高中化学人教版必修第二册2026版步步高学习基础课时7　无机非金属材料

第三节无机非金属材料基础课时7无机非金属材料学习目标1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系,认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。2.结合真实情境中的应用实例,了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。一、硅酸盐材料(一)知识梳理1.无机非金属材料传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,含硅、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.传统无机非金属材料——硅酸盐材料陶瓷普通玻璃普通水泥原料黏土纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)主要原料:石灰石、黏土;辅助原料:适量的石膏设备陶瓷窑玻璃窑水泥回转窑主要成分含水的铝硅酸盐硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)用途建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等大量用于建筑和水利工程(二)互动探究普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料,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。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。【问题讨论】问题你能写出制备玻璃过程中发生反应的化学方程式吗?根据这些反应能否说明硅酸的酸性比碳酸强?提示Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3、CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。不能,反应是熔融态反应,二氧化碳气体从反应体系逸出,有利于反应进行。硅酸酸性比碳酸弱。【探究归纳】(1)硅酸盐的结构在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,许多这样的四面体通过顶角的O相互连接,即每个Si结合4个O,每个O结合2个Si。(2)硅酸盐的特性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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。(3)玻璃、水泥、陶瓷等均为混合物。生产水泥与陶瓷的共同原料是黏土,生产水泥与玻璃的共同原料是石灰石。1.我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是()A.陶俑 B.琉璃瓦C.汉白玉 D.青花瓷答案C解析汉白玉主要成分是碳酸钙,陶、瓷、砖、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸盐。2.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“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,而氧化铁显红色,A错误;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素处于最高价态,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。3.“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.玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品B.制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂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解析A项,陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品;B项,纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料,而制水泥的原料是黏土和石灰石;C项,硅酸盐制品性质稳定、熔点高;D项,沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐。二、新型无机非金属材料(一)知识梳理1.硅和二氧化硅(1)硅元素的存在与结构存在原子结构示意图周期表中位置含量存在形态地壳中居第二位氧化物和硅酸盐第三周期、第ⅣA族(2)高纯硅的制备其中涉及的主要化学反应为①SiO2+2CSi+2CO↑、②Si+3HClSiHCl3+H2、③SiHCl3+H2Si+3HCl。(3)硅和二氧化硅的用途硅半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池二氧化硅光导纤维2.新型陶瓷新型材料成分性能主要应用碳化硅(SiC)硬度大、耐高温、抗氧化磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅、金属氧化物耐高温、抗氧化、耐磨蚀用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷钛酸盐、锆酸盐等能实现机械能和电能的相互转化用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷;氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷—临界温度下具有超导性用于电力、交通、医疗等领域3.碳纳米材料结构特点应用富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物C60,开启了碳纳米材料研究和应用的新时代碳纳米管由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径用于生产复合材料、电池和传感器石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料(二)问题探究问题1SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗?提示SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。问题2能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸?若不能,写出化学方程式,简述理由。提示不能,玻璃中含有二氧化硅,能被氢氟酸腐蚀,发生反应的化学方程式为SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。问题3为什么盛NaOH或Na2CO3等呈碱性溶液的试剂瓶一般使用玻璃瓶、橡胶塞?提示试剂瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开,所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞。问题4CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能与水反应生成相应的酸?那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)?提示CO2可以,SiO2不能,因为二氧化硅不溶于水。由二氧化硅制取硅酸应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐,再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。即SiO2Na2SiO3H2SiO3。化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O,Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓。【探究归纳】硅及其化合物性质的“九大特殊点”(1)碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价,而硅常见的是+4价。(2)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。