5.3无机非金属材料高一化学讲与练（人教版2019）

第五章化工生产中的重要非金属元素第三节无机非金属材料[学习目标]1.了解硅酸盐及其结构特点，知道常见的硅酸盐产品(玻璃、水泥、陶瓷)的工业生产。2.了解硅和二氧化硅的性质。3.知道一些新型的无机非金属材料硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳纳米材料等的性能和用途。[核心知识梳理]一、硅酸盐材料1．从组成上看，无机非金属材料多含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。2．硅酸盐材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥等。3．在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。4．下列硅酸盐材料的主要原料分别是：陶瓷：黏土；玻璃：纯碱、石灰石、石英砂；水泥：黏土和石灰石。5．常见的硅酸盐——Na2SiO3(1)硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。(2)硅酸钠在空气中放置易与空气中CO2反应而变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2=Na2CO3＋H2SiO3↓。(3)硅酸钠是制备黏合剂和木材防火剂等的原料。6．硅酸盐氧化物形式的书写硅酸盐由于组成比较复杂，通常用氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为：(1)顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水；氧化物之间以“·”隔开。(2)原则：各元素原子总个数比符合原来的组成，若出现分数应化为整数。例如：钠长石NaAlSi3O8不能写成eq\f(1,2)Na2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。(3)各元素的化合价不能改变。二、新型无机非金属材料1．硅(1)硅元素在周期表中的位置为第三周期、第ⅣA族，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。(2)硅单质的化学性质常温下：①与氟气反应：Si＋2F2=SiF4；②与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。加热或高温条件下：①与O2反应：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2；②与Cl2反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4；③与C反应：Si＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC。(3)高纯硅的制备原理eq\x(石英砂)eq\o(\o(→,\s\up12(焦炭),\s\do4(1800～2000℃)),\s\do14(①))eq\x(粗硅)eq\o(\o(→,\s\up12(HCl),\s\do4(300℃)),\s\do14(②))eq\x(SiHCl3)eq\o(\o(→,\s\up12(H2),\s\do4(1100℃)),\s\do14(③))eq\x(高纯硅)其中涉及的主要化学反应为：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)硅的用途高纯硅可用于生产计算机芯片和硅太阳能电池。2．二氧化硅(1)存在SiO2的存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英、水晶、玛瑙、沙子、光导纤维的主要成分均是SiO2。(2)SiO2的结构和物理性质SiO2中Si原子和O原子形成空间网状结构，故不存在单个的SiO2分子。SiO2的空间网状结构决定了其具有熔点高、硬度大、难溶于水等特点。(3)SiO2的化学性质(4)用途纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本材料，可以制作光导纤维。3．新型陶瓷(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在组成上有很大的变化，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。(2)碳化硅(SiC)碳化硅俗称金刚砂，它是由碳原子和硅原子通过共价键连接而形成，与金刚石的结构类似，硬度很大，具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。(3)新型陶瓷种类：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。4．碳纳米材料(1)富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是C60。(2)碳纳米管是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，具有高强度和优良的电学性能。(3)石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。[典例分析][典例1]材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列有关物质的说法正确的是A．Ti−Fe合金和La−Ni合金都是新型储氢合金B．石英玻璃、碳化硅陶瓷、水泥、石墨烯都是硅酸盐材料C．半导体行业中有一句话：“从沙滩到用户”，计算机芯片的材料是二氧化硅D．中国航天飞船外壳用到的是特种镁合金，属于新型无机非金属材料【答案】A【详解】A．