資源簡介

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第15講　無機非金屬材料
[課程標準]　1.了解硅酸鹽材料及新型無機非金屬材料的性質和用途。2.掌握硅和二氧化硅的性質及應用，了解高純硅的制備。
考點一　硅和二氧化硅
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一、硅單質
1．存在：硅單質主要有晶體和無定形兩大類。
2．物理性質：帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高，硬度大，有脆性。
3．化學性質
(1)常溫下不活潑，一般不與其他物質反應，但可以與氟氣、氫氟酸、堿反應，反應的化學方程式分別為：
與氟氣：Si＋2F2===SiF4；
與氫氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
與堿：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(2)在加熱或者點燃的條件下可以與氫氣、氧氣、氯氣等反應，與氧氣反應的化學方程式為Si＋O2SiO2。
4．硅的工業制法及提純
涉及的化學方程式：
①SiO2＋2CSi＋2CO↑；
②Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。
5．用途
(1)良好的半導體材料；
(2)太陽能電池；
(3)計算機芯片。
二、二氧化硅
1．存在
(1)自然界中，碳元素既有游離態，又有化合態，而硅元素僅有化合態，主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在。
(2)天然SiO2有晶體和無定形兩種，統稱硅石。
2．物理性質：熔點高，硬度大，難溶于水。
3．化學性質
(1)SiO2可以與堿反應，生成硅酸鹽，如與氫氧化鈉反應的化學方程式為SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
(2)在高溫條件下可以與碳酸鹽反應，如與碳酸鈣反應的化學方程式為SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。
(3)在高溫條件下，能夠與堿性氧化物反應，如與氧化鈣反應的化學方程式為SiO2＋CaOCaSiO3。
(4)常溫下與氫氟酸反應的化學方程式為SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
4．用途：光導纖維、光學儀器等。
[正誤辨析]　
(1)工業上用焦炭和二氧化硅制取粗硅時生成粗硅和CO2氣體(　　)
(2)Si是半導體材料，可用作太陽能電池(　　)
(3)SiO2與NaOH溶液反應生成鹽和水，也可以和氫氟酸反應，所以SiO2是兩性氧化物 (　　)
(4)因為熱穩定性：CH4>SiH4，所以非金屬性：C>Si(　　)
(5)SiO2能與HF反應，因此可用HF刻蝕玻璃(　　)
學生用書?第69頁
(6)NaOH溶液不能用玻璃瓶盛放(　　)
(7)高純度的二氧化硅廣泛用于制作光導纖維，光導纖維遇強堿會“斷路”(　　)
(8)SiO2是H2SiO3的酸酐，所以SiO2和水反應生成H2SiO3(　　)
答案：　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)×　(7)√　(8)×
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硅的制備與提純
硅單質及其化合物應用范圍很廣。請回答下列問題：
(1)制備硅半導體材料必須先得到高純硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當前制備高純硅的主要方法，生產過程示意圖如下：
①寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學反應方程式：
________________________________________________________________________。
②整個制備過程必須嚴格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應生成H2SiO3、HCl和另一種物質，寫出化學反應方程式： _______________________________________________
________________________________________________________________________；
H2還原SiHCl3過程中若混有O2，可能引起的后果是_______________________________。
(2)化學研究性學習小組在探究硅的制取方法時，從資料查閱到下列信息：
Ⅰ.Mg在高溫條件下可與SiO2反應；
Ⅱ.金屬硅化物與稀H2SO4反應生成硫酸鹽和SiH4；
Ⅲ.SiH4在空氣中自燃。
