5.3.2新型無機(jī)非金屬材料高一下學(xué)期化學(xué)人教版

第三節(jié)無機(jī)非金屬材料第2課時(shí)

新型無機(jī)非金屬材料第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素1.了解并掌握晶體硅、SiO2的性質(zhì)，了解二者在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。2.了解新型無機(jī)非金屬材料在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)

新課導(dǎo)入

一些材料含碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無機(jī)非金屬材料突破了傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，一系列新型無機(jī)非金屬材料相繼問世。

高純度的含硅元素的材料：單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學(xué)和電學(xué)性能，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料。氮化硅陶瓷

新課導(dǎo)入新型無機(jī)非金屬材料具有的特性①承受高溫，強(qiáng)度高。

②具有光學(xué)特性。③具有電學(xué)特性。④具有生物功能。碳化硅金剛石切割片二氧化硅光導(dǎo)纖維硅芯片硅和二氧化硅硅元素在自然界中的存在硅是一種親氧元素硅是親氧元素，自然界中分布廣泛，沒有游離態(tài)，只有化合態(tài)。在自然界中主要以硅酸鹽(如地殼中的大多數(shù)礦物)和氧化物(如水晶、瑪瑙、石英砂)的形式存在在地殼中的含量位居第二，僅次于氧元素地殼中含量前五位的元素:氧、硅、鋁、鐵、鈣

硅元素處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質(zhì)的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。硅

高純硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和新能源技術(shù)等領(lǐng)域。利用其半導(dǎo)體性能可以制成計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器等的芯片，以及光伏電站、人造衛(wèi)星和電動汽車等的硅太陽能電池。硅單質(zhì)的類型硅晶體硅不定形硅為具有正四面體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體，與金剛石結(jié)構(gòu)相似并非所有的原子都與其它原子嚴(yán)格地按照正四面體排列(不穩(wěn)定性)硅物理性質(zhì)①灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體單晶硅粒高純硅片單晶硅粉單晶硅塊③晶體硅是良好的半導(dǎo)體②熔、沸點(diǎn)高、硬度大硅化學(xué)性質(zhì)(1)常溫下三反應(yīng)：(不活潑，只與F2、HF和強(qiáng)堿反應(yīng)）Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑(2)還原性：加熱(高溫)三反應(yīng)——與某些非金屬反應(yīng)Si+O2=SiO2Si+2Cl2=SiCl4（常溫下為液體）Si+C=SiC(金剛砂)高溫硅工業(yè)制備高純硅資料卡片——高純硅的制備工業(yè)上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，再以其為原料制備高純硅。例如，可以將粗硅轉(zhuǎn)化為三氯硅烷（SiHCl3），再經(jīng)氫氣還原得到高純硅。硅1100℃300℃石英砂焦炭粗硅高純硅HClH2SiHCl31800~2000℃①②③[思考]為何說制得的硅為粗硅？碳過量，碳與硅反應(yīng)生成的SiCSi的用途硅①良好的半導(dǎo)體材料

②太陽能電池

③計(jì)算機(jī)芯片計(jì)算機(jī)芯片集成電路晶體管太陽能電池

二氧化硅[思考]從硅在自然界中的存在，你能看出二氧化硅具有哪些物理性質(zhì)嗎？SiO2是一種難溶于水的非金屬氧化物，硬度大，熔點(diǎn)高天然的SiO2

結(jié)晶形（石英晶體）無定形——硅藻土水晶瑪瑙(硅石）[思考]從二氧化硅的物理性質(zhì)，結(jié)合硅在元素周期表中的位置，你能預(yù)測二氧化硅的空間結(jié)構(gòu)嗎？四面體結(jié)構(gòu)每1個(gè)Si原子周圍結(jié)合4個(gè)O原子，Si在中心，O在四個(gè)頂角二氧化硅中沒有單個(gè)分子，Si原子和O原子比例1:2，通常用SiO2來表示二氧化硅的組成。物理性質(zhì)：硬度大，熔點(diǎn)高，難溶于水

化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)穩(wěn)定性好二氧化硅

[思考]碳和硅位于同一主族，探究CO2和SiO2的化學(xué)性質(zhì)有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？返回導(dǎo)讀相同點(diǎn)——①酸性氧化物與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)：與堿性氧化物反應(yīng)：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O

