資源簡介 (共51張PPT)人教版高一化學必2第五章5.3第五章 化工生產中的重要非金屬元素第三節 無機非金屬材料核心素養目標1.宏觀辨識與微觀探析:能從二氧化硅、二氧化碳的結構的角度分析兩者性質的差異,形成"結構決定性質"的觀念2.變化觀念與平衡思想:了解硅和二氧化硅的性質,認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料。了解硅酸鹽及其結構特點,了解傳統硅酸鹽產品(陶瓷、玻璃、水泥)的工業生產(原料、設備等)。3.證據推理與模型認知:通過不能使用玻璃瓶盛放氫氟酸,不能用帶玻璃塞的試劑瓶盛放堿液等原理的分析,培養證據意識,建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系4.科學探究與創新意識: 掌握李比希提出的燃燒有機物對產物的定量測定確定實驗式,5.科學精神與社會責任 :能通過無機非金屬材料的學習,認識化學對社會發展的重要貢獻,具有可持續發展意識,能對與化學有關的社會熱點問題做出正確的價值判斷教學目標教學重點:1.結合實例認識無機非金屬材料的組成、性能與應用之間的聯系。2.結合真實情景中的應用實例,了解硅酸鹽、硅、二氧化硅的主要性質。教學難點:知道硅及其化合物在材料家族中的應用,增強關注社會的意識和責任感。情境導入一、傳統無機非金屬材料(硅酸鹽材料)陶瓷玻璃水泥(1)概念:由硅元素、氧元素和金屬元素組成的化合物。(2)結構:在硅酸鹽中,Si和O構成了硅氧四面體。每個Si結合4個O,Si在中心,O在四面體的4個頂角;許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接,每個O為兩個四面體所共有,與2個Si相結合。(3)特點:硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。[SiO2]四面體結構1. 硅酸鹽及其結構任務探究一(1)物理性質: Na2SiO3是一種白色固體,可溶于水,其水溶液俗稱水玻璃,具有黏結力強、耐高溫等特性。Na2SiO3水溶液俗稱:水玻璃Na2SiO32. 最簡單的硅酸鹽——Na2SiO3Na2SiO3+CO2(少)+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓(3)化學性質:水溶液顯堿性,能與鹽酸、CO2等反應。Na2SiO3 + 2HCl === H2SiO3↓ + 2NaCl(2)用途:制備硅膠、防火劑、黏合劑強酸弱酸硅膠用途:干燥劑、催化劑,或用作其他催化劑的載體。任務探究一 陶瓷 普通玻璃 普通水泥原料 主要原料:輔助原料:適量的石膏設備 陶瓷窯主要成分 含水的鋁硅酸鹽 硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)黏土純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)石灰石、黏土玻璃窯水泥回轉窯用途 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等 建筑材料、光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維等 大量用于建筑和水利工程任務探究一生產中采用不同的原料和工藝,可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。例如,用含有鉛的原料制造的光學玻璃,透光性好,折射率高,可以用來制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡;加入硼酸鹽制成耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃,可用于實驗室使用的玻璃儀器;加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃,常用于建筑和裝飾。資料卡片 玻 璃任務探究二(1)硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的混合物( )(2)硅酸鹽結構較為復雜,大多不溶于水,化學性質很穩定( )(3)硅氧四面體中,硅原子與氧原子都是以共價鍵結合( )(4)水泥與玻璃的共同原料是石灰石,水泥與陶瓷的共同原料是黏土( )(5)陶瓷、玻璃、水泥的生產都需要在高溫下進行( )(6)玻璃和水泥生產中都發生復雜的物理和化學變化( )判斷正誤×√√√√√任務探究二1.