他們根據信息進行實驗，當用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步實驗獲得的固體產物時，發現有爆鳴聲和火花；然后過濾、洗滌、干燥；最后稱量、計算，測得其產率只有預期值的63%左右。
①第Ⅰ步實驗發生反應的化學方程式是_______________________________________
________________________________________________________________________。
②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步實驗獲得的固體產物時，產生爆鳴聲和火花的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：　(1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl
②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl　高溫下，H2遇O2發生爆炸
(2)①2Mg＋SiO22MgO＋Si、2Mg＋SiMg2Si
②硅化鎂與稀硫酸反應生成的SiH4可自燃，即發生反應Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O
考點二　無機非金屬材料
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一、硅酸鹽材料
1．陶瓷
陶瓷以黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)為主要原料，經高溫燒結而成的。
2．玻璃
普通玻璃的主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以純堿、石灰石和石英砂為主要原料，經混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發生復雜的物理變化和化學變化而制得的。玻璃可用于生產建筑材料、光學儀器和各種器皿，還可制造玻璃纖維，用于高強度復合材料等。
3．水泥
普通硅酸鹽水泥的主要原料是黏土和石灰石，二者與其他輔料經混合、研磨后在水泥回轉窯中煅燒，發生復雜的物理變化和化學變化，加入適量石膏調節水泥硬化速率，再研成細粉得到普通水泥。混凝土是水泥、沙子和碎石等與水混合得到的。
二、新型無機非金屬材料
1．新型陶瓷
新型陶瓷在組成上不再限于傳統的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很多新的特性和功能。
2．新型陶瓷的種類與用途
材料類型 主要特性 示例 用途
高溫結構陶瓷 耐高溫、抗氧化、耐磨蝕 碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結而成 火箭發動機的尾管及燃燒室、汽車發動機、高溫電極材料等
壓電陶瓷 實現機械能與電能的相互轉化 鈦酸鹽、鋯酸鹽 濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等
學生用書?第70頁
透明陶瓷 優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好 氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷和氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷 高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導陶瓷 在某一臨界溫度下電阻為零 可用于電力、交通、醫療等領域
3.碳納米材料
碳納米材料是一類新型的無機非金屬材料
(1)類型：富勒烯、碳納米管、石墨烯等。
(2)用途：在能源、信息、醫藥等領域有廣闊的應用前景。
材料類型 性能 用途
碳納米管 比表面積大，高強度，優良的電學性能 生產復合材料、電池和傳感器等
石墨烯 電阻率低，熱導率高，具有很高的強度 用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等
[正誤辨析]　
(1)二氧化硅可用于生產玻璃(　　)
(2)碳化硅俗稱金剛砂，它可用于高溫結構陶瓷的制作(　　)
(3)壓電陶瓷能實現機械能與電能的相互轉化(　　)
(4)石墨烯的電阻率低，熱導率也低(　　)
(5)傳統的無機非金屬材料均為硅酸鹽材料(　　)
答案：　(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×
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一、傳統無機非金屬材料
1．(2022·河南焦作一模)下列有關玻璃的說法中正確的是(　　)
A．普通玻璃的原料是燒堿、石英、石灰石
B．普通玻璃和石英玻璃都屬于硅酸鹽產品
C．制備普通玻璃時的反應有Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3
D．普通玻璃用于鑲嵌建筑物的門窗、墻面，但其不具有保溫和防輻射等特征
