5.3无机非金属材料-高一化学讲义分层练习（人教版2019）

第三节无机非金属材料1.结合生产、生活中各种常见的无机非金属材料的应用，了解多种硅酸盐材料、新型无机非金属材料的性能和用途。培养科学态度与社会责任这一学科素养。2.掌握晶体硅的制备原理，培养变化观念。知识点一、硅酸盐材料1.无机非金属材料2.传统无机非金属材料多为硅酸盐材料（1）硅酸盐的结构与性能硅酸盐的结构性质Si和O构成了硅氧四面体多数具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀（2）三种常见硅酸盐产品硅酸盐产品原料主要设备或生产条件应用陶瓷黏土（主要成分含水的铝硅酸盐）高温烧结用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等玻璃（主要成分：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2）纯碱、石灰石和石英砂在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等水泥黏土、石灰石、石膏（调节水泥的硬化速率）水泥回转窑水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程（3）特种玻璃在玻璃中加入的元素或物质玻璃特性用途含铅原料光学玻璃：透光性好，折射率高制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜硼酸盐耐化学腐蚀、耐温度急剧变化制造可用于实验室使用的玻璃仪器金属氧化物或盐彩色玻璃用于建筑和装饰知识点二、新型无机非金属材料1.硅和二氧化硅（1）单质硅的性质：硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。（2）自然界中的硅元素：主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶和玛瑙）形式存在。（3）晶体硅的制备①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑；②Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl。（4）硅和二氧化硅的用途①晶体硅：制芯片、硅太阳能电池等。②二氧化硅晶体：生产光导纤维。2.新型陶瓷（1）碳化硅（SiC）俗称结构特点主要性能用途金刚砂碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石硬度很大、高温抗氧化性能优异砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料（2）新型陶瓷名称原料或成分优良性能用途高温结构陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成耐高温、抗氧化、耐腐蚀等可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷主要有钛酸盐和锆酸盐等能实现机械能与电能的相互转化可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化铝等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零，具有超导性可用于电力、交通、医疗等领域3.碳纳米材料碳纳米材料名称组成性能应用或用途富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中C60是富勒烯的代表物C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料的研究和应用的新时代，如用C60作车轮的“纳米汽车”碳纳米管可看成由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能可用于生产复合材料、电池和传感器等石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高，具有很高的强度可用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面，如使用了石墨烯材料的动力电池和超轻海绵等探究任务晶体硅的制备1.工业制备晶体硅的流程示意图2.反应原理（1）粗硅的制取：2C＋SiO22CO↑＋Si(粗硅)（2）纯硅的制取：Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2或：Si(粗硅)＋2Cl2SiCl4SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl或：SiCl4＋2H2Si(纯硅)＋4HCl【典例1】在无机非金属材料中,硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下:①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅;②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3:③SiHCl3与过量H2在1000~1100℃反应制得纯硅。请回答下列问题:（1）第①步制备粗硅反应的化学方程式为。（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）从基本反应类型角度分类,步骤③中发生的反应属于。（4）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.氯水 B.NaOH溶液C.KSCN溶液 D.Na2SO3溶液【答案】（1）SiO2+2CSi+2CO↑（2）蒸馏(或分馏)（3）置换反应（4）AC【解析】（1）高温下用碳还原二氧化硅可制得粗硅,同时生成一氧化碳。（2）分离沸点不同的液体应用蒸馏(或分馏)的方法。（3）步骤③中发生反应的化学方程式为SiHCl3+H2Si+3HCl,属于置换反应。（4）鉴定产品中是否含铁单质,用稀盐酸溶解后生成Fe2+,因含量少,应将Fe2+转化为Fe3+后再检验,故选AC。【变式训练1】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：①高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅，同时得到一种可燃性气体；②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2)；③SiHCl3与过量的H2在1100℃的温度下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃。（1）第一步制取粗硅反应的化学方程式为____________________________________。（2）粗硅与HCl气体反应完全后，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）实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去)：①装置B中的试剂是________，装置C中的烧杯需要加热，目的是____________________。②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是____________________________________________________。