傳統的玻璃、陶瓷都是硅酸鹽產品,根據你的觀察和使用經驗,將它們的主要物理性質和化學性質填入下表。理解應用材料 物理性質 化學性質玻璃 陶瓷 硬度大、耐磨損、耐高溫、較脆很穩定硬度大、耐磨損、耐高溫很穩定2.硅酸鈉(俗名泡花堿)是一種最簡單的硅酸鹽。(1)硅酸鈉易溶于水,其水溶液俗稱 ,具有 強、耐 等特性,常用作黏合劑和防火劑。水玻璃黏結力高溫任務探究二(2)硅酸鈉溶液與鹽酸反應生成硅酸(H2SiO3)沉淀,其離子方程式是 。(3)少量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中,反應的離子方程式是 。2H+===H2SiO3↓H2O===H2SiO3↓+CO任務探究二任務探究三硅酸鹽的豐富性和多樣性由于鋁與硅在元素周期表中位置相鄰、粒子大小相近,+3價的鋁常或多或少地置換硅酸鹽中+4價的硅而形成鋁硅酸鹽。為了保持電中性,會伴隨引入其他正離子,從而大大增加了硅酸鹽品種的多樣性和結構的復雜性,同時也為應用硅酸鹽材料提供了更廣闊的選擇。硅酸鹽巖石長期在水和大氣中二氧化碳的侵蝕下,風化為黏土,并且形成土壤膠體。土壤膠體粒子表面積巨大且帶負電,能與NH 、K+等數十種生物所需的營養離子相互作用,使土壤具有保肥能力。這是大自然對人類及地球生物的饋贈,我們應該愛護大地母親。保持土壤的良好結構和化學成分,就是保證農業、牧業和林業持續發展的基礎。解析 普通玻璃主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。1.下列關于硅酸鹽材料的說法錯誤的是A.生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為主要原料跟蹤強化123√任務探究三2.下列關于水玻璃的性質和用途的敘述中不正確的是A.這是一種礦物膠,既不燃燒也不受腐蝕B.在建筑工業上可以作黏合劑、耐酸水泥摻料C.木材、織物浸過水玻璃后具有防腐性能且不易燃燒D.水玻璃的化學性質穩定,在空氣中不易變質解析 水玻璃為硅酸鈉溶液,其化學性質穩定,但可與空氣中的二氧化碳反應生成硅酸沉淀。123√任務探究三3.某博物館陳列著大量明清磚瓦和精美瓷器(婺州窯),婺州窯瓷器胎體的原料為高嶺土[AlnSi2O5(OH)4]。下列說法不正確的是A.古代的陶瓷、磚瓦都是硅酸鹽產品B.高嶺土為含水的鋁硅酸鹽C.n=3D.我國在新石器時代已能燒制陶器解析 根據化合物中正負化合價代數和為0的規則:n×(+3)+2×(+4)+5×(-2)+4×(-1)=0,解得n=2。123√返回任務探究三16任務探究四二、新型無機非金屬材料單質硅二氧化硅新型陶瓷單質硅(1)位置:第三周期、第ⅣA族,處于金屬與非金屬的過渡位置,半導體,常用于制作集成電路板(硅芯片)和太陽能電池極板。(2)自然界存在硅在自然界主要以硅酸鹽(如地殼中的大多數礦物)和氧化物(如水晶、瑪瑙)的形式存在。瑪瑙水晶任務探究四制備原理 用焦炭還原石英砂,得到含少量雜質的粗硅,然后轉化為三氯硅烷,再經氫氣還原。制備流程反應方程式 (3)高純硅的制備(粗硅)(高純硅 99.9999999%)任務探究四二氧化硅狀態 顏色 熔點 硬度 水溶性晶體 無色高大不溶(1)存在:SiO2廣泛存在于自然界中,是沙子、石英的主要成分。純凈的SiO2又稱水晶。(2)物理性質(3)用途①用于生產光導纖維;②水晶、瑪瑙等飾品; ③制作耐高溫的化學儀器。光導纖維石英坩堝瑪瑙水晶任務探究四SiO2+CaO === CaSiO3高溫SiO2+4HF === SiF4 ↑+2H2O(3)化學性質(酸性氧化物)SiO2+2NaOH === Na2SiO3+H2O①酸性氧化物的通性③特性②弱氧化性SiO2+2C === Si+2CO ↑高溫不溶于水,不與水反應(用氫氟酸溶蝕玻璃生產磨砂玻璃)盛放NaOH溶液不用玻璃塞,而用橡膠塞(制備粗硅)任務探究四結構性能高溫抗氧化性能碳原子和硅原子通過共價鍵連接硬度大砂紙和砂輪的磨料耐高溫結構材料耐高溫半導體材料新型陶瓷碳化硅(SiC)陶瓷俗稱:金剛砂任務探究五種類性能耐高溫、抗氧化、耐酸堿腐蝕硬度大、耐磨損、密度小氮化硅、氧化鋁、碳化硅、二氧化鋯等用途制造發動機新型陶瓷高溫結構陶瓷任務探究五壓電陶瓷:透明陶瓷:主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等,能實現機械能與電能的相互轉化,可用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等。