C　[A.制造普通玻璃的主要原料：純堿、石灰石和石英，A項錯誤；B.石英玻璃的主要成分是二氧化硅，B項錯誤；C.制造普通玻璃的主要原料：純堿、石灰石和石英，則反應有Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3，C項正確；D.普通玻璃具有透光、隔熱、隔聲、耐磨、耐氣候變化的性能，有的還有保溫、吸熱、防輻射等特征，D項錯誤。]
2．玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關說法中正確的是(　　)
A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品
B．制水泥的原料為純堿、石灰石和石英
C．硅酸鹽制品的性質穩定、熔點較高
D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
C　[陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品，A項錯誤；純堿、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B項錯誤；硅酸鹽制品性質穩定、熔點高，C項正確；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸鹽，D項錯誤。]
二、新型無機非金屬材料
3．在20世紀90年代末，科學家發現碳有新的單質形態C60存在。后來人們又相繼得到了C70、C76、C84、C90、C94等一些球碳分子。21世紀初，科學家又發現了管狀碳分子和洋蔥狀碳分子，大大豐富了碳元素單質的家族。下列有關碳元素單質的說法錯誤的是(　　)
A．金剛石和石墨的熔點肯定比C60高
B．熔點：C60＜C70＜C90
C．球碳分子、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子都是分子晶體，都是碳的同素異形體
D．金剛石以非分子形式的粒子存在，屬于共價晶體；C60、C70、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子以分子形式的粒子存在，屬于分子晶體；這些碳單質不互為同素異形體
D　[金剛石屬于共價晶體，石墨屬于混合晶體，C60屬于分子晶體，因此金剛石和石墨的熔點肯定要比C60高，故A正確；分子晶體的相對分子質量越大，熔點越高，因此熔點：C60＜C70＜C90，故B正確；球碳分子、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子都是碳元素形成的不同單質，所以均為碳的同素異形體，故C正確；金剛石屬于共價晶體，不存在分子，C60、C70、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子都是分子晶體，以分子形式存在，都是碳元素形成的不同單質，互為同素異形體，故D錯誤。]
4．(2022·全國高三專題練習)硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統材料到信息材料的發展過程中創造了一個又一個奇跡。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔點高、硬度大、化學性質穩定。工業上可以采用化學氣相沉積法，在H2的保護下，使SiCl4與N2反應生成Si3N4沉積在石墨表面，寫出該反應的化學方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)一種工業用硅(含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物)，已知硅的熔點是1 420 ℃，高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅。一種合成氮化硅的主要工藝流程如下：
學生用書?第71頁
①凈化N2和H2時，銅屑的作用是__________________________________________，
硅膠的作用是____________________________________________________________。
②在氮化爐中發生反應3SiO2(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)＋3O2(g)　ΔH＝－727.5 kJ·mol－1，開始時，嚴格控制氮氣的流速以控制溫度的原因是________________________________
________________________________________________________________________；
體系中要通入適量的氫氣是為了____________________________________________
________________________________________________________________________。
③X可能是________(填“鹽酸”“硝酸”“硫酸”或“氫氟酸”)。
