2017_2018学年高中化学第三单元化学与材料的发展3.1无机非金属材料学案新人教版选修2

3.1 无机非金属材料1．传统硅酸盐材料概述(1)生产原料：黏土、石英、钾长石、钠长石等。

(2)结构：一般都含有[SiO 4]4－。

(3)共性：大多具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点。

2．陶瓷(1)制备原料：黏土、水、彩釉。

(2)条件：高温烧结。

(3)种类：土器、炻器、瓷器等。

(4)性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等。

3．玻璃(1)生产原料：石英砂、石灰石、纯碱。

(2)主要成分：Na 2SiO 3和CaSiO 3。

(3)反应原理：Na 2CO 3＋SiO 2=====高温Na 2SiO 3＋CO 2CaCO 3＋SiO 2=====高温CaSiO 3＋CO 2(4)特种玻璃： 品种主要有：石英玻璃、光学玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃等。

4．水泥(1)原料：石灰石、黏土和辅助原料(如石膏等)。

(2)主要成分：3CaO·SiO 2、2CaO·SiO 2、3CaO·Al 2O 3、4CaO·Al 2O 3·Fe 2O 3等。

(3)性质：在空气和水中逐渐硬化。

(4)用途：作建筑材料，制成水泥砂浆或混凝土。

[跟随名师·解疑难](1)陶釉料中主要含有一些金属及金属氧化物，如红色Cu 2O 。

(2)玻璃没有固定的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。

在软化状态时，可以被吹成各种形状的玻璃制品。

(3)石膏的作用是调节水泥的硬化速度。

(4)水泥的主要成分常用氧化物的形式表示，但水泥的主要成分是硅酸盐、铝酸盐，而不是氧化物。

(5)水泥吸水能力强，储存和运输过程中注意防水、防潮。

[剖析典例·探技法][例1] 下列有关传统硅酸盐材料的说法不．正确的是( )A ．生产普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石B ．玻璃加热熔化时有固定的熔点C ．生产陶瓷的原料主要为硅酸盐D ．玻璃的成分中含有SiO 2，不能用带磨砂玻璃塞的试剂瓶盛放烧碱[名师解析] 生产玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和纯碱，生成水泥的主要原料是石灰石和黏土，生产陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分是Al 2O 3·2SiO 2·2H 2O ，为硅酸盐。

玻璃不是晶体，在熔化时没有固定的熔点。

SiO 2能与NaOH 反应生成Na 2SiO 3，使瓶塞与瓶口粘在一起。

[答案] B[名师点睛]磨砂处理后的玻璃，在常温下极易被强碱或强碱性物质腐蚀。

未磨砂处理的玻璃在常温下耐碱，在高温下不耐碱。

因此常温下盛装NaOH 等强碱溶液可用玻璃瓶，但不能用磨砂玻璃塞；加热熔化NaOH 等强碱固体时，不能用玻璃试管或瓷坩埚，通常用铁坩埚。

1．新型陶瓷(1)碳化硅(SiC)：又称金刚砂，结构与金刚石相似，硬度大、耐高温，可作航天器的涂层材料。

工业上制备碳化硅的化学方程式为SiO 2＋3C =====>1 900 ℃SiC ＋2CO ↑。

(2)氮化硅熔点高、硬度大、化学性质稳定，它的制造方法有多种，可以将高纯硅与纯氮气混合，在1 300 ℃条件下反应制得，化学方程式为3Si ＋2N 2=====1 300 ℃Si 3N 4；也可以用四氯化硅和氮气在氢气保护下反应制得，化学方程式为3SiCl 4＋2N 2＋6H 2===Si 3N 4＋12HCl 。

2．单晶硅硅是目前半导体工业最重要的基础材料，其导电特性对杂质十分敏感，必须首先制备高纯度的硅。

高纯度硅制备的主要反应：(1)SiO 2＋2C =====1 600～1 800 ℃Si ＋2CO 。

(2)Si ＋3HCl =====250～300 ℃Cu 粉或Ag 粉SiHCl 3＋H 2。

(3)SiHCl 3＋H 2=====1 100～1 200 ℃Si ＋3HCl 。

3．石墨、金刚石和C 60(1)金刚石的制备方法：①石墨转变成金刚石的生产条件：1 300～1 400 ℃、6×106～7×106kPa 、Fe 、Co 、Ni 等作催化剂。

②化学气相沉积法制造金刚石薄膜。

原理：CH 4――→微波或直流放电基体温度约950℃、氢气、稀有气体C(金刚石)＋2H 2。

(2)C 60可能成为新型贮氢材料。

(3)K 3C 60具有超导性，可开发出高温超导材料。

(4)碳纳米管具有更大的韧性。

[跟随名师·解疑难](1)新型无机非金属材料的性能：①能承受高温，强度高，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷；②具有光学特性，如光导纤维(成分为SiO 2)；③具有电学特性，如K 3C 60超导体；④具有生物功能，如Ca 3(PO 4)2系陶瓷。

(2)石墨、金刚石和C 60的比较(结构 决定反映性质 决定反映用途)：[剖析典例·探技法][例2] 下列对材料的特性及用途的叙述不．正确的是( ) A ．氧化铝陶瓷具有两性，因此可用来制造人造牙齿B ．氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用于制造柴油机部件C ．光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料D ．人造金刚石硬度高，可用于制造研磨材料[名师解析] 本题以新型无机非金属材料为题材着重考查了性质决定用途这一原则。