硅酸鈉(粘合性）SiO2＋CaO=

CaSiO3高溫【注意】二氧化硅是硅酸的酸酐，但是二氧化硅不能與水反應(yīng)生成硅酸相同點(diǎn)——②弱氧化性SiO2+2C

=Si+2CO↑高溫二氧化硅

[思考]碳和硅位于同一主族，探究CO2和SiO2的化學(xué)性質(zhì)有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？返回導(dǎo)讀（在玻璃上雕花刻字）SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2OHF是唯一能與SiO2反應(yīng)的酸特性:實(shí)驗(yàn)室用塑料瓶盛裝氫氟酸，不用玻璃瓶二氧化硅二氧化碳

二氧化硅水堿堿性氧化物碳酸鹽不反應(yīng)CO2+CaO=

CaCO3不反應(yīng)CO2+H2O+Na2CO3

====

2NaHCO3

CO2+C====2COSiO2+CaO=====

CaSiO3高溫SiO2+Na2CO3

====Na2SiO3+CO2↑高溫SiO2+2C====

Si+2CO↑高溫CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+H2O=H2CO3SiO2+2NaOH====

Na2SiO3+H2OHF氧化性二氧化硅

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O

[思考]為什么實(shí)驗(yàn)室盛放堿溶液的試劑瓶使用橡膠塞，而不用玻璃塞？二氧化硅

普通玻璃的組成中含有較多的SiO2，NaOH能和SiO2反應(yīng)生成Na2SiO3，但此反應(yīng)在成型的玻璃表面進(jìn)行時(shí)很慢的，幾乎不會影響瓶子本身，所以可以用玻璃瓶。但如果用玻璃塞，當(dāng)水分蒸發(fā)后，Na2SiO3能使玻璃瓶與瓶塞牢固地粘連在一起，所以實(shí)驗(yàn)室中盛放氫氧化鈉溶液的試劑瓶都用橡膠塞或軟木塞。

[思考]加熱熔融NaOH時(shí)，不能使用陶瓷坩堝，石英坩堝和鋁坩堝，只能使用鐵坩堝，為什么？二氧化硅陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能與NaOH反應(yīng)，鋁坩堝的主要成分是Al2O3，也能與NaOH反應(yīng)。二氧化硅SiO2用途：①以二氧化硅為主要成分的沙子仍然是基本的建筑材料②純凈的SiO2是光學(xué)和光纖制品的基本原料③水晶、瑪瑙和石英可制作飾品和工藝品④水晶用來制造電子工業(yè)中的重要部件。新型無機(jī)非金屬材料新型陶瓷光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，在_____________________等方面具有很多新的特性和功能。常見新型陶瓷及其用途——高溫結(jié)構(gòu)陶瓷碳化硅(SiC)俗稱：結(jié)構(gòu)：由碳原子和硅原子通過_______連接而形成，與_______的結(jié)構(gòu)類似性能：具有硬度大和優(yōu)異的

性能應(yīng)用：用于火箭、汽車發(fā)動機(jī)和耐高溫材料金剛砂共價(jià)鍵金剛石高溫抗氧化新型無機(jī)非金屬材料常見新型陶瓷及其用途——透明陶瓷類別：氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷性能：具有優(yōu)異的光學(xué)性能，耐高溫，絕緣性好應(yīng)用：用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗常見新型陶瓷及其用途——超導(dǎo)陶瓷性能：在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導(dǎo)性應(yīng)用：主要用于電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域新型無機(jī)非金屬材料常見新型陶瓷及其用途——壓電陶瓷性能：能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化成分：主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等用途：可用于濾波器、揚(yáng)聲器、超聲波探傷器和點(diǎn)火器等。新型無機(jī)非金屬材料碳納米材料

碳納米材料是近年來人們十分關(guān)注的一類新型無機(jī)非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。富勒烯由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱如C50、C60、C70、C120等，其代表物是C60

性能：具有特殊的光學(xué)性質(zhì)、

電導(dǎo)性及化學(xué)性質(zhì)應(yīng)用：醫(yī)療，工業(yè)，科研等方面都得到了廣泛的應(yīng)用新型無機(jī)非金屬材料碳納米管由

卷成的管狀物，具有

尺度的直徑石墨片層納米性能：比表面積大，具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能應(yīng)用：可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等石墨烯是只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨性能：電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度應(yīng)用：應(yīng)用于光電器件、超級電容器、電池和復(fù)合材料等新型無機(jī)非金屬材料硅二氧化硅新型陶瓷碳納米材料應(yīng)用:芯片、太陽能電池是沙子、水晶、石英、瑪瑙的主要成分，可用于制光導(dǎo)纖維碳化硅（金剛砂）氮化硅壓電陶瓷透明陶瓷超導(dǎo)陶瓷Si3N4富勒烯碳納米管石墨烯新型無機(jī)非金屬材料(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)二氧化硅可制造光導(dǎo)纖維，用于導(dǎo)電。(

