作为半导体材料 ,A 项正确、 D 项错误 ; 氮化硅陶瓷具有超强硬度、耐磨损、抗冷热冲击而不破裂、耐高温、不易传热、抗腐蚀、高温时抗氧化等特性 , 可用作发动机材料 ,B 项正确 ; 光导纤维传导光的能力非常强 , 可用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等 ,C 项正确。 任务 素养脉络 晶体硅的制备 问题探究 硅是带来人类文明的重要元素之一 , 从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。 随堂检测 任务 素养脉络 (2) 工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅 : ② 整个制备过程中必须严格控制无水无氧。 SiHCl 3 遇水剧烈反应生成 H 2 SiO 3 、 HCl 和另一种物质 , 写出该反应的化学方程式 : SiHCl 3 +3H 2 O === H 2 SiO 3 ↓+3HCl+H 2 ↑ 。 随堂检测 任务 素养脉络 素能应用 典例 在无机非金属材料中 , 硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下 : ① 高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅 ; ② 粗硅与干燥的 HCl 气体反应制得 SiHCl 3 : ③ SiHCl 3 与过量 H 2 在 1 000~1 100 ℃ 反应制得纯硅。 随堂检测 任务 素养脉络 请回答下列问题 : (1) 第 ① 步制备粗硅反应的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。   (2) 粗硅与 HCl 反应完全后 , 经冷凝得到的 SiHCl 3 ( 沸点 33.0 ℃ ) 中含有少量 SiCl 4 ( 沸点 57.6 ℃ ) 和 HCl( 沸点 -84.7 ℃ ), 提纯 SiHCl 3 采用的方法为 　　　　　 。   (3) 从基本反应类型角度分类 , 步骤 ③ 中发生的反应属于 　　　　　　　　 。   (4) 为鉴定产品硅中是否含微量铁单质 , 将试样用稀盐酸溶解 , 取上层清液后需再加入的试剂是 　　　　 ( 填写字母代号 ) 。   A. 氯水 B.NaOH 溶液 C.KSCN 溶液 D.Na 2 SO 3 溶液 随堂检测 任务 素养脉络 答案 : (1)SiO 2 +2C Si+2CO↑ (2) 蒸馏 ( 或分馏 ) (3) 置换反应 (4)AC 解析 : (1) 高温下用碳还原二氧化硅可制得粗硅 , 同时生成一氧化碳。 (2) 分离沸点不同的液体应用蒸馏 ( 或分馏 ) 的方法。 (3) 步骤 ③ 中发生反应的化学方程式为 SiHCl 3 +H 2 Si+3HCl, 属于置换反应。 (4) 鉴定产品中是否含铁单质 , 用稀盐酸溶解后生成 Fe 2+ , 因含量少 , 应将 Fe 2+ 转化为 Fe 3+ 后再检验 , 故选 AC 。 随堂检测 任务 素养脉络 变式训练 已知 :SiHCl 3 与过量 H 2 在 1 000~1 100 ℃ 反应制得高纯硅 , 且 SiHCl 3 能与水剧烈反应 , 在空气中易自燃。用 SiHCl 3 与过量 H 2 反应制备纯硅的装置如图所示 ( 热源及夹持装置均已略去 ): 随堂检测 任务 素养脉络 请回答下列问题 : (1) 装置 B 中的试剂是 　　　　　　 , 装置 C 中的烧瓶需要加热 , 其目的是 　   　 。   (2) 反应一段时间后 , 装置 D 中观察到的现象是 　　　　　　　　 , 装置 D 不能采用普通玻璃管的原因是 　　　　　　　　 , 装置 D 中发生反应的化学方程式为 　 。   (3) 为保证制备纯硅实验的成功 , 操作的关键是检查实验装置的气密性 , 控制好反应温度以及 　　　　　　 。   随堂检测 任务 素养脉络 解析 : 用 Zn 、稀硫酸反应制得的 H 2 会混有少量 H 2 O, 而 SiHCl 3 能与 H 2 O 发生剧烈反应 , 所以要进行干燥 , 根据装置应选择液态干燥剂浓硫酸。装置 C 用水浴加热 , 使 SiHCl 3 汽化 , 再和 H 2 进入装置 D 反应 , 因为 SiHCl 3 与 H 2 在 1 000~1 100 ℃ 下反应 , 温度很高 , 普通玻璃会软化 , 因此不能使用普通玻璃管。因为 SiHCl 3 在空气中易自燃 , 实验中还要注意先通一段时间的 H 2 以排尽装置中的空气。 答案 : (1) 浓硫酸　使滴入烧瓶中的 SiHCl 3 汽化 (3) 排尽装置中的空气 随堂检测 任务 素养脉络 随堂检测 任务 素养脉络 随堂检测 1 . 新型无机非金属材料碳化钛 (TiC) 、碳化硼 (B 4 C 3 ) 、氮化硅等称为非氧化物陶瓷 , 合成这些物质需在高温下进行 , 在合成工艺中必须注意 ( 　　 ) A. 通入充足的氧气 B. 可在空气中进行 C. 可在氮气氛围中合成 D. 通入少量氧气 答案 : C 解析 : 合成这些无机非金属材料的过程中应杜绝氧气的存在 , 否则会生成相应的氧化物。 任务 素养脉络 随堂检测 2 .( 双选 ) 硅被誉为无机非金属材料的主角。有科学家提出硅是 “21 世纪的能源 ”“ 未来的石油 ” 。下列有关说法正确的是 ( 　　 ) A. 硅的含量居第二位 , 在地球上有丰富的单质硅资源 , 如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅 B. 硅相对于氢气而言便于运输、贮存 , 从安全角度考虑 , 硅是有开发价值的燃料 C. 存放 NaOH 溶液的试剂瓶不能用玻璃塞 D. 硅是一种良好的半导体材料 , 所以是制造光导纤维的基本原料 答案 : BC 任务 素养脉络 随堂检测 3 . 单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。用化学方法可制得高纯度硅 , 其化学方程式为 : 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 答案 : D 解析 : 反应 ①③ 中硅元素被还原 , 反应 ② 中硅元素被氧化 ,D 错误。 任务 素养脉络 随堂检测 4 . 氮化硅是一种高温结构陶瓷 , 它的硬度大、熔点高、化学性质稳定 , 工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在 1 300 ℃ 时反应获得。 (1) 根据性质 , 推测氮化硅陶瓷的用途是 　　　　　　 ( 填序号 ) 。   ① 制汽轮机叶片　 ② 航空航天耐高温材料　 ③ 制永久性模具　 ④ 汽车发动机 (2) 画出 N 的原子结构示意图 : 　　　　　　　　　　　　　 , 写出氮化硅的化学式 : 　　　　　　 。   (3) 高纯硅与纯氮气反应制得氮化硅 , 请写出反应的化学方程式 : 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。 任务 素养脉络 随堂检测 答案 : (1) ①②③④ 解析 : 从题给信息可知 , 氮化硅具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。由于在化合物中 Si 元素显 +4 价 ,N 元素显 -3 价 , 故氮化硅的化学式为 Si 3 N 4 。