《硅酸盐与无机非金属材料》导学案+课时作业.docx

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《硅酸盐与无机非金属材料》导学案+课时作业

第2课时　硅酸盐与无机非金属材料

[学习目标]　1.能从材料组成的角度对生活中常见的材料进行分类，能根据使用要求选择适当的材料，能解释使用注意事项，并能科学合理使用。

2.了解硅酸盐的主要性质，知道传统硅酸盐制品和一些新型无机非金属材料的性能；体会材料性能与应用的关系。

1.硅酸盐及传统无机非金属材料

（1）硅酸盐

①性质：

硅酸盐性质

稳定，熔点

较高，多数

难溶于水。

②表示方法：

硅酸盐的组成比较复杂，常用氧化物的形式表示。

例如：

硅酸钠（Na2SiO3）可表示为

Na2O·SiO2，钠长石（NaAlSi3O8）可表示为

Na2O·Al2O3·6SiO2。

③最简单的硅酸盐——Na2SiO3，其水溶液俗称

水玻璃。

（2）传统的无机非金属材料——硅酸盐产品

2．新型无机非金属材料

硅酸盐与无机非金属材料

　　　　　　　　　　　　　[交流研讨]

一位历史学家说过这样一句话“当中国人烧制出陶器时，西方人还在树上生活，而西方人学会了烧制陶器时，中国人已经烧制出瓷器享受生活”，这说明中国人很早就烧制出陶瓷做餐饮器皿，你认为烧制陶瓷的工艺流程是怎样的？

提示：

用黏土和泥―→成形―→凉干―→烧制。

[点拨提升]

1．水泥在烧制过程中发生了复杂的物理、化学变化，其性能是具有水硬性，广泛应用于建筑。

2．陶瓷：

耐腐蚀、耐高温、硬而脆，经不起热冲击。

3．玻璃：

硬而脆、耐腐蚀、透光性能好，不易加工，无固定的熔、沸点。

4．Na2SiO3的性质与用途

知识拓展

硅酸盐组成的表示方法

（1）化学式法：

如硅酸钠（Na2SiO3）、硅酸钙（CaSiO3）等。

此法一般用于组成比较简单的硅酸盐。

（2）氧化物法：

一般用于组成比较复杂的硅酸盐。

①各氧化物的排列顺序：

较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→SiO2→H2O。

②氧化物化学式之间用“·”隔开。

③氧化物前系数配置原则：

除氧元素外，其他元素均表示成化合价相同的氧化物，并按前后原子个数守恒原则配置系数。

④系数出现分数时化为整数

如石棉：

KAlSi3O8→K2O·Al2O3·6SiO2。

特别提醒　

（1）由于硅酸盐的组成与结构很复杂，为了简化对硅酸盐组成的表示方法，采用了氧化物的组合形式表示法。

实际上硅酸盐不是以简单氧化物的形式存在的，而是以各种结构复杂的盐的形式存在的。

（2）硅酸盐无论以何种形式表示，其组成及成分是固定不变的，即性质是不变的。

（3）硅酸盐用氧化物的组合形式表示时，必须遵循各元素化合价代数和为零的原则，氧化物前面的计量数只对该氧化物起作用，对其他氧化物不起作用。

[练习与活动]

1．过量的泥沙、纯碱、生石灰在高温下熔化后生成：

①水泥　②玻璃　③瓷器　④混凝土　⑤一种硅酸盐产品

A．①④B．②⑤C．③④D．①②

答案　B

解析　水泥的主要成分是2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3，其生产原料为黏土和石灰石。

陶瓷属于硅酸盐产品，其主要原料是黏土。

混凝土是水泥、碎石和沙子的混合物。

泥沙的主要成分是SiO2，与纯碱（Na2CO3）、生石灰（CaO）熔化后发生如下反应：

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaO

CaSiO3。

而Na2SiO3、CaSiO3与SiO2的熔合物即为玻璃，玻璃是一种硅酸盐产品。

2．用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是（　　）

A．钙沸石[Ca（Al2Si3O10）·3H2O]可表示为

Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O

B．镁橄榄石（Mg2SiO4）可表示为MgO·

SiO2

C．钾云母（K2Al6Si6H4O24）可表示为

K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2

D．黏土[Al2（Si2O5）（OH）4]可表示为

Al2O3·2SiO2·2H2O

答案　D

解析　A项中Al2O3和CaO的排列顺序错误；B项应表示为2MgO·SiO2；C项中的顺序不正确，应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。