主要有氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷和氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷,具有優異的光學性能,耐高溫,絕緣性好,可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等。超導陶瓷:在某一臨界溫度下電阻為零,具有超導性,用于電力、交通、醫療等領域。壓電陶瓷透明陶瓷磁懸浮列車新型陶瓷任務探究五碳納米材料——富勒烯任務探究五碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大,有相當高的強度和優良的電學性能,可用于生產復合材料、電池和傳感器等。碳納米材料——碳納米管任務探究五石墨烯電池碳納米材料——石墨烯任務探究五類別 傳統無機非金屬材料 新型無機非金屬材料主要 成分 硅酸鹽 不一定是硅酸鹽主要 特性 抗腐蝕、耐高溫、質脆、經不起熱沖擊 大都強度高、硬度大、耐高溫,另外還具有一定的電學特性、光學特性和生物功能等傳統無機非金屬材料與新型無機非金屬材料的區別一般來說,除了陶瓷、水泥、玻璃外,其他均是新型無機非金屬材料。任務探究六1.硅和二氧化硅(1)硅的存在與性質①硅在自然界主要以 和 的形式存在;②單質硅是應用最為廣泛的半導體材料;③高溫下,硅能與氧氣反應生成 ,與氯氣反應生成 。(2)二氧化硅的性質①二氧化硅硬度大、熔點高,不溶于水;②酸性氧化物:SiO2+2NaOH=== ;③具有氧化性:SiO2+2C ;④特性:SiO2+4HF=== 。硅酸鹽氧化物SiO2SiCl4Na2SiO3+H2OSi+2CO↑SiF4↑+2H2O任務探究六2.新型陶瓷(1)新型陶瓷與傳統陶瓷相比,在 上有很大的變化,在 等方面具有很多新的特性和功能。(2)常見新型陶瓷及其用途(連線)成分光學、熱學、電學、磁學(3)高溫結構陶瓷——碳化硅(SiC)碳化硅俗稱 ,它是由碳原子和硅原子通過 連接而形成,與 的結構類似,具有硬度大和優異的 性能。金剛砂共價鍵金剛石高溫抗氧化任務探究六3.碳納米材料(1)富勒烯是由 構成的一系列籠形分子的總稱,如C50、C60、C70、C120等,其代表物是 。(2)碳納米管是由 卷成的管狀物,具有 尺度的直徑。比表面積大,具有高強度和優良的電學性能。(3)石墨烯是只有一個 直徑厚度的單層石墨,其獨特的結構使其電阻率低、熱導率高,具有很高的強度。碳原子C60石墨片層納米碳原子碳納米材料(富勒烯、石墨烯等)、金剛石、石墨都是碳的同素異形體,它們具有不同的結構(碳原子排列方式不同)和性質。特別提示任務探究六(1)硅晶片是生產芯片的基礎材料( )(2)生產光導纖維的原料是二氧化硅( )(3)二氧化硅是酸性氧化物,只能與堿反應,不能與酸反應( )(4)磨口玻璃塞試劑瓶不能盛放燒堿溶液,但能盛放氫氟酸( )(5)金剛砂和金剛石結構類似,互為同素異形體( )(6)富勒烯和石墨烯完全燃燒的產物都是二氧化碳( )判斷正誤√√×××√任務探究六1.工業制備高純硅的原理如圖所示:深度思考(1)寫出工業制備高純硅反應的化學方程式:① ;② ;③ 。任務探究六(2)上述反應共同的反應類型是 ,反應①中焦炭的作用是 ,反應③中氫氣的作用是 。(3)在半導體工業中有這樣一句行話:“從沙灘到用戶”,你是如何理解的?氧化還原反應(或置換反應)還原劑還原劑提示 沙子的主要成分是SiO2,作為半導體材料的硅單質是用焦炭還原SiO2制得的。任務探究六2.回答下列問題。(1)碳和硅的原子結構有何異同?從二者在元素周期表中的位置能獲得什么信息?提示 原子的最外層電子數相同,電子層數不同。不在同一周期,位于同一族。從二者在周期表中的位置可知碳的非金屬性強于硅。(2)碳和硅單質的存在形式有何相似之處?其性質有何不同?提示 單質都有晶體和無定形兩種。硅晶體是良好的半導體材料,而石墨是良導體,金剛石、C60不導電。(3)碳和硅的氧化物有何異同?提示 硅的氧化物只有SiO2,而碳的氧化物有CO和CO2兩種。SiO2、CO2均屬于酸性氧化物,CO屬于不成鹽氧化物。