1、第三节第三节 无机非金属材料无机非金属材料 学业要求 核心素养建构 1.知道传统的无机非金属材料陶瓷、玻璃、 水泥的制备原料、成分及其主要应用。 2.结合具体实例了解新型无机非金属材料的 结构特点、性能及其主要应用。 3.了解制备高纯度硅的化学原理。 4.能从材料组成的角度对生活中常见的材料 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。 知识梳理 一、硅酸盐材料 传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，通常包括陶瓷、玻璃和水泥三种。 陶瓷 玻璃 水泥 原料 黏土 纯碱、石灰石、石英砂 石灰石、黏土及其他辅 料 设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑 成分 普通玻璃：N
2、a2SiO3、 CaSiO3、SiO2 性能 耐高温、硬度高、抗腐蚀、难溶于水、化学性质稳定等特点 应用 生产建筑材料、绝缘材 料、日用器皿和卫生洁 具等 生产建筑材料、光学仪 器和各种器皿，制造玻 璃纤维、用于高强度复 合材料等 大量用于建筑和水利 工程 微自测 1.下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是( ) A.水泥具有水硬性 B.玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英 C.玻璃有固定的熔沸点 D.陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品 解析 A.水泥具有水硬性， 水泥遇水后， 能在水中硬化并继续增长其强度的性质， 跟水作用形成胶状物并成固体，水硬性最能代表水泥性质，故 A 正确；B.生产 玻璃的原料是纯碱
3、、石灰石和石英，故 B 正确；C.玻璃是混合物，一般混合物都 没有固定的熔沸点，故 C 错误；D.陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品，故 D 正 确。 答案 C 二、新型无机非金属材料 1.硅的存在及高纯硅的制备 (1)存在 周期表中位置：位于元素周期表第三周期、第A 族的硅元素，正好处于金属 与非金属的过渡位置。 自然界存在：硅是一种亲氧元素，在被氧气气氛包围的地球上，主要以硅酸盐 和氧化物等化合物的形式存在，没有游离态的单质硅，单质硅可以通过人工方法 制得。 (2)高纯硅的制备 其中涉及的主要化学反应为： SiO22C= 1_8002_000_Si2CO Si3HCl = 300_SiHCl
4、3H2 SiHCl3H2= 1_100_Si3HCl 微自测 2.即将“5G”网络的普及将会大大提升信息传递的速度， 信息产业的飞速发展离不 开材料科学的推动，信息产业的核心材料是高纯度的硅。制备硅单质时，主要化 学反应如下： SiO2(石英砂)2C(焦炭)= 高温 Si(粗硅)2CO； Si(粗硅)2Cl2= 高温 SiCl4； SiCl42H2= 高温 Si(纯硅)4HCl。 下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是( ) A.为置换反应 B.均为氧化还原反应 C.为化合反应 D.三个反应的反应物中硅元素均被还原 解析 均为氧化还原反应，反应中硅元素被氧化，、反应中硅元素 均被还原。 答案
5、D 2.几种新型无机非金属材料 (1)硅和二氧化硅 高纯硅 性能 半导体 应用 制造芯片和硅太阳能电池。 二氧化硅 性能 通信容量大、抗干扰性好、通信效率高 应用 光导纤维。 (2)新型陶瓷 新型 材料 成分 性能 主要应用 金刚 砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧 化 磨料、耐高温结构材 料、耐高温半导体材料 高温 结构 陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属 氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐 蚀 用于火箭发动机、汽车 发动机和高温电极材 料等 压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能 的相互转化 用于滤波器、扬声器、 超声波探伤器和点火 器等 透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明 陶瓷；氮化铝
6、、氟化钙 具有优异的光学性能、 耐高温、绝缘性好 用于高压钠灯、激光 器、高温探测窗等 等非氧化物透明陶瓷 超导 陶瓷 临界温度下具有超导 性 用于电力、交通、医疗 等领域 (3)碳纳米材料 新型 材料 结构特点 主要性能 主要应用 富勒 烯 碳原子构成的一系列 笼形分子 工业材料，应用于电化 学，催化剂，化妆品， 抗癌药物等 碳纳 米管 石墨片层卷成的直径 纳米级的管状物 比表面积大，具有高的 强度和优良的电学性 能 生产复合材料、电池和 传感器等 石墨 烯 一个碳原子直径厚度 的单层石墨 电阻率低、热导率高、 具有很高的强度 应用于光电器件、超级 电容器、电池和复合材 料等方面 微自测 3
