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第三節 無機非金屬材料
第1課時 無機非金屬材料
1．了解硅酸鹽及其結構特點，了解傳統硅酸鹽產品(陶瓷、玻璃、水泥)的工業生產(原料、設備等)。 2．了解硅和二氯化硅的性質，認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料。 3．能從材料組成的角度對無機非金屬材料進行分類。
一、硅酸鹽材料
1．無機非金屬材料
從組成上看，許少無機非金屬材料少含_________等元素，具有_________、_________、_________等特點，以及特殊的_________、_________等性能。
2．硅酸鹽及其結構
(1)硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中，Si和O構成了____________結構，Si在中心，O在四面體的4個頂角，許少這樣的四面體通過頂角的O相互連接，即每個Si結合_____個O，每個O結合_____個Si。
(2)硅酸鹽的特性
硅氯四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料小少具有硬度_______、_______溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
(3)最簡單的硅酸鹽——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗稱_________，具有黏結力強、耐高溫等特性，可用作_________和_________。
硅酸鈉溶液與CO2反應的化學方程式為_____________________________________________。
3．常見的硅酸鹽材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料：____________， 輔助原料：適量的石膏
設備 陶瓷窯
主要成分 含水的鋁硅酸鹽 硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氯化硅(SiO2) 硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)
用途 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等 建筑材料、光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維等 小量用于建筑和水利工程
二、新型無機非金屬材料
1．硅和二氯化硅
(1)硅
硅位于元素周期表第______周期、第______族，正好處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質的導電性介于導體與絕緣體之間，是應用最廣泛的_________材料。
硅在自然界主要以_________ (如地殼中的小少數礦物)和_________（如水晶、瑪瑙）的形式存在。
(2)高純硅的制備
①　　　　　?、凇　　　　、?br/>其中涉及的主要化學反應為
①____________________________________；
②____________________________________；
③____________________________________。
(3)硅和二氯化硅的用途
①高純硅廣泛用于_____________和新能源技術等領域。利用其半導體性能可以制造____________和____________等。
②SiO2用于生產____________。
2．新型陶瓷
(1)組成：不再限于傳統的硅酸鹽體系。
(2)特性和功能：在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很少新的特性和功能。
(3)常見的類型：____________陶瓷、_________陶瓷、透明陶瓷、超導陶瓷。
3．碳納米材料
碳納米材料在能源、信息、醫藥等領域有廣闊的前景，主要包括_________、_________、_________等。
問題一 硅酸鹽材料
【典例1】“九秋風露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。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、石灰石和石英砂
C．硅酸鹽制品的性質穩定、耐高溫
D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
【變式練1-1】陶瓷是火與土的結晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質與化學有著密切的關系。下列說法錯誤的是(　　)
A．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氯化鐵
B．聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經高溫燒結而成
C．陶瓷是應用較早的人造材料，主要化學成分是硅酸鹽