SiO2為固態,存在于地表及地殼中;CO2、CO為氣態,存在于大氣中;SiO2的性質比CO2更穩定等。任務探究六3.氮化硅是一種高溫陶瓷材料,它的硬度大、熔點高、化學性質穩定,工業上普遍采用高純硅與純氮在1 300 ℃時反應獲得。(1)根據性質,推測氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。A.制汽輪機葉片 B.制有色金屬C.制永久性模具 D.制造柴油機(2)寫出氮原子結構示意圖________,根據元素周期律知識,請寫出氮化硅的化學式______。ACDSi3N4任務探究六(3)氮化硅陶瓷抗腐蝕能力強,除氫氟酸外,它不與其他無機酸反應,試推測該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學方程式:______________________________。(4)現用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下,加強熱發生反應,可得較高純度的氮化硅,反應的化學方程式為____________________________________。Si3N4+12HF===3SiF4↑+4NH3↑3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl任務探究六相關鏈接近幾年,具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速發展。例如硅與碳的化合物碳化硅(SiC,俗稱金剛砂),具有金剛石結構,硬度很大,可用作砂紙、砂輪的磨料;含4%硅的硅鋼具有很高的導磁性,主要用作變壓器鐵芯;人工合成的硅橡膠是目前最好的既耐高溫又耐低溫的橡膠,在-60~250 ℃仍能保持良好的彈性,用于制造火箭、導彈、飛機的零件和絕緣材料等;人工制造的分子篩(一種具有均勻微孔結構的鋁硅酸鹽),主要用作吸附劑和催化劑;等等。任務探究七1.下列物品或設備的成分中含有二氧化硅的是①門窗玻璃 ②水晶鏡片 ③石英鐘表 ④瑪瑙首飾 ⑤硅太陽能電池⑥光導纖維 ⑦計算機芯片A.①②③④⑥ B.全部C.⑤⑦ D.①②⑥⑦123跟蹤強化解析 玻璃、石英、水晶、瑪瑙和光導纖維的成分中都含有二氧化硅,計算機芯片、硅太陽能電池的主要成分是單質硅。√任務探究七2.(2018·三門峽高一期末)高純度晶硅是典型的無機非金屬材料,又稱“半導體”材料。它的發現和使用曾引起計算機的一場“革命”。它可以按下列方法制備:123下列說法不正確的是A.步驟①的化學方程式:SiO2+C Si+CO2↑B.步驟①中每生成1 mol Si,轉移4 mol電子C.步驟③中的反應為氧化還原反應D.高純硅是制造太陽能電池的常用材料,二氧化硅是制造光導纖維的基本原料√任務探究七3.下列物質與其對應的用途搭配不正確的是A.高能燃料——火箭動力B.石英砂——制造光導纖維C.半導體硅晶片——制造計算機芯片D.高強度耐火陶瓷——制造輪船√123解析 制造輪船材料為鋼鐵,不能選用高強度耐火陶瓷。返回任務探究七【遷移·應用】 2018年 11月5日至7日,世界光纖光纜大會在杭州舉行。本次大會以“一個光纖連接的智能世界”為主題,圍繞“全球光纖光纜供需走勢”、“5G和物聯網帶來的需求展望”、“一帶一路”倡議和“智能制造”等熱點議題展開深入討論與交流。光纜的主要成分為SiO2。任務探究八42任務探究八【補償訓練】1.(2019·蘭州高一檢測)下列關于二氧化硅的敘述不正確的是 ( )①光導纖維主要成分是SiO2,故SiO2可以導電 ②能跟強堿反應,但不能與水反應 ③SiO2的熔、沸點較低 ④既不是酸性氧化物,又不是堿性氧化物A.②和③ B.①③④ C.②和④ D.只有④【解析】選B。光導纖維只能對光傳導;SiO2熔、沸點很高;雖然SiO2不溶于水,但它仍然是酸性氧化物,它是H2SiO3的酸酐。任務探究九 【素養提升】“瑪瑙”早期被書寫成“馬腦”。因“色如馬腦,故從彼名”。自佛經傳入中國后,翻譯人員考慮到“馬腦屬玉石類”,于是巧妙地譯成“瑪瑙”。瑪瑙的主要成分為二氧化硅,由于與水化二氧化硅(硅酸)交替而常重復成層。因其夾雜氧化金屬,顏色可從極淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3) 提示:二氧化硅不與水反應,故應先與堿(如NaOH溶液)反應生成硅酸鹽,再與酸(如鹽酸)反應生成硅酸。