③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______________________________________。【答案】（1）SiO2＋2CSi＋2CO↑（2）分馏(或蒸馏)（3）①浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化②有固体物质生成在题给反应温度下(1100℃)，普通玻璃管会软化SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl③排尽装置中的空气【解析】（3）①因SiHCl3能与水剧烈反应，故装置A中产生的H2必须干燥，因此装置B中的试剂为浓H2SO4，且装置C中的烧杯需加热，其目的是使SiHCl3汽化，加快其与H2的反应速率。②石英管中产生的物质应为硅，故装置D中有固体产生；由题给信息可知，制纯硅的反应条件为1100℃，此温度下普通玻璃管容易软化。③因高温下H2与O2反应容易爆炸，故还应排尽装置中的空气。1．制取下列物质不需要用石灰石作原料的是()A．硅酸B．水泥C．玻璃D．生石灰【答案】A【解析】硅酸由可溶性硅酸盐与酸反应制得。2．下列说法错误的是()A．二氧化硅是光导纤维的主要原料B．硅是信息技术的关键材料C．陶瓷餐具所用材料为硅酸盐D．水晶镜片所用原料为硅酸盐【答案】D【解析】水晶、光导纤维主要成分为SiO2。Si用于信息产业及太阳能电池。传统硅酸盐材料是陶瓷、水泥、玻璃。3.（2023·广东卷）“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是A．九霄环佩木古琴B．裴李岗文化骨笛C．商朝后期陶埙D．曾侯乙青铜编钟【答案】C【解析】本题考查了中国古乐器的主要成分。九霄环佩木古琴主要构成是木材（主要成分：纤维素），动物筋制得（主要成分：蛋白质），A项错误；裴李岗文化骨笛由动物骨骼（主要成分：碳酸钙和磷酸钙

）构成，B项错误；商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐制成，C项正确；曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D项错误。4．新型无机非金属材料碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C3)、氮化硅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。5．单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，其功能远比我们想象的要大得多，这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为①SiO2＋2CSi＋2CO↑②Si＋2Cl2SiCl4③SiCl4＋2H2Si＋4HCl下列对上述三个反应的叙述中，错误的是()A．①③为置换反应B．②为化合反应C．①②③均为氧化还原反应D．三个反应的反应物中硅元素均被还原【答案】D【解析】①③中硅元素被还原，②中硅元素被氧化，D错误。6.氮化硅是一种高温结构陶瓷，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在1300℃时反应获得。（1）根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是______(填序号)。①制汽轮机叶片②航空航天耐高温材料③制永久性模具④汽车发动机（2）画出N的原子结构示意图：_________________，写出氮化硅的化学式：________。（3）高纯硅与纯氮气反应制得氮化硅，请写出反应的化学方程式：_______________________________________________________。【答案】（1）①②③④（2）Si3N4（3）2N2＋3SiSi3N4【解析】从有关信息可知，氮化硅具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。由于Si元素显＋4价，N元素显－3价，故氮化硅的化学式为Si3N4。1.20世纪80年代后，人们发现和证实碳的另一类单质，它们是由一系列偶数个碳原子组成的分子，其中C60(足球烯，分子中含有30个双键)最具代表性。下图所示为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的熔点比金刚石高C．X是碳的一种同素异形体D．X的相对分子质量为720n【答案】B【解析】X的熔点比金刚石低。2．下列关于硅及其化合物的说法，不正确的是()A．晶体硅可用做半导体材料B．硅的氧化物都可用做光导纤维的材料C．碳化硅可用做砂纸、砂轮的磨料D．生产玻璃和水泥的原料中都有石灰石【答案】B【解析】硅的单质有晶体硅和无定形硅两种，晶体硅才可用做半导体材料。硅的氧化物中晶体二氧化硅才可用做光导纤维的材料。3．下列叙述中，正确的是()A．自然界中存在大量的单质硅B．石英、水晶的主要成分都是二氧化硅C．二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸或碱溶液发生化学反应D．自然界中硅元素都存在于石英中【答案】B【解析】自然界中硅元素含量很高，但都以化合态形式存在，A项错误；硅元素是亲氧元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，D项错误；二氧化硅的性质稳定，C项错误。4.材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是()选项材料主要化学成分A刚玉、金刚石三氧化二铝B大理石、石灰石碳酸钙C普通水泥、普通玻璃硅酸盐D沙子、石英二氧化硅【答案】A【解析】刚玉的成分是Al2O3，金刚石的成分是C，A项错误；大理石、石灰石的主要成分都是CaCO3，B项正确；普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃熔炉中熔融而得到的硅酸盐，普通水泥是以黏土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏而得到的硅酸盐，C项正确；沙子和石英的主要成分都是SiO2，D项正确。5．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．混凝土指水泥、沙子和碎石的混合物【答案】A【解析】A项，制造水泥的原料中没有纯碱，错误。B项，普通水泥的主要成分是硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙等，正确。D项，混凝土的成分是水泥、沙子和碎石，正确。6.下列有关硅及其化合物的说法正确的是()A．晶体硅具有金属光泽，可以导电，属于金属材料B．常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅大部分以游离态存在C．SiO2是一种酸性氧化物，能够与水反应生成相应的酸D．除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸【答案】D【解析】A项，晶体硅虽然具有金属光泽，但它属于非金属单质；其导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。