解析：　(1)根據原子個數守恒可寫出化學方程式3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。(2)①由于氧氣和水蒸氣都能腐蝕氮化硅，而氮氣和氫氣中含有水蒸氣和氧氣，所以銅屑的作用是除去氧氣，硅膠的作用是除去水蒸氣。②因為該反應是放熱反應，如果溫度過高，局部過熱，會導致硅熔化成團，阻礙與N2的接觸；通入氫氣能將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，而易被除去。③由于工業用硅中含有銅的氧化物，在反應中氧化銅能被還原生成銅，因此要除去銅應該選擇硝酸，鹽酸和硫酸不能溶解銅，氫氟酸能腐蝕氮化硅。
答案：　(1)3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl　(2)①除去原料氣中的氧氣　除去生成的水蒸氣　②該反應是放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化成團，阻礙與N2的接觸　將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，而易被除去(或將整個體系中空氣排盡)　③硝酸
真題演練　明確考向
1．正誤判斷，正確的打“√”，錯誤的打“×”
(1)(2022·浙江卷8A)晶體硅的導電性介于導體和絕緣體之間，常用于制造光導纖維(　　)
(2)(2022·廣東卷2B)飛船返回艙表層材料中的玻璃纖維屬于天然有機高分子(　　)
(3)(2022·廣東卷12A)用焦炭和石英砂制取粗硅，SiO2可制作光導纖維(　　)
(4)(2022·河北卷3A)制造5G芯片的氮化鋁晶圓屬于無機非金屬材料(　　)
(5)(2022·湖南卷2D)石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一(　　)
(6)(2022·江蘇卷7B)單晶硅熔點高，所以可用作半導體材料(　　)
(7)(2022·遼寧卷1A)冰壺主材料花崗巖屬于無機非金屬材料(　　)
(8)(2022·遼寧卷1B)火炬“飛揚”使用的碳纖維屬于有機高分子材料(　　)
答案：　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√　(6)×　(7)√　(8)×
2．(2022·河北卷)定窯是宋代五大名窯之一，其生產的白瓷聞名于世。下列說法正確的是(　　)
A．傳統陶瓷是典型的絕緣材料
B．陶瓷主要成分為MgO和SiO2
C．陶瓷燒制的過程為物理變化
D．白瓷的白色是因鐵含量較高
A　[A.陶瓷是良好的絕緣體，傳統陶瓷是典型的絕緣材料，常用于高壓變壓器的開關外包裝和器件，A正確；B.陶瓷的主要成分為硅酸鹽，而不是SiO2和MgO，B錯誤；C.陶瓷燒制過程發生復雜化學反應，有新物質生成，屬于化學變化，C錯誤；D.由于Fe2＋、Fe3＋和鐵的氧化物均有顏色，故陶瓷中含鐵量越多，陶瓷的顏色越深，白瓷的白色是因為鐵含量較低甚至幾乎不含鐵，D錯誤。]
3．(2022·廣東卷)廣東一直是我國對外交流的重要窗口，館藏文物是其歷史見證。下列文物主要由硅酸鹽制成的是(　　)
文物
選項 A.南宋鎏金飾品 B.蒜頭紋銀盒 C.廣彩瓷咖啡杯 D.銅鍍金鐘座
C　[A.鎏金飾品是用金汞合金制成的金泥涂飾器物的表面，經過烘烤，汞蒸發而金固結于器物上的一種傳統工藝，其中不含硅酸鹽，故A項不符合題意；B.蒜頭紋銀盒中主要成分為金屬銀，其中不含硅酸鹽，故B項不符合題意；C.廣彩瓷咖啡杯主要由陶瓷制成，其主要成分為硅酸鹽，故C項符合題意；D.銅鍍金鐘座是銅和金等制得，其中不含硅酸鹽，故D項不符合題意。]
4.(2021·浙江1月選考，21)鋁硅酸鹽型分子篩中有許多籠狀空穴和通道(如圖)，其骨架的基本結構單元是硅氧四面體和鋁氧四面體，化學組成可表示為
Ma[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O(M代表金屬離子)。
下列推測不正確的是(　　)
A．常采用水玻璃、偏鋁酸鈉在強酸溶液中反應后結晶制得分子篩
B．若a＝x/2，則M為二價陽離子
C．調節y/x(硅鋁比)的值，可以改變分子篩骨架的熱穩定性
D．分子篩中的籠狀空穴和通道，可用于篩分分子
A　[A.偏鋁酸鈉在強酸性溶液中不能穩定存在，容易形成Al3＋，不可以利用偏鋁酸鈉在強酸性溶液中制備分子篩，A錯誤；B.設M的化合價為m，則根據正負化合價代數和為0計算，m×＋x×(－1)＝0，解得m＝＋2，B正確；C.調節硅鋁比可以改變分子篩的空間結構，從而改變分子篩的熱穩定性，C正確；D.調節硅鋁比可以調節分子篩的孔徑，根據分子篩孔徑的大小可以篩分不同大小的分子，D正確。]
5．(全國卷Ⅱ，26節選)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分為CaO、SiO2，并含有一定量的鐵、鋁和鎂等金屬的氧化物。實驗室測定水泥樣品中鈣含量的過程如圖所示：
回答下列問題：
(1)在分解水泥樣品過程中，以鹽酸為溶劑，氯化銨為助溶劑，還需加入幾滴硝酸。加入硝酸的目的是
