1、第 15 课时 新型无机非金属材料 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
2、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 特性：硬度 ，化学性质 ，耐 ，可作航天 器的涂层材料。 工业上制取碳化硅的反应方程式： 。 (2)氮化硅陶瓷 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。 制取氮化硅(Si 3N4)的反应式 a ； b 。 2现代信息基础材料单晶
3、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 ； 。 3石墨、金刚石和 C60 金刚石、石墨、C 60 是碳的重要同素异形体。 (1)在金刚石、石墨、C 60 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： 。 20 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
4、为新型 材料，K 3C60 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 SiO23C SiC2CO 高 大 稳定 轴承 汽轮机叶片 发动机受热面 3Si2N 2 Si3N4 3SiCl42N 26H 2 Si3N412HCl 2.SiO22C Si2CO Si3HCl SiHCl3H 2 Si3HCl SiHCl3 H2 3.石墨金刚石C 60 化学 CH4 C(金刚石)2H 2 微 波 或 直 流 放 电 基 本 温 度 950 、氢 气 、稀 有 气 体 偶数 C60 、C 70 、 C
5、240、C 540、C 960 C60 C60H18 C60H36 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 P52P55，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
6、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： 特点 举例 耐高温、强度高 氮化硅(Si 3N4)在 1200下仍具高强度，可做轴承、永久性模具 电学特性 如半导体、导体、超导体及作为集成电路基板的绝缘材料 光学特性 某些新型材料能够穿过红外线、雷达射线，甚至可见光都可透过 生物功能 如氧化锆(ZrO 2)陶瓷可制作人造骨、假牙，股关节等；用熔融法制得 的以 CaONa2OSiO2
7、P2O5 为主要成分的生物陶瓷可以制作人造骨 【即学即练 2】下列说法中不正确的是( ) 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
8、】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 SiHCl3(粗 ) 精 馏 SiHCl3(纯 ) H2 1 357 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 SiHCl3(粗 ) 精 馏 SiHCl3(纯 ) H2 1 357 K高 纯 硅 写出由纯 SiHCl3 制备高纯硅的化学反应方程式 _ _。 整个制
9、备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl 3 遇水剧烈反应生成 H2SiO3、HCl 和另一种 物质，写出配平的化学反应方程式_； H2 还原 SiHCl3 过程中若混入 O2，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
10、并给予解释_。 3.(1)SiHCl 3H 2 Si3HCl SiHCl 33H 2O=H2SiO33HClH 2 氧气= = = = = 1 357 K 与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化 SiHCl3 (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 2SiO3 和 NH4Cl 均能够水解，二者相互促 进，Na 2SiO3 水解生成 H2SiO3，NH 4Cl 水解产生 NH3。 【解析】(1)根据原子守恒即质量守 恒可以写出 SiHCl3 与 H2 反应的化学方程式。 SiHCl 3 和 H2O 剧烈反应生成 H2SiO3、HCl 和另一种物质
11、，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 H2。 (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
12、酸；C 项中水晶SiO 2；D 项中粗硅制备单晶硅的反应 有：Si2Cl 2 SiCl4，SiCl 42H 2 Si4HCl。= = = = = = = = = = 2.对于化学方程式 SiO23C SiC2CO，有关叙述正确的是( )= = = = = 高 温 A.反应中 SiO2 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 12 2.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) 12。
13、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 C60(足球烯，1 个分子中含 30 个双键)最具代表性。如图为 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 是高分子化合物 C.一定条件下 X 可与 H2发生加成反应 D.X 的摩尔质量为 720n gmol-1 3.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 H2发生加成反应，C 正确；由题干信息 X 由 n 个 C60连接而成可知， X 的摩尔质量为 720n