氧化铝陶瓷用来制造人造牙齿的原因是它具有很高的硬度及具有良好的生物相容性而不是由于其两性。

氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，所以用于制造柴油机部件时不需要冷却，损失的能量小。

光导纤维传导光的能力很强，在通讯时用于传导光信号。

目前工业上作为研磨材料使用的主要是人造金刚石。

[答案] A[名师点睛](1)新型陶瓷材料从化学组成上来看已经不属于传统硅酸盐陶瓷材料了，只是它们多数也具有一般硅酸盐材料的耐高温、强度高、耐腐蚀的特性，并且从外观上与传统的硅酸盐陶瓷一样不具有金属光泽，都属于脆性材料，容易碎裂等。

(2)广义上陶瓷是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称，所以新型陶瓷材料按照陶瓷的广义定义来看仍然属于陶瓷材料。

无机非金属材料错误!(1)硅酸盐组成的表示方法：由于硅酸盐的种类多，结构复杂，表示它们的组成较复杂，除简单的硅酸盐(如Na2SiO3等)用盐的形式表示外，绝大多数常用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示。

把硅酸盐由盐的书写形式改写为氧化物的形式是x MO·n SiO2·m H2O[如果有(OH)n时]，其中MO表示金属氧化物，x、n、m均由组成中有关原子的个数决定。

复杂硅酸盐改写成氧化物的顺序为碱性氧化物、两性氧化物、酸性氧化物、水，一定要记住改写后氧化物的排列顺序。

(2)理解新型无机非金属材料须注意以下几点：①新型无机非金属材料属于无机物；②新型无机非金属材料是高科技产品；③新型无机非金属材料具有特殊结构、特殊功能。

1．下列说法中，正确的是( )A．传统的无机非金属材料具有抗腐蚀性、耐高温等许多优点，但也有质脆、经不起热冲击的缺点B．新型无机非金属材料继承了传统非金属材料的优点，但不能耐高温C ．新型无机非金属材料可以作为绝缘体，但都不能作为半导体D ．新型无机非金属材料都能透过可见光解析：新型无机非金属材料有的可以耐高温(如氮化硅)；用硅可以制作半导体材料；并不是所有的无机非金属材料都可透光。

答案：A2．下列属于新型无机非金属材料的特性的是( )①能承受高温、强度高 ②具有电学特性 ③具有光学特性 ④具有生物功能 ⑤可塑性好A ．①B ．①②C ．①②③⑤D ．①②③④解析：新型无机非金属材料具有耐高温、强度高，具有电学特性、光学特性和生物功能的性质。

答案：D3．石英砂和焦炭在高温电炉中可合成金刚砂，已知其和金刚石有类似的晶体结构，只不过和碳原子相连接的是硅原子，和硅原子相连接的是碳原子，下列说法错误的是( )A ．金刚砂的化学式为SiCB ．金刚砂的硬度很大C ．金刚砂的熔点比晶体硅要高D ．反应方程式为SiO 2＋2C=====高温SiC ＋CO 2↑解析：反应方程式为3C ＋SiO 2=====高温SiC ＋2CO ↑，故D 不正确。

答案：D4．我国科学家前不久成功合成3 nm 长的管状碳纳米管，长度居世界之首。

这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的1/4)、熔点高，化学稳定性好的特点，因此被称为“超级纤维”。

下列对碳纤维的说法中不．正确的是( ) A ．它是制造飞机的理想材料B ．它的主要组成元素是碳元素C ．它的结构与石墨不同D ．碳纤维是一种高分子化合物解析：碳纤维是碳元素形成的单质，不是高分子化合物。

答案：D5．新型陶瓷因具有光、电、磁、生物和化学等新的特性和功能，越来越受到人们的青睐。

(1)氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯度硅与纯氮在1 300 ℃反应获得。

①根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是______(填序号)。

A．制汽轮机叶片B．制有色玻璃C．制永久性模具D．制造柴油机②写出N的原子结构示意图：__________________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式：___________。

③氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。

试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：_______________________________________________。

④现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为___________________________________________________。

(2)磷酸钙是陶瓷，也是一种新型无机非金属材料，它可用于制成人造骨骼，这是利用了这类材料的( )A．耐高温的特性B．电学特性C．光学特性D．生物功能解析：(1)根据N和Si的原子结构及其元素周期律的知识，可判断氮元素非金属性比硅强，故N显负价(－3)，Si显正价(＋4)，由此可写出氮化硅的化学式Si3N4。

(2)根据新型无机非金属材料的四种特性及其应用进行判断。

植入的陶瓷和人体组织有很好的亲和性，在体内能长期发挥功能。

答案：(1)①ACD ②Si3N4③Si3N4＋16HF===3SiF4↑＋4NH4F④3SiCl4＋2N2＋6H2强热,Si3N4＋12HCl(2)D[高考感悟]1．(江苏高考)下列物质性质与应用对应关系正确的是( )A．晶体硅熔点高硬度大，可用于制作半导体材料B．氢氧化铝具有弱碱性，可用于制胃酸中和剂C．漂白粉在空气中不稳定，可用于漂白纸张D．氧化铁能与酸反应，可用于制作红色涂料解析：晶体硅的导电性介于导体和绝缘之间，所以用作半导体材料，A项错误；氢氧化铝具有弱碱性，能中和过量的胃酸，B项正确；漂白纸张利用的是次氯酸钙的强氧化性，不是不稳定性，C项错误；氧化铁是红棕色固体，可用于制作红色涂料，跟它能与酸反应没有关系，D项错误。