________________________________________________________________________，
還可使用________代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是________，其不溶于強酸但可與一種弱酸反應，該反應的化學方程式為________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：　(1)水泥熟料中的CaO和鐵、鋁、鎂等金屬的氧化物均能溶于鹽酸，加入硝酸能將水泥樣品中可能含有的Fe2＋氧化為Fe3＋，為了不引入新雜質，還可用H2O2代替硝酸。(2)根據圖示流程可知，不溶于鹽酸和硝酸的沉淀A為SiO2(或H2SiO3)，SiO2(或H2SiO3)能溶于弱酸氫氟酸，生成SiF4和H2O。
答案：　(1)將樣品中可能存在的Fe2＋氧化為Fe3＋　H2O2
(2)SiO2(或H2SiO3)　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)
課時精練(十五)　無機非金屬材料
(本欄目內容，在學生用書中以獨立形式分冊裝訂！)
1．文物是傳承文化的重要載體，下列主要成分不是硅酸鹽的文物是(　　)
A.簡牘 B.陶彩繪女舞俑 C.霽紅釉瓷碗 D.梅瓶
A　[簡牘主要成分為植物纖維，A符合題意；陶彩繪女舞俑，為陶制品，為硅酸鹽材料，B不符合題意；霽紅釉瓷碗，材料為陶瓷，為硅酸鹽材料，C不符合題意；梅瓶是瓷器，為硅酸鹽材料，D不符合題意。]
2．(2022·上海三模)由于石墨烯獨特的結構，在石墨烯薄膜上施加較低的電壓(1～10 V)即可產生較高的熱量，平昌冬奧會“北京8分鐘”主創團隊用石墨烯制作了20 ℃能發熱4 h的智能服飾，向世界展現了新時代的中國形象，下列說法中錯誤的是(　　)
A．石墨烯是能導熱的金屬材料
B．石墨烯屬于單質
C．石墨烯能導電
D．在石墨烯薄膜上施加電壓，使電能轉化為熱能
A　[A.石墨烯屬于碳單質，是能夠導熱的非金屬材料，A錯誤；B.石墨烯是碳的單質，B正確；C.石墨烯屬于碳單質，碳單質具有良好的導電性，可以導電，C正確；D.根據題干信息可知，在石墨烯薄膜上施加較低的電壓(1～10 V)即可產生較高的熱量，使電能轉化為熱能，D正確。]
3．(2022·河南省濮陽市高三模擬)2022年2月在北京舉辦的冬季奧運會中，使用了許多功能各異的材料，下列有關材料的描述中不正確的是(　　)
A．陶瓷、玻璃、水泥屬于傳統的無機非金屬材料
B．石墨烯、富勒烯和碳納米管屬于新型有機非金屬材料
C．硅是應用最為廣泛的半導體材料
D．通訊中使用的光導纖維，主要成分為SiO2
B　[玻璃、陶瓷、水泥的主要成分是硅酸鹽類，都屬于傳統的無機非金屬材料，A正確；碳納米管、富勒烯和石墨烯都是新型無機非金屬材料，B不正確；晶體硅導電性介于導體與絕緣體之間，是應用最廣泛的良好的半導體材料，C正確；光導纖維的主要成分是二氧化硅，D正確。]
4．下列有關硅材料的說法正確的是(　　)
A．光纖的主要成分是高純度的單質硅
B．金剛砂的主要成分是二氧化硅
C．28 g硅含有6.02×1023個電子
D．28Si、29Si、30Si是不同的核素
D　[光纖的主要成分是二氧化硅，A錯誤；金剛砂的主要成分是碳化硅，B錯誤；28 g硅的物質的量是1 mol，其中含有14×6.02×1023個電子，C錯誤；28Si、29Si、30Si的質子數相同，但中子數不同，是不同的核素，且互為同位素，D正確。]
5．生產生活中的各種“玻璃”的說法正確的是(　　)
A．鋼化玻璃和普通玻璃成分不相同，但都屬于硅酸鹽產品
B．有機玻璃的主要成分聚甲基丙烯酸甲酯屬于天然有機高分子材料
C.“水玻璃”的主要成分是硅酸鈉的水溶液，可用作礦物膠
D．石英玻璃熔點高、硬度大，可制作加熱NaOH、Na2CO3等固體的儀器
C　[鋼化玻璃是將普通玻璃高溫后驟降溫度得到，二者成分相同，都屬于硅酸鹽產品，A錯誤；有機玻璃屬于有機合成高分子材料，B錯誤；“水玻璃”的主要成分是硅酸鈉的水溶液，可用作礦物膠，C正確；石英玻璃主要成分是二氧化硅，屬于酸性氧化物，會與NaOH、Na2CO3等堿性物質發生反應，所以不能制作加熱NaOH、Na2CO3等固體的儀器，D錯誤。]
6．《天工開物》記載：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，擇取無砂粘土而為之”，“凡坯既成，干燥之后，則堆積窖中燃薪舉火”，“澆水轉釉(主要為青色)，與造磚同法”。下列說法錯誤的是(　　)
A．粘土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料
B．“燃薪舉火”使粘土發生復雜的物理和化學變化
C．沙子和粘土的主要成分均為硅酸鹽
D．燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦
C　[制作磚瓦和陶瓷的主要原料是粘土，故A正確；粘土的主要成分均為硅酸鹽，灼燒使粘土發生復雜的物理和化學變化，故B正確；沙子的主要成分是二氧化硅，粘土的主要成分為硅酸鹽，故C錯誤；澆水轉釉(主要為青色)，與造磚同法，所以燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦，故D正確。]