(3)非金属单质与强碱反应一般不生成氢气,而硅却能与强碱溶液反应产生氢气,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成(类似于较活泼金属与酸的置换反应),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接将它与水作用制备H2SiO3。(6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点却很高。(7)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。(8)无机酸一般易溶于水,而H2SiO3却难溶于水。(9)因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能发生。1.材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法正确的是()A.二氧化硅广泛用于制备芯片和太阳能电池B.石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸盐材料D.现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为硅答案B解析A项,二氧化硅能够使光线发生全反射,因此广泛用于制备光导纤维;晶体硅是良好半导体材料,可用于制太阳能电池及晶体管等半导体零件;B项,石墨烯是非金属单质,具有良好的导电性;石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料;C项,水晶是SiO2,属于氧化物,并不是硅酸盐,因此不属于硅酸盐材料;D项,现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为二氧化硅。2.据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述错误的是()A.它耐高温、抗氧化B.它比钢铁轻,但质地较脆C.它没有固定熔点D.它是一种新型无机非金属材料答案B解析由题目信息中“连续纤维增韧”可知,该航空材料的韧性很好,质地并不是很脆,B错误。3.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,科学家预计一个电脑芯片上将会集成10亿个晶体管,其功能远比我们想象的要大得多,这对硅的纯度要求很高。下列有关硅及其化合物的说法正确的是()A.在粗硅的制取中发生反应:2C+SiO22CO↑+Si,Si被还原,所以C的还原性大于SiB.Na2SiO3属于盐,不属于碱,所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中C.用SiO2制取硅酸,应先使SiO2与NaOH溶液反应,然后通入CO2D.由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3答案C解析Si与C同主族,Si的还原性比C的强,但在高温下能发生反应:2C+SiO22CO↑+Si,A错误;不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3溶液,因为Na2SiO3溶液本身是一种黏合剂,B错误;SiO2是酸性氧化物,但不能与水反应,所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2或盐酸反应:Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓、Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓,C正确;Na2CO3与SiO2在高温下的反应与对应酸的酸性强弱无关,该反应说明硅酸盐在高温下比碳酸盐更稳定,D错误。A级合格过关练选择题只有1个选项符合题意(一)硅酸盐材料1.随着科学技术的发展,无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中不属于硅酸盐材料的是()A.水泥 B.普通玻璃C.石墨烯 D.陶瓷答案C解析水泥、普通玻璃、陶瓷是传统的硅酸盐材料;石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,属于新型无机非金属材料。2.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是()A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料答案B解析普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。3.文物是传承文化的重要载体,下列主要成分不是硅酸盐的文物是()简牍陶彩绘女舞俑清雍正款霁红釉瓷碗萧何月下追韩信图梅瓶ABCD答案A解析A项,简牍主要成分为植物纤维;B项,陶彩绘女舞俑,陶制品为硅酸盐材料;C项,瓷碗为瓷器,瓷器主要成分为硅酸盐;D项,梅瓶也是瓷器,为硅酸盐材料。4.《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”,“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.沙子和黏土的主要成分为硅酸盐B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化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答案A解析A项,沙子的主要成分是二氧化硅,不是硅酸盐,错误;B项,硅酸盐工业煅烧过程中发生一系列复杂的物理、化学变化,正确;C项,自然冷却生成的物质中铁元素为+3价,所以为红瓦,浇水过程中,水在高温下与碳反应生成还原性气体CO,Fe3+被还原为Fe2+,所以成青瓦,正确;D项,砖瓦和陶瓷的主要原料为黏土,正确。(二)无机非金属材料5我国火星探测器“天问一号”上使用了重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定的新型SiC增强铝基复合材料。下列说法错误的是()A.SiC是一种新型硅酸盐材料B.SiC俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构C.SiC中的碳原子和硅原子通过共价键连接D.SiC具有优异的耐高温抗氧化性能答案A解析SiC属于新型陶瓷,不属于硅酸盐材料,A错误;碳化硅俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构,熔、沸点高,硬度大,可用于制造耐高温、抗氧化的新型陶瓷,B、D正确;SiC属于共价化合物,碳原子和硅原子通过共价键连接,C正确。6.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14)、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。7.腾飞的中国离不开化学,化学与环境、材料、信息、能源关系密切,推动着人类社会的进步和发展。下列说法不正确的是()A.“天问一号”所用的太阳能电池帆板,其主要材料是硅B.中国空间站使用石墨烯存储器,所用材料石墨烯属于无机非金属材料C.SO2可用来漂白纸浆,也能作食品添加剂D.5G技术中使用的通信光缆不与任何酸碱反应答案D解析SO2虽然有毒,但食品中添加适量的二氧化硫可以起到防腐、抗氧化等作用,在一定范围内可以用作食品添加剂,C正确;光缆主要成分为二氧化硅,常温下,二氧化硅与氢氟酸、氢氧化钠反应,D错误。8.高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料,它可以按下列方法制备:SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)下列说法不正确的是()A.步骤①的化学方程式:SiO2+2CSi+2CO↑B.步骤①中每生成1molSi,转移4mol电子C.步骤③中的反应为氧化还原反应D.高纯硅是制造手机芯片的常用材料,SiO2是制造太阳能电池的基本原料答案D解析A项,步骤①的化学方程式:SiO2+2CSi+2CO↑;B项,依据方程式SiO2+2CSi+2CO↑可知,反应中硅从+4价降为0价,每生成1molSi,转移4mol电子;C项,步骤③氢气与三氯氢硅反应生成硅和氯化氢,氢、硅元素化合价发生变化,属于氧化还原反应;D项,硅为良好的半导体材料,是制造太阳能电池的常用材料,二氧化硅具有良好的光学特性,是制造光导纤维的基本原料。9.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)下列物质不含有硅酸盐的是(填字母)。

