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课题1 无机非金属材料●了解传统的硅酸盐工业的生产特点，知道其生产原理和产品的主要成分。
●能举例说明无机非金属材料的特点。
●讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用。
〔知识梳理〕1．生产陶瓷的主要原料是，其主要生产过程为：混合→成型→干燥→烧结→冷却。
陶瓷的主要性质有、、、、。
2．制造普通玻璃的原料有、、，发生的主要反应的化学方程式是、。
3．制造普通硅酸盐水泥的原料有、、。
普通硅酸盐水泥的主要成分是、、、。
水泥在空气中能吸水硬化，在水中也能硬化，即具有性，因此是水下工程不可缺少的材料。
水泥、沙子和碎石等的混合物叫，它的膨胀系数与钢筋相当，因此它常用钢筋作结构，增大强度。
4．氮化硅是一种新型的无机非金属材料，它的制造方法有多种，一种方法是将高纯硅与纯氮气混合，在1300℃条件下反应制得，化学方程式为；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。
5．工业上用二氧化硅和碳在电炉中反应可以制得硅，反应的方程式为，但这样制得的硅纯度不高，要制得高纯硅，可以将上述粗硅与氯化氢气体在250～300℃条件下反应，制得三氯硅烷，提纯后的三氯硅烷被高纯度的氢气还原，即可以得到高纯硅。
写出以上反应的化学方程式、。
6．写出二氧化硅和碳在电炉中加热至高温生成碳化硅（金刚砂）的化学方程式，反应中的氧化剂和还原剂的质量之比是。
7．1985年，科学家发现了C60分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球，因此又叫足球烯。
1991年科学家又发现了一种碳的单质——碳纳米管，它是由六边环形的碳原子构成的管状分子。
用你学到的化学知识回答下列问题：⑴C60所以称为足球烯，是因为分子中有键，所以C60可以与氢气发生反应。
⑴金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质是否相同？，原因是。
⑵常温下足球烯和碳纳米管的化学性质是否活泼？，简要说明原因。
⑶请你设计一个方案，证明足球烯和纳米碳管是由碳元素组成的（以足球烯为例，用文字简要叙述）：。
无机非金属材料一、教材分析和建议本课题是按照资源、材料和（化学）技术间的关系展开的，也是组织化学与材料的发展这一单元内容的主线。
首先是资源，传统无机非金属材料（如陶瓷、玻璃、水泥等）大都直接取材于自然界，所以，决定社会发展水平的材料生产对资源的依赖程度很高。
在自然界中，有的资源十分丰富，如空气、水、黏土等，因此，人类使用的原始材料大多直接来自天然产物，如果实现自然资源的深度开发，就需要依赖材料、工具的发展来支持。
如何更加合理地开发自然资源，如何从初级材料转化为适合某种技术需要的材料，需要依靠化学家对物质中所含有元素的提炼或原子的重新组合。
例如，二氧化硅是一种极其丰富的资源，但硅特别是高纯度硅却是一种人造的材料，没有高纯度硅，现代信息技术就不可能实现。
化学对技术所需的具有某种特殊性能材料的研制，已经成为现代科技发展的先决条件之一。
化学家研制的千万种新的化合物，为技术发展提供可供开发的材料资源。
有了技术发明，没有适合这种技术的材料，只能是无米之炊；只有材料，没有利用这种材料的高技术，这种材料就无法实现它的实际价值。
所以，从化学与技术和材料之间的关系，我们可以说化学为技术进步可以提供重要的材料支持。
基于上述考虑，本课题从传统硅酸盐材料引入，到新型无机非金属材料，再到，说明新材料可以诞生新科技，使关于化学与材料发展关系的石墨、金刚石和Ｃ60阐述，层次清楚、条理分明。
教学建议如下：1. 陶瓷、玻璃和水泥等传统硅酸盐材料，与我们的日常生活紧密相关，它们的一些性质和特点可以被学生直观地观察和认识。
需要指出的是，虽然，人类制造和使用这些材料及其制品已有几千年的历史（玻璃和水泥除外），但它们的化学组成大多比较复杂，目前对于它们生产原理的认识还是有限的，即使一些生产过程实现了连续化、自动化，其中的经验成分仍然很大。
高中阶段，主要使学生理解硅酸盐材料的稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、耐腐蚀等特点，是由其中的关键结构成分硅氧四面体决定的。
新人教版化学选修2高中《无机非金属材料》教案●了解传统的硅酸盐工业的生产特点，知道其生产原理和产品的主要成分。
●能举例说明无机非金属材料的特点●讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用。
〔知识梳理〕1．生产陶瓷的主要原料是，其主要生产过程为：混合→成型→干燥→烧结→冷却。
陶瓷的主要性质有、、、、。
2．制造普通玻璃的原料有、、，发生的主要反应的化学方程式是、。
3．制造普通硅酸盐水泥的原料有、、。
普通硅酸盐水泥的主要成分是、、、。
水泥在空气中能吸水硬化，在水中也能硬化，即具有性，因此是水下工程不可缺少的材料。
水泥、沙子和碎石等的混合物叫，它的膨胀系数与钢筋相当，因此它常用钢筋作结构，增大强度。