7．高純度晶硅是典型的無機非金屬材料，又稱“半導體”材料。它的發現和使用曾引起計算機的一場“革命”。可以按下列方法制備：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(純)
下列說法不正確的是(　　)
A．步驟①的化學方程式為SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步驟①中每生成1 mol Si轉移4 mol電子
C．高純硅是制造太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導纖維的基本原料
D．SiHCl3(沸點33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸點67.6 ℃)，通過蒸餾(或分餾)可提純SiHCl3
A　[二氧化硅高溫下與C反應生成CO氣體，即步驟①的化學方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑，故A錯誤；步驟①中Si的化合價降低4，則每生成1 mol Si轉移電子數為4 mol，故B正確；高純硅是半導體材料，是制造集成電路、太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導纖維的基本原料，故C正確；沸點相差30 ℃以上的兩種液體可以采用蒸餾(或分餾)的方法分離，故D正確。]
8．水玻璃(Na2SiO3溶液)廣泛應用于耐火材料、洗滌劑生產等領域，是一種重要的工業原料。如圖是用稻殼灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工藝流程：
下列說法正確的是(　　)
A．原材料稻殼灰價格低廉，且副產品活性炭有較高的經濟價值
B．操作A與操作B完全相同
C．該流程中硅元素的化合價發生改變
D．反應器中發生的復分解反應為SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
A　[稻殼灰來源廣泛價格低廉，活性炭具有吸附性，有較高的經濟價值，A正確；操作A為過濾，操作B為蒸發濃縮，是兩種不同的操作，B錯誤；二氧化硅中，硅元素的化合價是＋4價，硅酸鈉中，硅元素的化合價是＋4價，所以該流程中硅元素的化合價沒有發生改變，C錯誤；復分解反應是指由兩種化合物相互交換成分，生成另外兩種新的化合物的反應，反應SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O不屬于復分解反應，D錯誤。]
9．(2022·江蘇模擬預測)“十四五”工作報告強調，中國將加速建設新能源供給消化吸納體系。硅基能源逐步取代碳基能源的革命，必須舉全國之力破解芯片技術受制于人的困局。以下說法不正確的是(　　)
A.碳基能源主要指煤、石油、天然氣，我國的煤炭資源儲量優于石油
B．硅在地殼中的含量僅次于氧，從沙灘到用戶，硅發生了還原反應
C．半導體工藝中一般需要在晶硅中摻雜第ⅢA族與第ⅤA族元素
D．半導體工藝中用刻蝕劑——電子級氟化氫可加壓保存在玻璃罐體中
D　[A.碳基能源主要指煤、石油、天然氣，我國的煤炭儲量及開發技術均優于石油，A說法正確；B.硅在地殼中的含量僅次于氧，從沙灘到用戶，硅由SiO2轉化為硅單質，化合價下降，發生了還原反應，B說法正確；C.晶硅中摻雜第ⅢA族與第ⅤA族元素，形成PN結，在接通電源或受光的激發，自由電子可向空穴方向移動(單向移動) (見圖)，
C說法正確；D.氟化氫可與玻璃容器中二氧化硅發生反應，故D說法錯誤。]
10．(2022·天津市和平區三模)制造芯片用到高純硅，用SiHCl3(沸點：31.85 ℃，SiHCl3遇水會劇烈反應，易自燃)與過量H2在1 100～1 200 ℃反應制備高純硅的裝置如圖所示(夾持裝置和尾氣處理裝置略去)，下列說法不正確的是(　　)
A．整個實驗的關鍵是控溫、檢查裝置氣密性和排盡裝置中的空氣
B．裝置Ⅱ、Ⅲ中依次盛裝的是濃H2SO4、溫度高于32 ℃的溫水
C．實驗時，先打開裝有稀硫酸儀器的活塞，收集尾氣驗純，再預熱裝置Ⅳ石英管
D．尾氣處理可直接通入NaOH溶液中
D　[由實驗裝置可知，Ⅰ中Zn與稀硫酸反應生成氫氣，Ⅱ中濃硫酸干燥氫氣，Ⅲ中汽化的SiHCl3與過量H2混合，Ⅳ中高溫下反應制備高純硅，且SiHCl3遇水發生反應SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl。A項，SiHCl3的沸點為31.85 ℃，且易自燃，因而整個實驗的關鍵是控溫、檢查裝置氣密性和排盡裝置中的空氣，故A正確；B項，裝置Ⅱ中濃H2SO4可干燥氫氣，Ⅲ中盛裝溫度高于32 ℃的溫水，目的是使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化，與氫氣反應，故B正確；C項，實驗時應先打開裝有稀硫酸儀器的活塞制取氫氣，用氫氣將裝置內的空氣排出，收集尾氣驗純，再預熱裝置Ⅳ石英管，防止氫氣不純加熱易爆炸，故C正確；D項，SiHCl3與氫氣在1 100～1 200 ℃反應制備高純硅，因而處理尾氣時，應該在通入NaOH溶液前加上防倒吸裝置，故D錯誤。]