7、.20 世纪 80 年代后，人们发现和证实碳的另一类单质，它们是由一系列偶数个 碳原子组成的分子，其中 C60(足球烯，分子中含有 30 个双键)最具代表性。下图 所示为 n 个 C60 连接而成的物质 X。下列有关说法不正确的是( ) A.X 难溶于水 B.X 的熔点比金刚石高 C.X 是碳的一种同素异形体 D.X 的相对分子质量为 720n 解析 X 的熔点比金刚石低。 答案 B 探究一 硅及其化合物的特性和制备 从高纯硅的制备提升探究意识 探究素材 工业制备高纯硅的原理示意图： 探究题目 1.高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它的发现和使 用曾引起计算机的一场“革命
8、”。它可以按下列方法制备： SiO2 C 高温 Si(粗) HCl 300 SiHCl3 过量H2 1 0001 100 Si(纯) 下列说法正确的是( ) A.步骤的化学方程式为 SiO2C= 高温 SiCO2 B.步骤中每生成或反应 1 mol Si，转移 4 mol 电子 C.二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应 D.SiHCl3(沸点 33.0 )中含有少量的 SiCl4(沸点 67.6 )，通过蒸馏(或分馏)可提 纯 SiHCl3 解析 A 项，产物应为 CO，错误；B 项，第、步中转移 2 mol 电子，错误； C 项，硅可与氢氟酸反应生成四氟化硅和氢气，错误；D 项，根据
9、物质的沸点不 同可用蒸馏的方法进行分离，正确。 答案 D 从拓展硅的性质提高科学认知能力 探究素材 硅单质的化学性质 1.在常温下，能与 F2、氢氟酸和强碱溶液反应 (1)与氟气反应：Si2F2=SiF4 (2)与氢氟酸反应：Si4HF=SiF42H2 (3)与 NaOH 溶液反应 Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2 2.加热和高温时，能与 O2、Cl2、C 等反应 (1)与 O2反应：SiO2= SiO2 (2)与 Cl2反应：Si2Cl2= SiCl4 (3)与 C 反应：SiC= 高温 SiC 探究题目 2.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
10、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 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 探究二 对比认知传统无机非金属材料和新型无机非金属材料 从宏微结合认知传统无机非金属材料 探究素材 1.传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，
11、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 急剧变化的玻璃；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃。 探究题目 3.陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切 的关系。下列说法错误的是( ) A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁 B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成 C.陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐 D.陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点 解析 “雨过
12、天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关， 而氧化铁显红色， A 项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成，B 项正确；陶瓷以黏土 为原料，经高温烧制而成，属于人造材料，主要成分是硅酸盐，C 项正确；陶瓷 主要成分是硅酸盐，硅酸盐中硅元素化合价处于最高价，化学性质稳定，具有耐 酸碱侵蚀、抗氧化等优点，D 项正确。 答案 A 从成分和性能对比认知传统、新型无 机非金属材料 探究素材 传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别 类别 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 主要成分 硅酸盐 不一定是硅酸盐 主要特性 抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起 热冲击 大都强度高、硬度大，耐高温，另 外