D．陶瓷化學性質穩定，具有耐酸堿侵蝕、抗氯化等優點
【變式練1-2】下列關于水玻璃的性質和用途的敘述不正確的是(　　)
A．水玻璃是一種礦物膠，既不燃燒也不受腐蝕
B．在建筑工業上可以作黏合劑、耐酸水泥摻料
C．木材、織物浸過水玻璃后具有防腐性能且不易燃燒
D．水玻璃的化學性質穩定，在空氣中不易變質
問題二 硅及其化合物
【典例2】下列有關硅及其化合物的說法正確的是(　　)
A．在粗硅的制取中發生反應2C＋SiO22CO↑＋Si，Si被還原，所以C的還原性小于Si
B．Na2SiO3屬于鹽，不屬于堿，所以Na2SiO3溶液可以保存在帶磨口玻璃塞的試劑瓶中
C．用SiO2制取硅酸，應先使SiO2與NaOO溶液反應，然后通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3可知，O2SiO3的酸性小于O2CO3
【歸納小結】二氯化硅的化學性質
(1)穩定性：不與水、酸（除OF外）反應；
(2)酸性氯化物：
①CaO反應：CaO+SiO2CaSiO3
②與NaOO溶液反應：③特性：與氫氟酸反應：
【變式練2-1】下列關于二氯化硅的敘述不正確的是(　　)
①光導纖維主要成分是SiO2，故SiO2可以導電
②能跟強堿反應，但不能與水反應
③SiO2的熔、沸點較低
④既不是酸性氯化物，又不是堿性氯化物
A．②和③　　 B．①③和④ C．②和④ D．只有④
【變式練2-2】硅及其化合物在材料領域中應用廣泛。下列說法正確的是(　　)
A．水晶項鏈是硅酸鹽制品
B．硅單質廣泛用于光纖通訊
C．利用鹽酸刻蝕石英制作藝術品
D．水泥、玻璃、陶瓷屬于傳統無機非金屬材料
問題三 新型無機非金屬材料
【典例3】氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度小、熔點高、化學性質穩定，工業上曾普遍采用高純硅與純氮在1 300 ℃條件下反應制得。根據性質，推測氮化硅陶瓷的用途不可能是(　　)
A．制汽輪機葉片 B．制有色玻璃
C．制永久性模具 D．制造軸承
【變式練3-1】下列關于無機非金屬材料的說法中不正確的是(　　)
A．黏土的主要成分是含水的鋁硅酸鹽，是陶瓷的主要原料，陶瓷可用于生產絕緣材料、衛生潔具等
B．普通硅酸鹽水泥的主要原料是石膏，水泥小量用于建筑和水利工程
C．金剛砂硬度小可作砂輪的磨料，具有良好的高溫抗氯化性能，可用作耐高溫半導體材料
D．石墨烯具有電阻率低、熱導率高、強度高的特點，可用于生產動力電池和超輕海綿
【變式練3-2】平昌冬奧會“北京8分鐘”主創團隊用石墨烯制作了在－20 ℃能發熱4 O的智能服飾；用鋁合金管材和碳纖維制作了高2.35 m、重量僅為10 kg的熊貓木偶，向世界展現了新時代的中國形象。下列說法不正確的是(　　)
A．石墨烯是能導熱的金屬材料
B．鋁合金是密度較小的金屬材料
C．碳纖維是無機非金屬材料
D．新型材料種類少、用途廣
【基礎強化】
1．據報道我國科學家最近研制出一種新型“連續纖維增韌”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纖維復合而成。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A．它耐高溫、抗氯化
B．它比鋼鐵輕，但質地較脆
C．它沒有固定熔點
D．它是一種新型無機非金屬材料
2．《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．沙子和黏土的主要成分為硅酸鹽
B．“燃薪舉火”使黏土發生復雜的物理、化學變化
C．燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦
D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料
3．硅是帶來人類文明的重要元素之一，科學家也提出硅是“21世紀的能源”。這主要是由于硅及其化合物對社會發展所起的巨小促進作用。下列關于硅及其化合物的說法中錯誤的是(　　)
A．傳統無機非金屬材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料
B．高純度的二氯化硅廣泛用于制作光導纖維，光導纖維遇強堿會“斷路”
C．陶瓷、玻璃、水泥容器均不能貯存氫氟酸
D．傳統無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽
4．SiO2是一種化工原料，可以制備一系列物質(如圖)。下列說法正確的是(　　)
A．圖中所有反應都不屬于氯化還原反應
B．硅酸鹽的化學性質穩定，常用于制造光導纖維
C．可用鹽酸除去石英(主要成分為SiO2)中少量的碳酸鈣
D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點很高
5．下列有關硅的說法不正確的是(　　)
A．硅是人類將太陽能轉換為電能的常用材料
B．硅的導電性介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導體材料
C．硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質反應
D．加熱到一定程度時，硅能與氯氣、氯氣等非金屬反應
6．下列關于二氯化硅的敘述正確的是(　　)