)(2)碳化硅和氮化硅是兩種新型材料。

()(3)富勒烯、碳納米管和石墨烯的主要成分都是碳單質(zhì)。

(4)硅是制備光導(dǎo)纖維和光電池的材料。

()×××()√√良好的導(dǎo)光性實(shí)戰(zhàn)演練1．在無機(jī)非金屬材料中，硅一直扮演著主要角色。下列說法錯(cuò)誤的是(

)A．“硅-石墨烯-鍺晶體管”為我國首創(chuàng)，鍺與硅均屬于半導(dǎo)體材料B．太陽能帆板的主要材料為硅C．芯片的主要成分是二氧化硅D．超導(dǎo)陶瓷可應(yīng)用于磁懸浮技術(shù)高溫超導(dǎo)性二氧化硅為絕緣體硅是良好的半導(dǎo)體，可以將光能轉(zhuǎn)化為電能C實(shí)戰(zhàn)演練2．下列關(guān)于硅及其化合物的敘述不正確的是()①二氧化硅是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)②硅是地殼中含量最多的非金屬元素③晶體硅具有金屬光澤，是良好的半導(dǎo)體材料，能制成光電池，可以導(dǎo)電，屬于金屬材料④二氧化硅是制造光導(dǎo)纖維的重要原料⑤SiO2分子是由兩個(gè)氧原子和一個(gè)硅原子組成的⑥SiO2是酸性氧化物，它可溶于水⑦常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所以自然界中的硅大部分以游離態(tài)存在A．②③⑤⑥⑦ B．①⑤⑥⑦C．③④⑤⑥

D．①③④AO它難溶于水硅是親氧元素，自然界中的硅都以化合態(tài)存在不含SiO2分子非金屬材料實(shí)戰(zhàn)演練3．當(dāng)航天飛機(jī)返回地球大氣層時(shí)，由于與空氣的劇烈摩擦，飛機(jī)尖端的溫度可達(dá)1000℃以上，為了防止高溫將其燒毀，科學(xué)家給航天飛機(jī)的相應(yīng)部位安裝了可靠的保護(hù)層。制作保護(hù)層的材料是(

)A．塑料

B．玻璃C．新型陶瓷

D．鎂鋁合金制作保護(hù)層的材料應(yīng)該具有硬度很大、具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能C實(shí)戰(zhàn)演練4．有關(guān)硅材料的說法正確的是(

)A．28Si、29Si、30Si是硅元素的不同核素B．金剛砂的主要成分是二氧化硅C．28g硅含有6.02×1023個(gè)電子D．光纖的主要成分是高純度的單質(zhì)硅A剛砂的主要成分為SiC二氧化硅實(shí)戰(zhàn)演練5．由粗SiO2制備純的SiO2流程如圖所示，下列說法不正確的是(

)A．SiO2可用于制造光導(dǎo)纖維B．步驟Ⅱ的反應(yīng)是Na2SiO3＋H2SO4=H2SiO3↓＋Na2SO4C．步驟Ⅱ中的稀硫酸可用通入CO2的水溶液替代D．工業(yè)上用焦炭還原石英砂可以制得含有少量雜質(zhì)的粗硅步驟Ⅰ所加的氫氧化鈉溶液是過量的，故進(jìn)行步驟Ⅱ時(shí)，通入CO2，會被NaOH吸收生成碳酸鈉或碳酸氫鈉，會造成酸性不足，不能生成足量的硅酸而產(chǎn)率降低C(1)若B是氣態(tài)氫化物。C、D是氧化物且會造成光化學(xué)煙霧污染。寫出③反應(yīng)的化學(xué)方程式：__________________________________________。(2)若D物質(zhì)具有兩性，②③反應(yīng)均要用強(qiáng)堿溶液，④反應(yīng)是通入過量的一種引起溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w。寫出④反應(yīng)離子方程式：__________________________。NH3NON2NO2CO2[Al(OH)4]-+CO2(過量)=Al(OH)3↓+HCO3-Al(OH)3AlAl2O3[Al(OH)4]-(3)若A是太陽能電池用的光伏材料。C、D為鈉鹽，兩種物質(zhì)中除鈉、氧外的元素均為同一主族，且溶液均顯堿性。寫出②反應(yīng)的化學(xué)