13、还具有一定的电学特性、光学特 性和生物功能等 探究题目 4.下列关于无机非金属材料的说法中不正确的是( ) A.传统无机非金属材料是指：玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料 B.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，具有极大强度 C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐 解析 新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料易碎、 强度不够等缺 点，并且具有特殊结构、特殊功能；新型无机非金属材料的主要成分并不一定是 硅酸盐，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。 答案 D 1.我国古代在材料方面取得了突出的成就
14、。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 解析 汉白玉主要成分是碳酸钙，陶、瓷、砖、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是 硅酸盐，故选 C。 答案 C 2.下列关于新型无机非金属材料的说法中，不正确的是( ) A.高纯硅可用于制造半导体材料 B.压电陶瓷属于新型无机非金属材料，能实现机械能和电能的相互转化 C.碳纳米材料的主要成分是碳单质，包含富勒烯、碳纳米管和石墨烯等多种 D.二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆 解析 光导纤维不具有导电性， 二氧化硅制成的光导纤维是由于传输光的信号强 而被用于制造光缆，D 不正确。 答案 D 3.下列
15、说法正确的是( ) A.因为晶体硅有熔点高、硬度大的性质，所以被用来做芯片 B.中国天眼 FAST 用到的碳化硅是一种新型的无机非金属材料 C.合金熔点、硬度都低于成分金属，钢是用量最大用途最广的合金 D.工业生产玻璃、水泥都需要用到的原材料是石英砂 解析 A.晶体硅是重要的半导体材料， 所以被用来做芯片， 不是因为其有熔点高、 硬度大的性质，故 A 错误；C.合金熔点一般低于成分金属，但硬度大于成分金 属，故 C 错误；D.玻璃的原料为石英、纯碱和石灰石，水泥的原料是黏土和石 灰石，所以都用到石灰石，故 D 错误。 答案 B 4.下列表述中正确的是( ) 光导纤维做通讯材料有许多优点，但怕腐
16、蚀，铺设也很不方便 化学家采用 玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成， 玛瑙的主要成分是硅酸盐 港珠澳 大桥的建造中使用了大量水泥， 水泥是硅酸盐材料 氮化硅陶瓷、 氧化铝陶瓷、 光导纤维等属于新型无机非金属材料 太阳能电池可采用硅材料制作，其应 用有利于环保、节能 A. B. C. D. 解析 光导纤维的主要成分是二氧化硅，二氧化硅性质稳定，耐腐蚀，错误； 玛瑙的主要成分是二氧化硅，错误；水泥是典型硅酸盐材料，正确；氮化硅 陶瓷、氧化铝陶瓷、光导纤维等均为常见新型无机非金属材料，正确；硅常作 为太阳能电池板、电子芯片的原材料，正确。 答案 D 5.光纤通讯是光导纤维传送信号的一种通讯手段，氮
17、化硅是一种优良的高温结构 陶瓷， 可用于火箭发动机和高温电极材料。合成光导纤维及氮化硅的工艺流程如 下： 回答下列问题： (1)反应的化学方程式为_， 氧化剂为_(填化学式)。 (2)经反应所得的四氯化硅粗品中所含的物质如下： 组分名称 SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 HCl BCl3 PCl3 质量分数 0.545 0.405 0.046 2 0.000 3 0.001 93 0.001 57 沸点/ 57.6 31.8 8.2 85 12.5 75.5 图中“操作 X”的名称为_。 (3)反应和中尾气的用途为_； 反应的化学方程式为_。 解析 (1)反应是焦炭还原 SiO2，其反
18、应的化学方程式为 SiO22C= 高温 Si 2CO；氧化剂是所含元素化合价降低的物质，根据反应方程式可知，二氧化硅 中硅的化合价由4 价0 价， 即 SiO2是氧化剂。 (2)根据表格数据， 除 HCl、 BCl3 和 SiH2Cl2常温下是气体外，其余为液体，且沸点相差较大，因此可采用精馏(或 蒸馏)的方法得到 SiCl4。(3)反应中得到的物质为 SiO2和 HCl，尾气是 HCl，反 应中发生的反应是 3SiCl44NH3= 1 400 Si 3N412HCl，尾气是 HCl，因此尾 气的用途是制备盐酸。 答案 (1)SiO22C= 高温 Si2CO SiO2 (2)精馏(或蒸馏) (3)制取盐酸(或其他合理答案) 3SiCl44NH3= 1 400 Si 3N412HCl