Ti−Fe合金和La−Ni合金在加压条件下能与氢气反应生成金属氢化物，减压下释放氢气，都是新型储氢合金，A正确；B．石墨烯是碳的单质，不是硅酸盐材料，B错误；C．硅单质是应用最广泛的半导体材料，计算机芯片的材料是硅，C错误；D．镁合金属于金属材料，D错误；故选：A。[典例2]下列关于硅的说法中，不正确的是A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应【答案】C【详解】A．硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属，故A正确；B．硅既有金属性，又有非金属性，其导电性也介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，故B正确；C．硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下)，但常温下仍能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，故C错误；D．加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应，故D正确。答案选C。[典例3]下列材料的特性及用途的说法中不正确的是A．光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料B．氧化铝陶瓷具有两性，不可以用于制耐高温设备C．氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用来制造轴承D．人造刚玉硬度高，可用来制造刚玉球磨机【答案】B【详解】A．光导纤维传导光的能力很强，可以传输光，是非常好的通讯材料，A正确；B．氧化铝陶瓷熔点很高，可以用于制耐高温设备，B错误；C．氮化硅陶瓷耐高温、耐磨损且不易传热，可用来制造轴承，C正确；D．人造刚玉成分是氧化铝，硬度高，可用来制造刚玉球磨机，D正确；故答案为：B。[典例4]半导体行业中有一句话：“从沙滩到用户”，计算机芯片的材料是硅，下列有关硅及其化合物叙述正确的是A．水玻璃可做防火材料 B．水晶、玛瑙的主要成分是晶体硅C．可用石英坩埚加热熔融氢氧化钠固体 D．二氧化硅不和任何酸反应【答案】A【详解】A．硅酸钠水溶液俗称水玻璃，不易燃烧，具有阻燃性，可做防火材料，故A正确；B．水晶、玛瑙主要成分为二氧化硅，不是晶体硅，故B错误；C．石英成分为二氧化硅，与氢氧化钠反应，所以不能用石英坩埚加热熔融氢氧化钠固体，故C错误；D．常温下，二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，故D错误；故选A。[典例5]工业制备高纯硅的流程如下，下列说法正确的是A．石英砂与过量焦炭发生的主要反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑B．盛装NaOH溶液的玻璃瓶要使用磨口玻璃塞C．粗硅与HCl反应时，需要在富氧的环境中进行D．高纯硅常用于制备光导纤维【答案】A【详解】A．石英砂与过量焦炭发生的主要反应制备粗硅是主要反应，其化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑，A正确；B．玻璃塞和试剂瓶磨口处的SiO2会与NaOH溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠溶液具有黏性，则盛装NaOH溶液的玻璃瓶要不能使用磨口玻璃塞，B错误；C．粗硅与HCl反应时，会产生H2，若在富氧的环境中，易发生爆炸且会生成SiO2，C错误；D．SiO2用于制作光导纤维，D错误；故选A。[同步练习]一、单选题1．《流浪地球2》向观众展示了太空电梯、行星发动机、超级计算机550W等超前的科技幻想，探讨了数字生命、人工智能等科技伦理问题。它们与化学有着密切联系，下列说法不正确的是A．我国“硅—石墨烯—锗高速晶体管”技术获重大突破，C、Si、Ge都是主族元素B．我国提出网络强国战略，光纤线路总长超过三千万公里，光纤的主要成分是SiO2C．新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料D．富勒烯、石墨烯都是含碳化合物【答案】D【详解】A．C、Si、Ge都是主族元素，故A正确；B．光纤的主要成分是SiO2，故B正确；C．新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料，故C正确；D．富勒烯和石墨烯都是碳元素的单质，故D错误；故选D。2．下列有关硅元素的叙述中，正确的是A．光导纤维是以硅单质为主要原料制成的B．硅是构成矿物和岩石的主要元素，主要以硅单质形式存在C．陶瓷、玻璃、水晶灯都属于硅酸盐产品D．硅在电子工业中是最重要的半导体材料【答案】D【详解】A．二氧化硅具有导光性，可用于生产光导纤维，光导纤维是以二氧化硅为主要原料制成的，A不正确；B．硅是构成矿物和岩石的主要元素，矿物和岩石中的硅元素主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，B不正确；C．陶瓷、玻璃都属于硅酸盐产品，但水晶灯的主要成分为二氧化硅，不属于硅酸盐，C不正确；D．硅是重要的半导体材料，在电子工业中应用广泛，D正确；故选D。3．下列说法正确的是A．CO2和SiO2都能跟水反应生成相应的酸B．CO2和SiO2都不能与任何酸反应C．CO2和SiO2都能与NaOH溶液反应D．石英的主要成分都是SiO2，SiO2可作制太阳能电池的材料【答案】C【详解】A．CO2与水反应生成碳酸，SiO2不能与水反应，故A错误；B．CO2不能与任何酸反应，SiO2与氢氟酸反应，故B错误；C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应，故C正确；D．可作制太阳能电池的材料是Si，故D错误。