11．(2022·浙江省選考模擬)硅膠吸附劑的結構示意圖如圖所示，常用作干燥劑。在其中添加CoCl2可使其指示吸水量的多少來決定硅膠是否失效，原理如下：CoCl2(藍色)===CoCl2·6H2O(粉紅色)，失效的硅膠可加熱再生，下列說法錯誤的是(　　)
A．當硅膠變粉紅色說明硅膠失效了
B．SiO2是酸性氧化物，硅膠可干燥HF和Cl2等酸性氣體
C．失效的硅膠再生時加熱的溫度不宜過高
D．當硅膠遇到大量的水分子時，與硅羥基形成了過多氫鍵從而失去吸附力
B　[由題中信息可知，硅膠吸水后，會變成粉紅色的CoCl2·6H2O，故變成粉紅色后則說明硅膠失效了，A正確；二氧化硅可以和HF反應，故硅膠不能干燥HF，B錯誤；溫度過高會因顯色劑逐步氧化而失去顯色作用，C正確；由硅膠結構可知，硅膠用作干燥劑，是通過硅羥基和水分子之間形成氫鍵而達到吸水的目的，故當硅膠遇到大量的水分子時，與硅羥基形成了過多氫鍵從而失去吸附力，D正確。]
12．中國努力爭取2060年前實現碳中和。利用NaOH溶液噴淋捕捉空氣中的CO2，反應過程如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A．捕捉室中NaOH溶液噴成霧狀有利于吸收CO2
B．環節a中物質分離的基本操作是蒸發結晶
C．反應過程中CaO和NaOH是可循環的物質
D．可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液捕捉CO2
B　[利用NaOH溶液實現“碳捕獲”吸收器中，NaOH溶液用噴淋方式加入，增大反應物之間的接觸面積，充分吸收二氧化碳，環節a中，氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，碳酸鈉與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣沉淀和氫氧化鈉，Na2CO3發生反應的化學方程式為Na2CO3＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋2NaOH，CaCO3需從溶液中過濾出來再高溫煅燒，生成的CO2循環使用。A項，NaOH溶液噴成霧狀，可增大反應接觸面積，提高CO2吸收率，A正確；B項，環節a為Na2CO3和Ca(OH)2反應生成CaCO3，需從溶液中過濾出來再高溫煅燒，故基本操作不是蒸發結晶，B錯誤；C項，NaOH和CaO在流程中既有消耗，也有生成，可循環利用，C正確；D項，Na2CO3可以和CO2反應，因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液，D正確。]
13．硅是構成礦物和巖石的主要成分，單質硅及其化合物具有廣泛的用途。某些硅酸鹽具有篩選分子的功能，一種硅酸鹽的組成為：M2O·R2O3·2SiO2·nH2O，已知元素M、R均位于元素周期表的第3周期。兩元素原子的質子數之和為24。
(1)該硅酸鹽中同周期元素原子半徑由大到小的順序為____________________；
(2)常溫下，不能與R單質發生反應的是________(填字母)；
A．CuCl2溶液 ．Fe2O3
C．濃硫酸 ．Na2CO3溶液
(3)寫出M、R兩種元素的最高價氧化物對應的水化物反應的離子方程式_________
________________________________________________________________________。
(4)氮化硅(Si3N4)陶瓷材料硬度大、熔點高。Si3N4晶體中只有極性共價鍵，則氮元素的化合價為________。
(5)C3N4的結構與Si3N4相似。請比較二者熔點高低并說明理由： __________________
________________________________________________________________________。
(6)可由下列反應制得Si3N4，配平該反應并標出電子轉移的數目和方向：
________SiO2＋________C＋________N2________Si3N4＋________CO
(7)如果上述反應在10 L的密閉容器中進行，一段時間后測得氣體密度增加了2.8 g/L，則制得的Si3N4質量為________。
解析：　一種硅酸鹽的組成為：M2O·R2O3·2SiO2·nH2O，已知元素M、R均位于元素周期表的第3周期，兩元素原子的質子數之和為24，M為＋1價，R為＋3價，則說明M為Na，R為Al。(1)該硅酸鹽中同周期元素是Na、Al、Si，根據同周期從左向右原子半徑逐漸減小，則原子半徑由大到小的順序為r(Na)＞r(Al)＞r(Si)；(2)常溫下，鋁與氯化銅反應生成氯化鋁和銅單質，鋁與氧化鐵常溫不反應，鋁常溫下與濃硫酸發生鈍化反應，鋁常溫下與碳酸鈉不反應，因此不能與R單質發生反應的是BD；(3)M、R兩種元素的最高價氧化物對應的水化物分別為氫氧化鈉和氫氧化鋁，兩者反應的離子方程式OH－＋Al(OH)3===AlO＋2H2O；(4)Si3N4晶體中只有極性共價鍵，氮非金屬性比硅強，硅為＋4價，根據化合物為電中性，則氮元素的化合價為－3；(5)氮化硅(Si3N4)陶瓷材料硬度大、熔點高。