14、gmol -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： Si(s)3HCl(g) SiHCl3(g)H 2(g)；H 381 kJmol1= = = = = 300 SiHCl 3H 2 Si3HCl= = = = = 1 000 1 100 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】是逆向进行的反应， 放热反应，必然是吸热反应，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
15、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 2O3 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( ) 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 化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反
16、应物进行无溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐 提前建成的三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料 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 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. 6.D【解析】解析：本题主要考查硅及其化合物的具体应用。刚玉的主要成分为 Al2O3；玛 瑙的主要成分是 SiO2；玻璃的主要成分为 SiO2 和硅酸盐；水泥的主要成分为 3CaOSiO2、2CaOSiO 2、3CaOAl 2O3 等，为硅酸盐材料；Cu 2O 虽然是红色的，但它不能 变色，也不能吸收有害光线。硅材料不会产生对环境有害的物质。 7.氮化碳
17、结构如下图所示，其硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列有 关氮化碳的说法不正确的是( ) A.氮化碳属于化合物 B.氮化碳中碳显4 价，氮显 3 价 C.氮化碳的化学式为 C3N4 D.每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连 7.B【解析】碳氮原子间以共价键结合，由于氮原子的得电子能力大于碳原子，共用电子对 偏向氮原子而使其显负价，根据最外层电子数可得碳显4 价，氮显3 价，据此也可得出 其化学式为 C3N4。由题图分析得每一个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原 子相连。 二、填空题（共 15 分） 8.(6 分)用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代高
18、科技中占有重要位置，足见化学对 现代物质文明的重要作用。例如： (1)计算机芯片的主要成分是_。 (2)光导纤维的主要成分是_。 (3)目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是_ 。 (4)用作吸附剂、干燥剂、催化剂或催化剂载体的人造分子筛大多是一类称为_的化 合物_。 8.(1)硅(或 Si 或单晶硅) (2)二氧化硅(或 SiO2) (3)硅(或 Si) (4)铝硅酸盐( 或硅铝酸盐) 【解析】根据 A 物质的性质可知 A 物质为二氧化硅。 9.(9 分) 晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下： 高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅 粗硅与干燥 HCl 气体反应制得 SiHCl3
19、：Si3HCl SiHCl3H 2= = = = = 300 SiHCl 3 与过量 H2 在 1 0001 100反应制得纯硅 已知 SiHCl3 能与 H2O 强烈反应，在空气中易自燃。 请回答下列问题： (1)第步制备粗硅的化学反应方程式为 _。 (2)粗硅与 HCl 反应完全后，经冷凝得到的 SiHCl3(沸点 33.0)中含有少量 SiCl4 (沸点 57.6)和 HCl(沸点84.7)，提纯 SiHCl3 采用的方法为 _。 (3)用 SiHCl3 与过量 H2 反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去) ： 装置 B 中的试剂是_ 。 装置 C 中的烧瓶需要加热，其目的是 _。
20、 反应一段时间后，装置 D 中观察到的现象是_， 装置 D 不能采用普通玻璃管的原因是 _， 装置 D 中发生反应的化学方程式为 _。 为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以 及_。 为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试 剂是_(填写字母代号 )。 a碘水 b氯水 c NaOH 溶液 dKSCN 溶液 e Na 2SO3 溶液 9.(1)SiO22C Si 2CO = = = = = 高 温 (2)分馏(或蒸馏 ) (3)浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCl3 气化 有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃会软化 SiH