方法技巧

硅酸盐的氧化物组合形式的表示步骤：

（1）将硅酸盐中所有非氧元素都写成氧化物形式，书写顺序为较活泼金属氧化物、较不活泼金属氧化物、二氧化硅、水；

（2）在各氧化物前添上未知数x、y、z等；

（3）依据原子守恒列出等式，求出x、y、z等；

（4）将x、y、z的具体数值写在氧化物前面；

（5）氧化物之间以“·”隔开，若氧化物前面的系数出现分数应化为整数。

本课小结

学习·理解

1．生产普通玻璃所用的原料不包括（　　）

A．石英B．黏土

C．纯碱D．石灰石

答案　B

解析　生产普通玻璃所用的原料是石英、纯碱和石灰石，不包括黏土。

2．下列有关水泥的说法不正确的是（　　）

A．制造水泥的主要原料是石灰石、纯碱和黏土

B．普通水泥的主要成分是钙的硅酸盐和铝酸盐

C．水泥具有水硬性

D．混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物

答案　A

解析　制造水泥的原料中没有纯碱，A错误。

普通水泥的主要成分是硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙等，B正确。

混凝土的成分是水泥、沙子和碎石，D正确。

3．唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于（　　）

A．氧化铝B．二氧化硅

C．硅酸盐D．合金

答案　C

解析　唐三彩、秦兵马俑制品属于硅酸盐产品。

4．下列关于无机非金属材料的说法不正确的是（　　）

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，具有极大的强度

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

答案　D

解析　新型无机非金属材料的主要成分并不是硅酸盐，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等，故D错误。

5．下列物质是纯净物的是（　　）

A．玻璃B．水泥

C．纯碱D．水玻璃

答案　C

解析　玻璃、水泥均是多种硅酸盐的混合物；水玻璃是Na2SiO3的水溶液，也是混合物；纯碱是Na2CO3，为纯净物。

6．中国的瓷器驰名世界，传统陶瓷是以黏土[主要成分为Al2Si2O5（OH）4]等天然硅酸盐为主要原料烧成的制品。

下列有关说法不正确的是（　　）

A．黏土也是制备玻璃的原料之一

B．黏土的主要成分可以表示为Al2O3·2SiO2·2H2O

C．陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料

D．传统陶瓷材料的成分与新型陶瓷材料的成分不同

答案　A

解析　制备玻璃的主要原料是石英、石灰石与纯碱，不包括黏土，A错误。

7．

（1）三硅酸镁晶体被用来治疗胃溃疡病患者的胃酸过多症，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。

三硅酸镁晶体的化学式为Mg2Si3O8·nH2O。

用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式：

________________________。

（2）无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两类。

下列属于传统无机非金属材料产品的是__________________。

①玻璃　②氮化硅陶瓷　③砖瓦　④硅芯片　⑤光导纤维　⑥水泥

答案　

（1）2MgO·3SiO2·nH2O　

（2）①③⑥

解析　

（1）用氧化物的形式表示硅酸盐时，应注意书写顺序：

活泼金属的氧化物、较活泼金属的氧化物、二氧化硅、水。

（2）光导纤维的主要成分是二氧化硅，硅芯片是高纯度的硅。

②④⑤都是新型无机非金属材料。

应用·实践

8．下列溶液中①碳酸钠溶液，②氢氟酸，③氢氧化钠溶液，④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是（　　）

A．①③B．②④C．②③D．①④

答案　A

解析　①、③中溶液呈碱性，不能与光滑的玻璃反应，但能与磨口玻璃裸露的SiO2反应，生成的硅酸钠溶液是一种矿物胶，具有良好的黏结性，易使瓶塞与瓶壁粘在一起而难以开启。

氢氟酸能腐蚀玻璃，不能盛放在玻璃试剂瓶中。

9．古瓷中所用颜料的成分一直是个谜。

近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡（BaCuSi2Ox，铜为＋2价），下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是（　　）

A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2

B．性质稳定，不易脱色

C．易溶于强酸和强碱

D．x等于6

答案　C

解析　BaCuSi2Ox中Ba为＋2价，Cu为＋2价，Si为＋4价，O为－2价，由化合价代数和为零知：

（＋2）＋（＋2）＋2×（＋4）＋（－2）x＝0，得x＝6，则用氧化物形式表示硅酸铜钡为BaO·CuO·2SiO2，A、D项正确；由题干信息可知硅酸铜钡性质稳定，不易脱色，故B项正确，C项错误。

10．下列有关硅及其化合物的说法正确的是（　　）

A．玻璃容器能贮存氢氟酸

B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在具有磨口玻璃塞的试剂瓶中

C．用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入CO2

D．由Na2CO3＋SiO2

CO2↑＋Na2SiO3可知，硅酸的酸性强于碳酸

答案　C

解析　玻璃含有的SiO2能与氢氟酸反应，A错误；硅酸钠是一种黏合剂，能将玻璃塞和瓶体粘在一起，不便于打开，B错误；D项中的反应能发生是因为生成的CO2气体不断逸出，不能说明硅酸的酸性强于碳酸。