B项，虽然常温下硅的化学性质稳定，但自然界中没有游离态的硅，它主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。C项，SiO2不同于其他酸性氧化物，它不溶于水也不与水反应。D项，SiO2不溶于稀盐酸，可使用稀盐酸除去其中混有的CaCO3，化学方程式为CaCO3＋2HCl=CaCl2＋CO2↑＋H2O。7．证明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正确方法是()A．加入过量盐酸，观察是否有气泡冒出B．加入过量烧碱溶液，观察是否有固体溶解C．加热至高温，观察是否有气体冒出，是否有硅酸钙生成D．先加入过量盐酸搅拌，观察是否有不溶物剩余及气泡出现【答案】D【解析】SiO2不溶于除氢氟酸以外的任何酸，CaO、CaCO3均可溶于盐酸，且CaCO3溶于盐酸有气泡生成。8.（1）想一想，为什么可将陶瓷、玻璃、水泥归纳在一起，然后从所给的4个词中选出一个与它们同类的物质()A.光导纤维B.有机陶瓷C.人造纤维D.砖瓦（2）下列物质中，属于新型无机非金属材料的是()A.钢化玻璃B.碳化硼陶瓷C.光导纤维D.硼酸盐玻璃【答案】（1）D（2）BC【解析】（1）传统的无机非金属材料主要是指硅盐材料，如玻璃、水泥、陶瓷，砖瓦是陶瓷中的一种，所以选D。（2）新型无机非金属材料的品种较多，如高温结构陶瓷和光导纤维等，其中氮化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等属于高温结构陶瓷，所以选B、C。9.A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转化关系如图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似。请填空：（1）组成A单质的元素的最高化合价为________。（2）B的化学式为______，B和碳反应生成A和E的化学方程式为_________。（3）C的化学式为______________，D的化学式为______________。【答案】（1）＋4价（2）SiO2SiO2＋2CSi＋2CO↑（3）CaSiO3Na2SiO3【解析】由本题题眼“A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似”，推知A为硅；根据框图B＋碳→Si＋E，B既能与氧化钙反应又能与氢氧化钠反应，推知B为二氧化硅，进一步推知C为硅酸钙，D为硅酸钠，E为一氧化碳。10．我国科学家合成的3nm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．它的结构与石墨相似D．碳纤维复合材料耐高温【答案】C【解析】石墨的内部结构是层状的，碳纳米管是管状的。11．下列有关说法正确的是()A．CO2与水反应生成碳酸，是酸性氧化物；SiO2不能与水反应生成硅酸（H2SiO3），不是酸性氧化物B．NaOH溶液不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放C．除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质应选用水D．粗硅制备时，发生的反应为C＋SiO2=Si＋CO2↑【答案】B【解析】A项，酸性氧化物是能与碱反应生成盐和水的氧化物，而不是能与水反应生成酸的氧化物，虽然SiO2不能与水反应生成硅酸，但SiO2能与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水，是酸性氧化物，错误；B项，玻璃的成分中含二氧化硅，碱性试剂都不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放，正确；C项，二氧化硅和碳酸钙都不溶于水，不能用水除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质，错误；D项，粗硅制备时的反应原理是2C＋SiO2Si＋2CO↑，需在高温条件下反应，且产物中生成的是CO，而不是CO2，错误。12．下列说法中不正确的是()A．普通玻璃质地透明，但属于混合物B．普通玻璃与钢化玻璃的化学成分相同C．氧化铝陶瓷可用来制做压电地震仪D．高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料【答案】C【解析】普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔化在一起得到的物质，为混合物；钢化玻璃是把普通玻璃放入电炉里加热，使它软化，然后急速冷却而制成的，因此其化学成分与普通玻璃相同，只是机械强度是普通玻璃的4～6倍，不易破碎；氧化铝陶瓷属生物陶瓷，主要用于制造人工器官，如假牙、关节等，压电陶瓷用于制作压电地震仪。13.陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是 ()A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成C.陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐D.陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点【答案】A【解析】氧化铁为红色，瓷器青色不是氧化铁形成的，A项错误；黏土具有良好的可塑性，可用于烧制陶制品，B项正确；陶瓷属于硅酸盐产品，C项正确；陶瓷的主要化学成分是硅酸盐，一般不易与酸碱等物质反应，D项正确。14.下列表述正确的是()①化学家采用玛瑙研钵研磨固体反应物进行无机溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐②三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料③夏天到了，游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制做的变色眼镜来保护眼睛④太阳能电池可采用硅材料制做，其应用有利于环保、节能A．①② B．①③C．②③④ D．②④【答案】D【解析】①玛瑙的主要成分是SiO2；③变色眼镜中添加的是AgBr。15.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(SiHCl3)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：①写出由纯SiHCl3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。SiHCl3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，可用于生产砂纸、砂轮等B．含硅4%的钢具有很高的导磁性，主要用做变压器铁芯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【答案】（1）①SiHCl3＋H2Si＋3HCl②SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑高温下H2与O2混合发生爆炸（2）ABC【解析】（1）①H2还原SiHCl3可制备Si，化学方程式为SiHCl3＋H2Si＋3HCl。②SiHCl3与H2O反应生成H2SiO3、HCl和H2；用H2还原SiHCl3过程中若混入O2，则高温下H2与O2反应发生爆炸。（2）A项，碳化硅硬度很大，可用于生产砂纸、