4．氮化硅是一种新型的无机非金属材料，它的制造方法有多种，一种方法是将高纯硅与纯氮气混合，在1300℃条件下反应制得，化学方程式为；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。
5．工业上用二氧化硅和碳在电炉中反应可以制得硅，反应的方程式为，但这样制得的硅纯度不高，要制得高纯硅，可以将上述粗硅与氯化氢气体在250～300℃条件下反应，制得三氯硅烷，提纯后的三氯硅烷被高纯度的氢气还原，即可以得到高纯硅。
写出以上反应的化学方程式、。
6．写出二氧化硅和碳在电炉中加热至高温生成碳化硅（金刚砂）的化学方程式，反应中的氧化剂和还原剂的质量之比是。
7．1985年，科学家发现了C60分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球，因此又叫足球烯。
1991年科学家又发现了一种碳的单质——碳纳米管，它是由六边环形的碳原子构成的管状分子。
用你学到的化学知识回答下列问题：⑴C60所以称为足球烯，是因为分子中有键，所以C60可以与氢气发生反应。
⑴金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质是否相同？，原因是。
⑵常温下足球烯和碳纳米管的化学性质是否活泼？，简要说明原因。
⑶请你设计一个方案，证明足球烯和纳米碳管是由碳元素组成的（以足球烯为例，用文字简要叙述）：。
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。
【第2课时 新型无机非金属材料】之小船创作课前自主预习一、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(F 2)、氢氟酸(HF)和强碱溶液反应。
化学方程式分别为：Si ＋2F 2===SiF 4，Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑，Si ＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑。
(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 ＋2Cl 2=====高温SiCl 4，Si ＋O 2=====△SiO 2，Si ＋C=====高温SiC 。
3．工业制法(1)制粗硅：SiO 2＋2C=====高温Si(粗)＋2CO↑；(2)粗硅提纯：Si ＋3HCl =====300 ℃SiHCl 3＋H 2，SiHCl 3＋H 2=====1 100 ℃Si ＋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SiO 2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12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。
人教版高中化学选修2第15课时《新型无机非金属材料》导学案学案【学习目标】1.了解新型无机非金属材料与传统无机非金属材料的区别。
2.了解高温结构陶瓷和光导纤维的特点及用途。
【重点难点】高温结构陶瓷和光导纤维的特点及用途。
课前预习【情景材料】材料是人类生活必不可少的物质基础。
材料的发展史就是一部人类文明史。
没有感光材料，我们就无法留下青春的回忆；没有特殊的荧光材料，就没有彩色电视；没有高纯的单晶硅，就没有今天的信息技术；没有特殊的新型材料，神州八号飞船就无法上天。
可见，科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约。
反过来，一种新材料的发现可能回给社会带来革命性的变化。
新材料在不断涌现如1985年发现了足球烯。
旧材料的功能也在拓展，如石英早就存在，石英钟的普及却是近几年的事，光导纤维使玻璃“老爷爷”又焕发了青春。
【预习内容】根据教材有关内容填写下列空白：二、新型无机非金属材料1．新型陶瓷新型陶瓷的组成已突破了以两种元素为主的传统组成体系，进一步提高了陶瓷的性能。
(1)碳化硅陶瓷①特性：硬度，化学性质，耐，可作航天器的涂层材料。
②工业上制取碳化硅的反应方程式：。
(2)氮化硅陶瓷①特性与用途：熔点，硬度，化学性质，在高温时仍可保持室温时的强度系数和硬度，可用于制造、和等。
②制取氮化硅(Si3N4)的反应式a．；b．。
2．现代信息基础材料——单晶硅(1)硅是目前半导体工业最重要的基础材料，制取纯度为95%～99%的硅(粗硅)的反应方程式为。
(2)用纯度为95%～99%的硅再生产高纯度硅的反应方程式是①；②。
3．石墨、金刚石和C60金刚石、石墨、C60是碳的重要同素异形体。
(1)在金刚石、石墨、C60中熔点由高到低的顺序是：。
(2)金刚石和石墨二者可以相互转化，二者的转化属于变化。
(3)气相沉积法制造金刚石薄膜的原理为： 。