综上所述，答案为C。4．硅是组成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，氮化硅的化学式为B．碳化硅的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为D．氮化硅、氧化铝、碳化硅和二氧化锆都可作为制高温结构陶瓷的材料【答案】C【详解】A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，氮化硅的化学式为，A正确；B．碳化硅的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承，B正确；C．光导纤维的主要成分是二氧化硅，属于新型无机非金属材料，C错误；D．氮化硅、氧化铝、碳化硅和二氧化锆都可作为制高温结构陶瓷的材料，D正确；故选C。5．下列说法正确的是A．陶瓷是一种常见硅酸盐材料，可以用陶瓷坩埚熔融纯碱B．在自然界以游离态存在C．溶液可与反应D．属于酸性氧化物，不与任何酸反应【答案】C【详解】A．陶瓷是一种常见硅酸盐材料，二氧化硅能和碱反应，不能用陶瓷坩埚熔融纯碱，故A错误；B．自然界中没用游离态Si，故B错误；C．溶液可与反应生成碳酸钠和硅酸，故C正确；D．与氢氟酸反应生成SiF4气体和水，故D错误；选C。6．关于二氧化硅，下列叙述不正确的是A．水晶的主要成分是二氧化硅B．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别C．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸D．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应【答案】D【详解】A．水晶的主要成分为SiO2，A项正确；B．CO2是由分子构成的，而SiO2是Si和O按1∶2组成的空间立体网状结构的晶体，二者物理性质差别较大，B项正确；C．SiO2不溶于水，也不与水反应，C项正确；D．SiO2可以与氢氟酸反应，D项错误；故选D。7．在无机非金属材料中，硅一直扮演着重要的角色。下列说法正确的是A．碳化硅(俗称石英砂)可用作变压器铁芯B．SiO2属于两性氧化物，可以与HF反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2OC．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．高温下，能发生SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑，可以证明H2SiO3的酸性大于碳酸【答案】C【详解】A．变压器铁芯一般都是用硅钢片制做的，硅钢是一种含硅（硅也称矽）的钢，其含硅量在0.8～4.8%，并不是碳化硅，A错误；B．两性氧化物是指遇强酸呈碱性，遇强碱呈酸性的氧化物，既能与酸作用，又能与碱作用，SiO2不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，B错误；C．CO2和碳在高温下能反应生成CO，CO2中C的化合价由+4价降低到+2价，作氧化剂，SiO2和碳高温下能反应生成Si和CO，SiO2中Si的化合价由+4价降低到0价，作氧化剂，C正确；D．高温下能反应不是利用强酸制备弱酸原理，是因为生成了气体CO2，并且碳酸的酸性大于硅酸，D错误；故答案为：C。8．“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是A．玻璃的主要成分为Na2CO3、CaCO3和SiO2B．生产陶瓷、玻璃、水泥都用到黏土C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐【答案】C【详解】A．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐材料，不是玻璃，故A错误；B．水泥的原料是黏土和石灰石，纯碱、石灰石、石英是制造玻璃的原料，生成玻璃不需要黏土，故B错误；C．硅酸盐性质稳定，熔点较高，所以硅酸盐制品一般具有性质稳定、熔点较高特点，故C正确；D．沙子主要成分为二氧化硅，为氧化物，不是硅酸盐，故D错误；故选：C。9．下列关于硅及其化合物的叙述正确的是A．自然界中存在大量的单质硅B．硅单质可用于制造硅太阳能电池C．二氧化硅在电子工业中是重要的半导体材料D．二氧化硅与氢氟酸和氢氧化钠均能反应，属于两性氧化物【答案】B【详解】A．硅有较强的亲氧性，自然界中没有游离态的硅，A错误；B．制造太阳能电池的主要材料是硅单质，B正确；C．晶体硅在电子工业中是重要的半导体材料，C错误；D．二氧化硅与氢氟酸和氢氧化钠均能反应，但SiO2与氢氟酸反应为其特性不是能与所有酸反应的通性，故其属于酸性氧化物，D错误；故选B。10．单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为：①SiO2+2CSi+2CO↑②Si+3HClSiHCl3+H2③SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl下列对上述三个反应的叙述中，正确的是A．仅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】C【详解】A．置换反应是一种单质与一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的化学反应，反应①②③均为置换反应，A错误；B．化合反应是多种物质反应生成一种物质，反应②不是化合反应，为置换反应，B错误；C．反应①②③均有元素发生了化合价的改变，均为氧化还原反应，C正确；D．反应①③中硅元素化合价降低，被还原，反应②中硅元素化合价升高，被氧化，D错误；故选C。11．