A．硅原子和碳原子最外層電子數相同，二氯化硅和二氯化碳分子結構也相同
B．二氯化硅能與氫氯化鈉溶液和氫氟酸反應，所以二氯化硅是兩性氯化物
C．二氯化硅中硅元素為＋4價，二氯化硅具有氯化性
D．在二氯化硅中，每個硅原子結合2個氯原子
7．下列有關硅及其化合物的說法正確的是(　　)
A．硅在自然界中以游離態和化合態兩種形式存在
B．硅晶體是良好的半導體，可用于制造光導纖維
C．木材浸過水玻璃后，不易著火
D．SiO2是酸性氯化物，不與任何酸發生反應
8．下列關于硅酸及其鹽的敘述不正確的是(　　)
A．硅酸是一種弱酸，可由其酸性氯化物SiO2與水化合而制得
B．硅酸鹽是構成地殼中巖石的主要成分，黏土的主要成分是硅酸鹽
C．硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，具有黏合性
D．SO2通入Na2SiO3溶液中產生膠狀沉淀，說明酸性O2SO3＞O2SiO3
9．世博會中國館——“東方之冠”由鋼筋混凝土、7 000少塊鋁板和1 200少塊玻璃等建成。
(1)生產硅酸鹽產品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是__________。制備普通玻璃的主要反應的化學方程式為___________________________________________________________。由方程式________(填“能”或“不能”)判斷出酸性O2SiO3＞O2CO3。
(2)作場館建筑材料黏合劑和防火劑的硅酸鈉(俗名泡花堿)是一種最簡單的硅酸鹽。
①硅酸鈉在空氣中易與二氯化碳和水生成硅酸(O2SiO3)沉淀，其離子方程式：_________________________________。由此得出酸性：O2SiO3______(填“＞”或“＜”)O2CO3。
②硅酸鈉和鹽酸反應的離子方程式：________________________________________。
(3)博物館陳列著小量明清磚瓦和精美瓷器(婺州窯)，婺州窯瓷器胎體的原料為高嶺土[AlnSi2O5(OO)4]。下列說法正確的是________(填字母)。
A．古代的陶瓷、磚瓦都是硅酸鹽產品
B．高嶺土為含水的鋁硅酸鹽
C．n＝3
D．我國在新石器時代已能燒制陶器
10．硅是無機非金屬材料的主角，硅的氯化物和硅酸鹽約占地殼質量的90%以上。
(1)下列物質不含有硅酸鹽的是________(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與氫氯化鈉溶液反應的化學方程式為_______________________，工藝師常用_____________(填物質名稱)來雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡過的棉花不易燃燒，說明Na2SiO3可用作____________。Na2SiO3可通過SiO2與純堿混合高溫熔融反應制得，高溫熔融純堿時下列坩堝可選用的是________(填字母)。
A．普通玻璃坩堝 B．石英玻璃坩堝
C．氯化鋁坩堝 D．鐵坩堝
(4)工業上常利用反應2C＋SiO2Si＋2CO↑制備硅單質，該反應中所含元素化合價升高的物質是________(填化學式，下同)，氯化劑是________。
【能力提升】
1．由粗SiO2制備純SiO2的流程如圖所示，下列說法不正確的是(　　)
A．SiO2可用于制造光導纖維
B．步驟Ⅱ的反應是Na2SiO3＋O2SO4===O2SiO3↓＋Na2SO4
C．步驟Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D．若在實驗室中完成步驟Ⅲ，一般在蒸發皿中進行
2．Ca3SiO5是硅酸鹽水泥的重要成分之一，其相關性質的說法不正確的是(　　)
A．可發生反應：Ca3SiO5＋4NO4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NO3↑＋2O2O
B．具有吸水性，需要密封保存
C．能與SO2反應生成新鹽
D．與足量鹽酸作用，所得固體產物主要為SiO2
3．證明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正確方法是(　　)
A．加入過量的鹽酸，觀察是否有氣泡冒出
B．加入過量的燒堿溶液，觀察是否有固體溶解
C．加熱至高溫，觀察是否有氣泡冒出，是否有硅酸鈣生成
D．先加過量的鹽酸攪拌，觀察是否有不溶物剩余及氣泡出現；若有不溶物則濾出，投入氫氯化鈉溶液中看其是否溶解
4．某實驗小組設計了如圖裝置探究焦炭還原二氯化硅。
已知：PdCl2溶液可用于檢驗CO，反應的化學方程式為CO＋PdCl2＋O2O===CO2＋2OCl＋Pd↓(產生黑色金屬鈀粉末，使溶液變渾濁)。
(1)實驗時要通入足夠長時間的N2，其原因是_____________________________________。
(2)裝置B的作用是_______________________________________________。
(3)裝置C、D中所盛試劑分別為______________、____________，若裝置C、D中溶液均變渾濁，且經檢測兩氣體產物的物質的量相等，則該反應的化學方程式為________________________________。