A.陶瓷 B.玻璃C.水泥 D.生石灰(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为

,工艺师常用(填物质名称)来雕刻玻璃。

(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧,说明Na2SiO3可用作。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得,高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是(填字母)。

A.普通玻璃坩埚 B.石英玻璃坩埚C.氧化铝坩埚 D.铁坩埚(4)工业上常利用反应2C+SiO2Si+2CO↑制备硅单质,该反应中所含元素化合价升高的物质是(填化学式,下同),氧化剂是。

答案(1)D(2)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O氢氟酸(3)防火剂D(4)CSiO2解析(1)生石灰是CaO,为碱性氧化物且不含Si,不含有硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸,因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”,具有阻燃的功能,因此可用作防火剂。SiO2和Na2CO3在高温下反应生成Na2SiO3和CO2,故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应,故不能用以上材质的坩埚熔融纯碱。(4)该反应中C被氧化,SiO2中+4价的硅元素被还原,因此SiO2作氧化剂。B级素养培优练10.多晶硅是单质硅的一种形态,是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如下所示:下列说法错误的是()A.Y可能是H2B.制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅,在该副反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1C.SiHCl3中硅元素的化合价为+4价D.Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应答案B解析Y能够还原SiHCl3为硅单质,则Y可能是H2,A正确;制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成SiC:3C+SiO2SiC+2CO↑,在该反应中碳既是氧化剂,又是还原剂,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2,B错误;SiHCl3中H是-1价,Cl是-1价,则Si的化合价为+4价,C正确;H2与SiHCl3制备多晶硅的反应为SiHCl3+H2Si+3HCl,属于置换反应,D正确。11.由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示,下列说法不正确的是()粗SiO2XYSiO2A.SiO2可用于制造光导纤维B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4C.步骤Ⅱ中的稀硫酸能用CO2替代D.若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在蒸发皿中进行答案D解析SiO2可用于制造光导纤维,A正确;步骤Ⅱ中硅酸钠和稀硫酸反应生成硅酸沉淀,化学方程式是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4,B正确;碳酸的酸性强于硅酸,因此步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代,C正确;若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在坩埚中进行,蒸发皿不能用于灼烧固体,D错误。12.氮化硅(Si3N4)是一种重要的高温结构陶瓷材料,用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如图(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物):下列叙述不正确的是()A.“还原”反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑B.粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料C.“操作X”可将原料气通过灼热的铜网D.“稀酸Y”可选用稀盐酸答案D解析“还原”反应是用焦炭把二氧化硅还原为粗硅,反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑,故A正确;粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料,故B正确;“操作X”是除去氮气中的少量氧气,可