⑷20世界80年代，又发现了碳的另一类单质，是由一系列 个碳原子组成的分子， 如 ，其中 最具代表性，在锂、液氨和正丁醇溶液中，C 60 可与氢加成得到 和 ，C 60可能成为新型 材料，K 3C 60 具有 性，可开发出高温 材料。
C 60 将在 材料和 元器件的制造中有潜在的应用价值。
预习内容答案二、1.Si 和O 高 稳定 2000℃高温 SiO 2＋3C SiC ＋2CO↑高 大 稳定 轴承 汽轮机叶片 发动机受热面3Si ＋2N 2Si 3N 4 3SiCl 4＋2N 2＋6H 2Si 3N 4＋12HCl 2.SiO 2＋2C Si ＋2CO↑ Si ＋3HClSiHCl 3＋H 2 Si ＋3HCl SiHCl 3＋H 23.石墨>金刚石>C 60 化学CH 4――――――――――――→微波或直流放电基本温度950 ℃、氢气、稀有气体C(金刚石)＋2H 2 偶数 C 60 、C 70 、 C 240、C 540、C 960 C 60 C 60H 18 C 60H 36 超导 复合 纳米堂中互动【问题探究1】常见新型无机非金属材料有几类？【教师点拨】阅读教材P52～P55，找到标题就可以。
分析解答:【即学即练1】有关材料分类正确的是( )A.硅酸盐材料属于新型无机非金属材料B.高温结构陶瓷属于新型的无机非金属材料，金属属于金属材料，但都属于结构材料C.新型无机非金属材料包括半导体材料、光导纤维、氧化铝陶瓷等D.氮化硅属于新型无机非金属材料，但不是高温结构材料1.C 【解析】A 项中硅酸盐材料不是新型的材料，而是传统的材料；B 项金属中有些材料不是结构材料；D 项中氮化硅也是高温结构材料。
【问题探究2】新型无机非金属材料有何特点？【教师点拨】现代科技赋予陶瓷在光、电、磁、化学和生物学等方面新的特性和功能，半导体材料、耐高温陶瓷、磁性陶瓷、透明陶瓷、牛物陶瓷等在信息、能源、生物等高新技术领域+得到广泛的应用。
分析解答：．．．A.新型无机非金属材料具有光学特性、生物功能、电学特性、耐高温、强度高B.光导纤维做通讯材料有许多优点，但怕腐蚀，铺设也很不方便C.高温结构陶瓷比金属材料具有许多优点，如不怕氧化、密度小等优点D.光导纤维除用于通讯外，还可以用于医疗、信息处理等许多方面2.B 【解析】 光导纤维的主要成分是二氧化硅，其性质稳定，耐腐蚀能力要比金属材料要强得多，所以，认为它怕腐蚀的说法是不正确的。
【问题探究3】硅是目前半导体工业最重要的基础材料，其导电特性对杂质等十分敏感，因此，如何制备高纯度的硅？【教师点拨】阅读教材P53，找到答案就可以。
分析解答：石英砂――→焦炭高温粗硅――→HCl 573 K 以上SiHCl 3(粗)――→精馏SiHCl 3(纯)――→H 21 357 K高纯硅 【即学即练3】硅单质及其化合物应用范围很广。
请回答下列问题：(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。
三氯甲硅烷(SiHCl 3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：石英砂――→焦炭高温粗硅――→HCl 573 K 以上SiHCl 3(粗)――→精馏SiHCl 3(纯)――→H 21 357 K高纯硅 ①写出由纯SiHCl 3制备高纯硅的化学反应方程式___________________________________ ________________________________________________________________________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。
SiHCl 3遇水剧烈反应生成H 2SiO 3、HCl 和另一种物质，写出配平的化学反应方程式______________________________________________； H 2还原SiHCl 3过程中若混入O 2，可能引起的后果是______________________________。
(2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。
A ．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥B ．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承C ．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维D ．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高E ．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅(3)硅酸钠水溶液俗称水玻璃。
取少量硅酸钠溶液于试管中，逐滴加入饱和氯化铵溶液，振荡。
写出实验现象并给予解释__________________________________________________。