C3N4的結構與Si3N4相似，說明兩者都是共價晶體，碳原子半徑比硅原子半徑小，鍵長短，鍵能大，則C3N4熔點比Si3N4熔點高；(6)碳化合價由0價變為＋2價，氮化合價由0價變為－3價，則碳升高2個價態，Si3N4降低12個價態，因此碳系數配6，Si3N4系數配1，根據硅和氮守恒配SiO2系數為3，N2系數為2，再根據碳守恒配CO系數為6，則為3SiO2＋6C＋2N21Si3N4＋6CO，其電子轉移為 (或)；(7)根據反應方程式3SiO2＋6C＋2N2Si3N4＋6CO分析得到氣體質量增加112 g，則生成1 mol Si3N4即140 g，如果上述反應在10 L的密閉容器中進行，一段時間后測得氣體密度增加了2.8 g/L，則氣體質量增加了28 g，則制得的Si3N4質量為＝35 g。
答案：　(1)r(Na)＞r(Al)＞r(Si)　(2)BD　
(3)OH－＋Al(OH)3===AlO＋2H2O　(4)－3
(5)C3N4熔點比Si3N4熔點高，原因為兩者都是共價晶體，碳原子半徑比硅原子半徑小，鍵長短，鍵能大，因此C3N4熔點比Si3N4熔點高　
(6)3SiO2＋6C＋2N2Si3N得到4×3e－4＋6C失去6×2e－O
(或3SiO2＋6C＋2N212e－Si3N4＋6CO)　(7)35 g
14．Ⅰ.高純度單晶硅是典型的無機非金屬材料，又稱“半導體”材料，它的發現和使用曾引起計算機的一場“革命”。它可以按下列方法制備：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(純)
(1)寫出步驟①的化學方程式： _____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)步驟②經過冷凝得到的SiHCl3(沸點33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸點57.6 ℃)和HCl(沸點－84.7 ℃)，提純SiHCl3的主要化學操作的名稱是________；SiHCl3和SiCl4一樣，遇水可發生劇烈水解，已知SiHCl3水解會生成兩種氣態產物，試寫出其水解的化學方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
Ⅱ.白炭黑(SiO2·H2O)廣泛應用于橡膠、涂料、印刷等行業，可用蛇紋石[主要成分為Mg6(Si4O10)(OH)8]來制取，其主要工藝流程如圖所示：
(3)蛇紋石用氧化物形式可表示為__________________________________________。
(4)堿浸時，為提高其中硅酸鹽的浸取率，除采用合適的液固比和循環浸取外，還可采用的方法：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________
(任舉兩種)。
(5)過濾Ⅰ得到的濾液的主要成分是____________________________________________。
(6)濾液與鹽酸反應的主要離子方程式為_____________________________________
________________________________________________________________________。
(7)洗滌時，如何證明產品已洗滌干凈？ ____________________________________
________________________________________________________________________。
解析：　(2)SiHCl3(沸點33.0 ℃)、SiCl4(沸點57.6 ℃)、HCl(沸點－84.7 ℃)，他們的沸點不同，根據沸點的不同實現物質分離的方法為蒸餾或分餾；SiHCl3水解生成硅酸、氫氣和氯化氫，反應方程式為：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl↑；(3)用氧化物形式表示復雜硅酸鹽的化學式時，應先用金屬性強弱順序書寫氧化物，中間用“·”隔開，再寫非金屬氧化物，H2O放在最后，因此Mg6Si4O10(OH)8用氧化物形式表示為6MgO·4SiO2·4H2O。
答案：　Ⅰ.(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑　(2)蒸餾(或分餾)　SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl↑　Ⅱ.(3)6MgO·4SiO2·4H2O　(4)適當升高溫度　連續攪拌(或適當延長停留時間、選擇合適的氫氧化鈉濃度等)　(5)水玻璃(或硅酸鈉溶液或硅酸鈉和氫氧化鈉溶液)　(6)SiO＋2H＋===H2SiO3↓　(7)取少許最后一次洗滌液，滴入1～2滴AgNO3溶液，若不出現白色渾濁，表示已洗滌干凈
學生用書?第72頁

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