11．新型无机材料碳化钛（TiC）、碳化硼（B4C3）、氮化硅（Si3N4）等称为非氧化物陶瓷，合成这些物质需在高温下进行，在合成工艺中必须注意（　　）

A．通入充足的氧气B．可在空气中进行

C．可在氮气氛围中合成D．通入少量氧气

答案　C

解析　合成这些无机非金属材料的过程中应杜绝氧气的存在，否则会生成相应的氧化物。

12．现有硅酸钠、石灰石、二氧化硅三种白色粉末，只用一种试剂就可以将它们鉴别开，该试剂是（　　）

A．纯水B．盐酸

C．硝酸银溶液D．碳酸钠溶液

答案　B

解析　硅酸钠、石灰石、二氧化硅中后两种难溶于水；硅酸钠溶液与盐酸反应会出现白色沉淀，石灰石与盐酸反应产生气体，SiO2与HCl不反应；硅酸钠溶液可与硝酸银溶液反应生成白色沉淀，其余无明显现象；加入碳酸钠溶液后均无明显现象。

13．将足量CO2气体通入水玻璃中，然后蒸干，再在高温条件下充分反应，最后所得固体物质是（　　）

A．Na2SiO3B．Na2CO3、Na2SiO3

C．Na2CO3、SiO2D．SiO2

答案　A

解析　足量CO2与水玻璃反应生成NaHCO3和H2SiO3，在高温条件下H2SiO3分解生成SiO2和H2O，NaHCO3分解生成Na2CO3、CO2和H2O，SiO2又与Na2CO3反应生成Na2SiO3和CO2，根据各物质量的关系知最后得到的固体物质是Na2SiO3，A项正确。

14．含硅材料有广泛用途。

（1）制造普通玻璃的主要原料是________、________、________，发生的主要反应有________________________、__________________________。

（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

B．氮化硅熔点高，硬度大，可用于制作高温陶瓷

C．钢化玻璃通常用于制车窗玻璃，破碎时没有尖锐的棱角

D．太阳能电池可采用硅材料制造，其应用有利于环保、节能

E．三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料

（3）氮化硅陶瓷也是一种新型无机非金属材料，它的硬度大、熔点高，化学性质稳定。

工业上普遍采用高纯度硅与纯氮在1300℃反应获得，写出反应的化学方程式：

__________________________。

（4）某硅酸盐样品中锌的质量分数为58.6%，其化学组成用氧化物形式可表示为nZnO·SiO2，则n值约等于________。

答案　

（1）纯碱　石灰石　石英　Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑　

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑

（2）ABCDE　（3）3Si＋2N2

Si3N4　（4）2

解析　

（1）制造普通玻璃的主要原料有纯碱、石灰石、石英；主要反应：

Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑。

（2）A项，碳化硅熔点高、性质稳定，可用于生产耐高温水泥；B项，氮化硅熔点高，硬度大，可用于制作高温陶瓷或轴承；C项，钢化玻璃通常用于制车窗玻璃，破碎时没有尖锐的棱角；D项，太阳能电池无污染；E项，水泥是硅酸盐产品。

（3）氮化硅中氮显－3价，硅显＋4价，反应的化学方程式为3Si＋2N2

Si3N4。

（4）

×100%＝58.6%，解得n≈2。

迁移·创新

15．白玉的化学式可用CaxMgySipO22（OH）2表示（也可用Ca、Mg、Si、H的氧化物的组合形式表示）。

（1）取8.10g白玉粉末灼烧至恒重，固体质量减少了0.18g，则白玉的摩尔质量为____________________________。

（2）另取4.05g白玉粉末加入100mL1mol·L－1的盐酸中充分溶解，最终得到不溶氧化物2.40g。

过滤后，向滤液中加入足量的铁屑，得到标准状况下的气体336mL。

则：

①p＝________。

②白玉的化学式为___________________（用氧化物的组合形式表示）。

答案　

（1）810g·mol－1

（2）8　2CaO·5MgO·8SiO2·H2O

解析　

（1）由白玉的化学式CaxMgySipO22（OH）2可知，1mol该物质在灼烧时发生反应生成1mol水。

n（H2O）＝m/M＝0.18g÷18g·mol－1＝0.01mol，所以白玉的物质的量也是0.01mol。

故白玉的摩尔质量为8.10g÷0.01mol＝810g·mol－1。

（2）n（白玉）＝4.05g÷810g·mol－1＝0.005mol，SiO2的物质的量为2.40g÷60g·mol－1＝0.04mol。

因此1mol白玉中含有Si的物质的量为0.04mol÷0.005mol×1mol＝8mol，即p＝8。

由方程式Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑可知，n（H2）＝0.336

L÷22.4L·mol－1＝0.015mol，因此与白玉反应后过量的HCl的物质的量为0.03mol，则白玉消耗的HCl的物质的量为1mol·L－1×0.1L－0.03mol＝0.07mol，故1mol白玉参加反应需要消耗的HCl的物质的量为0.07mol÷0.005mol×1mol＝14mol。

由于该化合物中Ca、Mg元素的化合价都是＋2，所以与盐酸反应时每个金属阳离子都要结合2个Cl－，故n（Ca2＋）＋n（Mg2＋）＝14mol÷2＝7mol，即x＋y＝7，再结合相对分子质量40x＋24y＋28×8＋16×22＋17×2＝810，两式联立求解，可得x＝2，y＝5。

所以白玉的化学式为Ca2Mg5Si8O22（OH）2，用氧化物的组合形式表示为2CaO·5MgO·8SiO2·H2O。