3.(1)①SiHCl 3＋H 2=====1 357 K Si ＋3HCl ②SiHCl 3＋3H 2O===H 2SiO 3↓＋3H Cl↑＋H 2↑ 氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl 3 (2)ABC (3)现象：试管中有白色胶状沉淀生成，并且有刺激性气体生成 解释：Na 2SiO 3和NH 4Cl 均能够水解，二者相互促进，Na 2SiO 3水解生成H 2SiO 3，NH 4Cl 水解产生NH 3。
【解析】(1)①根据原子守恒即质量守恒可以写出SiHCl 3与H 2反应的化学方程式。
②SiHCl 3和H 2O 剧烈反应生成H 2SiO 3、HCl 和另一种物质，分析它们化合价的变化可知，而Cl 的化合价未发生变化，因此另一种元素即H 元素的化合价必定降低，即另一种物质是H 2。
(2)碳化硅、氮化硅为原子晶体，则A 、B 、C 都正确；D 中玻璃没有固定的熔点，盐酸不能与硅反应，而HCl 在573 K 以上的温度下可与硅发生反应。
因此E 不正确。
练案A 组（课堂反馈 满分50分）一、选择题（每小题5分，共35分）1.下列说法正确的是( )A ．硅材料广泛应用于光纤通讯B ．工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品C ．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品D ．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应1.A 【解析】B 项工艺师应利用氢氟酸；C 项中水晶→SiO 2；D 项中粗硅制备单晶硅的反应有：Si ＋2Cl 2=====△SiCl 4，SiCl 4＋2H 2=====△Si ＋4HCl 。
2.对于化学方程式SiO 2＋3C=====高温SiC ＋2CO↑，有关叙述正确的是( )A.反应中SiO 2是氧化剂，C 是还原剂B.硅元素被还原了，碳元素被氧化了C.在反应中C 只作还原剂D.在反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶22.D 【解析】双线桥法表示反应中电子转移的方向及数目如下：，反应中只有C 元素化合价改变，因此碳在反应中既是氧化剂，又是还原剂，且n (氧化剂)∶n (还原剂)＝1∶2。
3. 20世纪80年代，人们发现了碳的另一类单质，它们是由一系列偶数个碳原子组成的分子，其中C 60(足球烯，1个分子中含30个双键)最具代表性。
如图为n 个C 60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 是高分子化合物C.一定条件下X 可与H 2发生加成反应D.X 的摩尔质量为720n g·mol -13.B 【解析】可知X 是碳的单质，A 正确，B 错误；由题干信息“足球烯，1个分子中含30个双键”可知，X 可与H 2发生加成反应，C 正确；由题干信息X 由n 个C 60连接而成可知，X的摩尔质量为 720n g·mol -1，D 正确。
4.制造太阳能电池需要高纯度的硅，工业上制高纯硅常用以下反应实现：①Si(s)＋3HCl(g)=====300℃SiHCl 3(g)＋H 2(g)；ΔH ＝－381 kJ·mol －1②SiHCl 3＋H 2=====1 000～1 100℃Si ＋3HCl对上述两个反应的叙述中，错误的是( )A.两个反应都是置换反应B.反应②是吸热反应C.两个反应互为可逆反应D.两个反应都是氧化还原反应4.C 【解析】①②是逆向进行的反应，①放热反应，②必然是吸热反应，①②进行条件不一样，不能称为可逆反应。
5.下列材料的特性及用途说法错误的是( )A.氧化铝陶瓷具有两性，不可用来制造人造牙齿B.氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用来制造柴油机C.光导纤维导光的能力很强，是非常好的通讯材料D.压电陶瓷十分敏感，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用来制压电地震仪5.A 【解析】对常见新型无机非金属材料的性能及用途应作了解。
特性：能耐高温、强度高，具有电学特性，光学特性，具有生物功能。
Al 2O 3具有两性，可与酸、碱反应，牙齿经常接触酸性物质，但氧化铝陶瓷性质相当稳定，酸碱很难将其腐蚀，且氧化铝制成的假牙与天然牙齿十分接近，选项A 说法错误。
6.下列表述正确的是( )①人造刚玉熔点很高，可用作高级耐火材料，主要成分是二氧化硅②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 ③提前建成的三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料④夏天到了，游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛 ⑤太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能A.①②③B.②④C.③④⑤D.③⑤6.D 【解析】解析：本题主要考查硅及其化合物的具体应用。