21、Cl3 H2 Si3HCl = = = = = 1 000 1 100 排尽装置中的空气 bd 或 c 【解析】(1)根据题给信息，粗硅可以用碳还原二氧化硅的办法来制得，故反应方程式为 SiO22C Si2CO；= = = = = 高 温 (2)因 HCl 易溶于水，而 SiHCl3 与 H2O 强烈反应，故提纯 SiHCl3 的方法只能在无水的条件 下利用它们的沸点不同，采用分馏的方法进行； (3)因 SiHCl3 与水强烈反应，故 A 中产生的 H2 必须干燥，故 B 中的液体一定为浓 H2SO4，且 C 中烧瓶需加热，其目的是使 SiHCl3 气化，加快与 H2 的反应。根据题给信 息石
22、英管中产生的物质应为硅，故 D 中现象应有固体产生，由题给信息，制纯硅的反应条 件为 1 0001 100，此温度下普通玻璃容易软化。因高温下 H2 与 O2 容易反应而爆炸， 故还应排尽装置中的空气。铁与盐酸反应产生 Fe2 ，其检验方法常常采用先将 Fe2 氧化 为 Fe3 然后再加入 KSCN 溶液看是否变血红色来检验。 B 组（课后拓展） 1.科学界拟合成一种“双重结构”的球形分子，即把足球烯 C60分子容纳在 Si60分子中， 外面的硅原子与里面的碳原子以共价键结合，下列有关叙述正确的是( ) A.该反应属于置换反应 B.该物质是一种新型化合物 C.该物质具有极高的熔沸点 D.该晶体
23、属于原子晶体 1.B【解析】读懂题意，根据题意筛选有用信息。把足球烯 C60分子容纳在 Si60分子中，外 面的硅原子与里面的碳原子以共价键结合可知，该反应是化合反应，A 错误；生成一种新 型化合物，B 正确；该物质为分子晶体，熔沸点不会太高，C、D 错误。 2.精细陶瓷(又称为特种陶瓷)在现代科技中的应用前景很广。用 SiO2 加少量 PdCl2 研磨成 极细的颗粒，经高温烧结制成多孔烧结体，具有半导体的性质。它具有相当大的表面积， 将它和电子组件及仪表组成“电子鼻”，被称为“ 人工神鼻” 。冰箱泄漏的氟利昂浓度即使只 有十万分之一，它也能“嗅” 出。关于“ 电子鼻”的下列叙述中不正确的是(
24、 ) A.“电子鼻”大大突破了人的嗅觉 B.“电子鼻”吸附气体的能力极强 C.“电子鼻”可广泛应用于易燃、易爆、有毒气体的自动检测和报警 D.“电子鼻”易溶于水 2.D【解析】 “电子鼻”能够“ 嗅”到人嗅不到的物质，所以它大大突破了人的嗅觉极限； 它的原理是其表面积极大，容易吸附气体，这样才能检测气体；由于它能够吸附气体，所 以它能够检测到易燃、易爆、有毒气体。从“电子鼻”所用的原料来看，烧结后的陶瓷应 属于硅酸盐材料，所以应难溶于水。 3.单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、 铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅 (反应温度 450500
25、)，四氯化硅经提 纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。 相关信息如下： a四氯化硅遇水极易水解； b硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物； c有关物质的物理常数见下表： 物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5 沸点/ 57.7 12.8 315 熔点/ 70.0 107.2 升华温度/ 180 300 162 请回答下列问题： (1)写出装置 A 中发生反应的离子方程式 _。 (2)装置 A 中 g 管的作用是_ ；装置 C 中的试剂是 _；装置 E 中的 h 瓶需要 冷却的理由是_。 (3)装置 E 中 h 瓶收集到的粗产
26、物可通过精馏( 类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后 的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是_(填写元素符号) 。 (4)为了分析残留物中铁元素的含量，先将残留物预处理，使铁元素还原成 Fe2 ，再用 KMnO4 标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定，反应的离子方程式是： 5Fe2 MnO 8H =5Fe3 Mn 2 4H 2O 4 滴定前是否要滴加指示剂？_( 填“是”或“否”)，请说明理由 _。 某同学称取 5.000 g 残留物，经预处理后在容量瓶中配制成 100 mL 溶液，移取 25.00 mL 试样溶液，用 1.000102 molL1 KMnO4 标准溶液滴定。达到滴定
27、终点时，消耗标准溶液 20.00 mL，则残留物中铁元素的质量分数是_。 3.(1)MnO24H 2Cl Mn2 Cl 22H 2O = = = = = (2)平衡压强，使液体顺利流下 浓硫酸 使 SiCl4 冷凝 (3)Al、P、Cl (4)否 KMnO 4 溶液自身可作指示剂 4.480% 【解析】制四氯化硅是由粗硅与 Cl2 反应得到的，所以必须先制得 Cl2，因 SiCl4 极易水解， 所以 Cl2 须干燥，再根据表格数据分析提纯 SiCl4 的方法。 (1)书写的是离子方程式，B 装置 中盛放饱和食盐水除去 HCl， C 装置中用浓 H2SO4 除水以制得干燥纯净的 Cl2；(2)A
28、 中用 恒压分液漏斗平衡压强，使液体顺利流下；h 瓶用冷却液冷却主要目的是得到 SiCl4；(3)精 馏粗产物得到 SiCl4，温度应控制在 57.7，此时 BCl3 变为气体，但 AlCl3、FeCl 3、PCl 5 均 残留在瓶中，所以残留杂质元素是 Fe、Al、P、Cl，(4)中滴定时 MnO 是自身指示剂， 4 终点时变为紫红色且 30 s 内不变即可读数；中 5Fe2 MnO 4 5 1 x n n1.00010 2 molL1 20 mL103 LmL1 2.00010 4 mol x1.00010 3 mol，从 100 mL 中取出 25 mL，原溶液中 n(Fe2 )4.00010 3 mol， w 4.480%。 4.00010 3 mol56 gmol 15.0 g