即将“5G”网络的普及将会大大提升信息传递的速度，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动，信息产业的核心材料是高纯度的硅。制备硅单质时，主要化学反应如下：①SiO2(石英砂)+2C(焦炭)Si(粗硅)+2CO↑；②Si(粗硅)+2Cl2SiCl4；③SiCl4+2H2Si(纯硅)+4HCl。下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是A．①③为置换反应B．①②③均为氧化还原反应C．②为化合反应D．三个反应的反应物中硅元素均被还原【答案】D【详解】A．置换反应是指一种单质和一种化合物生成另一种单质和另一种化合物的反应，故①③为置换反应，A正确；B．由题干信息可知，①②③均有元素的化合价发生改变，均为氧化还原反应，C正确；C．化合反应是指由两种或两种以上的物质反应生成一种化合物的反应，故②为化合反应，C正确；D．①③反应中硅元素的化合价降低，被还原，而反应②的化合价却升高，被氧化，D错误；故答案为：D。12．有关高温结构陶瓷和光导纤维说法不正确的是A．高温结构陶瓷弥补了金属材料的弱点，但是硬度却远远低于金属材料B．氮化硅陶瓷是一种重要的结构材料，具有超硬性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀，可用于制造火箭发动机C．光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维D．光导纤维的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听【答案】A【详解】A．高温结构陶瓷属于原子晶体，硬度大于金属材料，故A错误；B．Si3N4属于原子晶体，具有高强度、低密度、耐高温等优点，则能替代合金钢，用于制造汽车发动机的新型耐高温结构材料，故B正确；C．二氧化硅晶体具有导光性，光导纤维的主要成分是二氧化硅，是一种能高质量传导光的玻璃纤维，故C正确；D．光导纤维的主要成分是二氧化硅，是一种能高质量传导光的玻璃纤维，抗干扰性能好，通信质量高，并且能防窃听，故D正确；故选：A。13．《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜，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．易溶解于强酸和强碱 B．性质稳定，不易脱色C．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2 D．x等于6【答案】A【分析】据化合物中化合价代数和为0的规则，钡为+2价，铜为+2价，硅为+4价，氧为2价，所以有2+2+4×2=x×2，x=6，所以硅酸铜钡的化学式为BaCuSi2O6。【详解】A．硅酸铜钡(BaCuSi2O6)是硅酸盐，所以能和强酸反应，但和强碱不反应，故A错误；B．硅酸盐化学性质稳定，铜离子性质稳定不易被还原，不易脱色，故B正确；C．硅酸盐可以用氧化物形式表示，书写顺序：活泼金属氧化物、不活泼金属氧化物、二氧化硅、水；所以硅酸铜钡(BaCuSi2O6)用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2，故C正确；D．结合以上分析可知，x=6，故D正确。故选A。二、填空题14．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。（1）计算机芯片和太阳能电池的主要成分是，光导纤维的主要成分是。（填化学式）（2）工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，发生反应的化学方程式为。（3）玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，用氧化物形式表示为。（4）高纯度单晶硅可以按下列方法制备：SiO2Si（粗）SiHCl3Si（纯）写出步骤①的化学方程式：。步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量的SiCl4（沸点57.6℃），提纯SiHCl3主要操作的名称是。步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，还可能使产品中混有杂质。【答案】SiSiO24HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2ONa2O·Al2O3·4SiO22C＋SiO2Si（粗）＋2CO↑蒸馏SiO2【详解】(1)Si是半导体，可用于制造计算机芯片和太阳能电池，光导纤维的主要成分是SiO2；(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，是因为氢氟酸能和SiO2反应，反应的化学方程式为4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O；(3)翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，将其表示为氧化物形式为Na2O·Al2O3·4SiO2；(4)步骤①的化学方程式为2C＋SiO2Si(粗)＋2CO↑；步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6℃)，根据两者沸点不同，可采用蒸馏的方法分离；步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，产品中的Si会和O2在高温的条件下反应生成SiO2。15．高纯二氧化硅可用来制造光纤。某蛇纹石的成分见下表：组分SiO2MgONa2OK2OFe2O3质量分数/%59.2038.800.250.500.8通过下图流程可由蛇纹石制备较纯净的二氧化硅。（1）蛇纹石中涉及的可溶性金属氧化物有（写化学式）