任務探究十 【情境創設】柳州蝶變:從“酸雨之都”到“宜居花城”在上世紀80至90年代,廣西柳州傳統重工業聚集,粗放型發展模式使大氣遭到嚴重污染,年酸雨出現頻率最高達98%,被列為全國四大“酸雨之都”之一。作為廣西最大的工業基地和西南工業重鎮,柳州市多年來一直努力在工業發展與環境保護之間尋求平衡,現已成為踐行綠色發展理念的城市典范。近20多年來,柳州市經過酸雨治理、生態建設和新型工業化探索,已經由過去的“酸雨之都”蛻變為“宜居花城”。45任務探究十 在綠色發展理念的指引下,柳州實現了經濟效益與環境效益的統一,工業發展與生態環境的良性互動,走出了一條“生態工業城”的發展新路。如今柳州已成為國家低碳試點城市、國家循環經濟示范城市。 【素養探究】【探究一】酸雨成分的分析1.某同學查閱資料得知:酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。雨、雪等在形成和降落過程中,吸收并溶解了空氣中的二氧化硫、氮氧化合物等物質,形成了pH低于5.6的酸性降水。中國的酸雨多為硫酸型酸雨,少為硝酸型酸雨,此外,各種機動車排放的尾氣也是形成酸雨的重要原因。46任務探究十(1)酸雨是指pH小于5.6的雨雪或其他形式的降水。以5.6為標準是因為正常雨水的pH大約為5.6,請分析原因。提示:空氣中含有CO2, CO2與雨水反應生成碳酸,故雨水的pH約為5.6。(2)“硝酸型酸雨”是如何形成的 提示:氮的氧化物NO2、NO與雨水反應生成硝酸,使雨水的pH小于5.6,發生的反應為2NO+O2==== 2NO2、3NO2+H2O====2HNO3+NO。(3)某測定酸雨的站點對取得的酸雨樣品進行了pH的測定,隨時間推移,得到了如下實驗數據。試分析酸雨的類型、形成原因及pH隨時間變化的原因。時間(h) 開始 8 16 24 32 40 48pH 5.0 4.8 4.5 4.3 4.2 4.0 4.0任務探究十提示:隔一段時間檢測,發現pH逐漸減小,酸性增強,發生的反應為2H2SO3+O2====2H2SO4,酸雨樣品中的H2SO3逐漸被氧化成H2SO4,使溶液的酸性增強,由此可以得出酸雨形成過程為二氧化硫與水反應SO2+H2O====H2SO3,酸雨為硫酸型酸雨。(4)如何設計實驗證明(3)中的結論,寫出你的思路,并與同學們進行交流。提示:①取一定量上述雨水,加入足量鹽酸,再加熱將產生的氣體通入品紅溶液中,品紅溶液褪色;②取①反應后的雨水于另一試管中,加入BaCl2溶液,產生白色沉淀;如圖:任務探究十【探究二】防止酸雨的措施的選擇2.通過近20年的治理,柳州空氣的二氧化硫含量已于2006年達標。(1)把煤燃燒產生的廢氣通入CaCO3與水形成漿狀物,可以起到很好的脫硫效果,同時制得副產品石膏。試寫出有關反應的化學方程式。提示:由于亞硫酸的酸性大于碳酸,故發生的反應為SO2+CaCO3====CaSO3+CO2,CaSO3再被氧氣氧化:2CaSO3+O2====2CaSO4。(2)為了持續打好環保戰,柳州市政府推廣綠色低碳的出行方式,大力支持當地清潔車輛的生產與使用。如使用純電動汽車,這些措施可以大大減少汽車尾氣的排放,汽車尾氣的主要污染氣體有哪些 造成的主要環境危害有哪些 提示:汽車尾氣的主要污染氣體為CO、NO、NO2等,對環境的主要危害有光化學煙霧、酸雨等。任務探究十(3)為了徹底修復城市生態,進一步改造城市風貌,柳州市不僅做了“節能減排”的減法,還進行“綠色覆蓋”的加法,實施了一系列城市綠化建設工程。這些做法體現了什么環境治理的思想 提示:柳州市的做法體現了環境治理的兩種措施:①控制進入大氣、土壤和水體的碳、硫和氮等化合物的量;②增強生態系統對碳、硫和氮等化合物的吸收能力。50任務探究十一【探究三】遷移應用3.水華指淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態現象,是藻類大量繁殖后使水體呈現藍色或綠色的一種現象。你能解釋原因嗎 可以采取什么措施防止這種現象的發生 提示:水華主要是由于生活及工農業生產中含有大量氮、磷的廢污水進入水體后,水體富營養化,引起藻類大量繁殖。為了防止水體富營養化可采取以下措施:①嚴控水域附近建設氮肥廠、磷肥廠;②禁止含磷洗滌劑的使用;③工業、生活廢水去營養化處理;④合理使用氮肥、磷肥。小結 展開更多...... 收起↑ 資源預覽 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