无机非金属材料（基础过关）（解析版）

学而优·教有方PAGEPAGE7无机非金属材料【基础知识过关】一、硅酸盐产品1、硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图5-18所示每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。2、传统硅酸盐产品的比较陶瓷玻璃水泥原料黏土纯碱、石灰石、石英主要原料:石灰石、黏土；辅助原料:适量的石膏等生产设备陶窑玻璃熔炉水泥回转主要生产过程原料经高温烧结而成，发生复杂的物理化学变化原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得。Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑原料与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉即得。主要成分成分复杂硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)硅酸三钙(3Ca・SiO2)、硅酸二钙(2CaO・SO2)、铝酸三钙(3CaO・Al2O3)性能熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定透光性好、硬度大、无固定熔点過水逐渐变硬(水硬性)、硬化后性质稳定主要用途建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等建筑材料、各种器皿、光学仪器等大量用于建筑、水利、道路等工程中二、新型无机非金属材料1、硅单质1）硅元素的位置、原子的结构及主要化合价（1）硅元素的位置：第三周期、第ⅣA族（2）画出硅原子结构示意图：。（3）硅元素的主要化合价由于硅原子最外层有4个电子，既难得到4个电子，也难失去4个电子，故硅常以共价键的形式与其它原子结舍，常见化合价为－4，0，＋4，以下是常见的硫化物。标出下列含硅化合物中硅元素的化合价Mg2Si-4、SiO2+4、Si0、Na2SiO3+42）存在硅单质主要有晶体和无定形两大类。3）物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。4）化学性质(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。反应的化学方程式分别为：与氟气反应：Si＋2F2=SiF4；与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；与强碱反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，写出与氧气反应的化学方程式为Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。5）主要应用：半导体材料、计算机芯片、太阳能电池6）高纯硅的制备写出涉及的主要化学反应为(a)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑(b)Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2(c)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl2、二氧化硅1）存在自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种。硅石、水晶、石英、玛\t"/item/%E4%BA%8C%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A1%85/_blank"瑙、砂子、脉石、硅藻土的主要成分都是SiO2。2）物理性质熔点高，硬度大，难溶于水。3）结构SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。4）化学性质SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。(1)SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，写出SiO2与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。(2)在高温条件下可以与碳酸盐反应，写出SiO2与碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。(3)在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，写出SiO2与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3。(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。5）主要应用：光导纤维3、硅酸、硅酸盐1）硅酸(1)物理性质硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。(2)化学性质①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))SiO2＋H2O。(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3(胶体)。(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。2）硅酸盐(1)硅酸盐的结构、特点结构特点硅氧四面体硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。4、新型无机非金属材料新型材料成分性能主要应用晶体硅硅原子，硅原子以共价键连接，结构类似金刚石导电性介于导体和绝缘体之间半导体材料、计算机芯片、太阳电池等二氧化硅硅原子、氧原子，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构性质稳定、透光性好光导纤维、玻璃仪器、装饰品等新型陶瓷碳化硅、氮化硅、金属氧化物等高温结构陶瓷；氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10等超导陶瓷分别具有光学、热学、电学、磁学等方面的特性分别用于激光、火箭发动机、压电陶瓷(点火器)、磁浮技术、人工关节等石墨烯一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高、具有很高的强度应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面碳纳米管石墨片层卷成的直径纳米级的管状物比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质生产复合材料、电池和传感器等【基础小练】1．硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下面几种物质中含有硅单质的是A．水晶镜片 B．玛瑙手镯 C．硅太阳能电池 D．石英光导纤维【解析】A．水晶的主要成分是二氧化硅，故A不符合题意；B．玛瑙的主要成分是二氧化硅，故B不符合题意；C．太阳能电池板的主要成分是硅单质，硅太阳能电池工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电子转换反应，故C符合题意；D．石英光导纤维的主要成分是二氧化硅，故D不符合题意；答案选C。【答案】C2．高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：下列说法正确的是()A．自然界中存在大量的单质硅B．步骤电弧炉中的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应D．SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3【解析】A、硅在自然界中没有单质硅，只有化合态的硅，故A错误；B、电弧炉中的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，所以B错误；C、二氧化硅和硅都能与氢氟酸反应，所以C错误；D、SiHCl3(沸点33.0℃)和SiCl4(沸点67.6℃)的沸点有较大差距，所以可通过蒸馏(或分馏)提纯SiHCl3，故D正确。本题正确答案为D。【答案】D3．我国科学家成功研制了超分子纳米管，下列叙述不正确的是（）A．该超分子性质稳定，不与任何酸发生反应B．是酸性氧化物C．在工业上可用于制造光导纤维D．与碱的反应是非氧化还原反应【解析】A．二氧化硅能与氢氟酸发生反应，A错误；B．能与碱反应生成盐和水，属于酸性氧化物，B正确；C．制成的纤维能够传导光波和各种光信号，在工业上可用于制造光导纤维，C正确；D．与碱反应生成盐和水，是非氧化还原反应，D正确；故选A。【答案】A4．下列说法不正确的是（）A．光导纤维作通信材料有许多优点，但怕腐蚀，铺设也很不方便B．新型无机非金属材料具有光学特性、电学特性等C．高温结构陶瓷相比金属材料具有许多优点，如耐高温、抗氧化等D．光导纤维除用于通信外，还可以用于医疗、信息处理等许多方面【解析】A．光导纤维的主要成分是二氧化硅，二氧化硅性质稳定，耐腐蚀，故A符合题意；B．新型无机非金属材料主要有先进陶瓷、非晶体材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等，具有光学特性、生物功能、电学特性、耐高温、强度高，故B不符合题意；C．高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物(或称难熔化合物)两大类，不怕氧化，耐高温，密度小，故C不符合题意；D．光导纤维在信息传递方面有很多应用，如内窥镜、光纤通信等，故D不符合题意；故答案为：A。【答案】A5．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【解析】唐三彩、秦兵马俑制品由粘土经高温灼烧而成，属于硅酸盐产品。故选C。【答案】C6．有科学家认为硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”，下列有关硅可能成为新型能源的叙述中不正确的是A．自然界中存在大量硅单质B．自然界中的硅易开采，且可再生C．硅燃料便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是优质燃料D．硅燃料燃烧放出的热量多，其燃烧产物对环境的污染容易有效地控制【解析】​A.硅具有亲氧性，在自然界中主要以氧化物形式存在，而没有硅单质，故​A错误；B.硅在自然界中含量丰富，主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在，易开采且可再生，故B正确；C.硅常温下为固体，性质较稳定，便于贮存，较为安全，硅燃烧放出大量的热，是优质的燃料，故C正确；D.硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，说明燃烧放出的热量大，硅燃烧生成二氧化硅，二氧化硅是固体，容易有效控制，故D正确。综上所述，本题选A。【答案】A7．碳纳米管是由碳原子组成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，具有许多异常的力学、电学和化学性能。下列关于碳纳米管的说法不正确的是A．碳纳米管属于一种有机合成纤维B．碳纳米管与金刚石互为同素异形体C．常温下，碳纳米管具有较好的稳定性D．碳纳米管比表面积大，可用作新型储氢材料【解析】A、碳纳米管由碳单质组成，不属于有机合成纤维，A错误；B、碳纳米管与金刚石都由碳元素组成，但结构与性质不同，互为同素异形体，B正确；C、碳单质性质稳定，所以常温下，碳纳米管具有较好的稳定性，C正确；D、碳纳米管是由碳原子组成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，所以比表面积大，可用作新型储氢材料，D正确。答案选A。【答案】A8．下列物质：①水；②氢氟酸；③烧碱溶液；④浓硫酸；⑤氧化钙；⑥浓硝酸；⑦碳酸钠固体。其中，在一定条件下能与反应的是()A．②③⑤⑦ B．①③⑤⑥ C．①④⑥ D．全部【解析】不与水、浓硫酸、浓硝酸反应，与氢氟酸反应的化学方程式为，与烧碱溶液反应的化学方程式为，与氧化钙反应的化学方程式为，与碳酸钠固体反应的化学方程式为，故在一定条件下能与反应的是②③⑤⑦，故A符合；故选A。【答案】A9．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是()A．“燃薪举火”使黏土发生了复杂的物理化学变化 B．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦 D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料【解析】A．黏土烧制成瓦的过程中发生了复杂的物理化学变化，故A正确。B．沙子的主要成分为二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不属于硅酸盐，故B错误。C．由“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”可知，故C正确。D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主