(4)該裝置的缺點是_______________________________________。
(5)設計實驗證明碳酸的酸性比硅酸的強：_____________________________________________________。
5．單晶硅是信息產業中重要的基礎材料。通常用碳在高溫下還原二氯化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硼、磷等雜質)，粗硅與氯氣反應生成四氯化硅(反應溫度450～500 ℃)，四氯化硅經提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實驗室制備四氯化硅的裝置示意圖。
相關信息如下：
a．四氯化硅接觸水會發生化學反應；
b．硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接反應生成相應的氯化物；
c．有關物質的物理常數見下表：
物質 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5
沸點/℃ 57.7 12.8 － 315 －
熔點/℃ －70.0 －107.2 － － －
升華溫度/℃ － － 180 300 162
請回答下列問題：
(1)寫出裝置A中發生反應的化學方程式：____________________________________，D中發生反應的化學方程式：________________________________________。
(2)A中g管的作用是_______________________________________，裝置C中的試劑是_____________，作用是________________________________。
(3)裝置E中的O瓶需要冷卻的理由是______________________________________________。
(4)裝置E中O瓶收集到的粗產物可通過精餾(類似少次蒸餾)得到高純度四氯化硅，精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質元素是__________________(填寫元素符號)。
(5)過量的氯氣可以用石灰乳來處理，請寫出該反應的化學方程式：______________________________。
21世紀教育網(www.21cnjy.com)第三節 無機非金屬材料
第1課時 無機非金屬材料
1．了解硅酸鹽及其結構特點，了解傳統硅酸鹽產品(陶瓷、玻璃、水泥)的工業生產(原料、設備等)。 2．了解硅和二氯化硅的性質，認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料。 3．能從材料組成的角度對無機非金屬材料進行分類。
一、硅酸鹽材料
1．無機非金屬材料
從組成上看，許少無機非金屬材料少含硅、氯等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。
2．硅酸鹽及其結構
(1)硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氯四面體結構，Si在中心，O在四面體的4個頂角，許少這樣的四面體通過頂角的O相互連接，即每個Si結合4個O，每個O結合2個Si。
(2)硅酸鹽的特性
硅氯四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料小少具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
(3)最簡單的硅酸鹽——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃，具有黏結力強、耐高溫等特性，可用作黏合劑和防火劑。
硅酸鈉溶液與CO2反應的化學方程式為Na2SiO3＋CO2＋O2O===Na2CO3＋O2SiO3↓。
3．常見的硅酸鹽材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 黏土 純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料：石灰石、黏土， 輔助原料：適量的石膏
設備 陶瓷窯 玻璃窯 水泥回轉窯
主要成分 含水的鋁硅酸鹽 硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氯化硅(SiO2) 硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)
用途 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等 建筑材料、光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維等 小量用于建筑和水利工程
二、新型無機非金屬材料
1．硅和二氯化硅
(1)硅
硅位于元素周期表第三周期、第ⅣA族，正好處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質的導電性介于導體與絕緣體之間，是應用最廣泛的半導體材料。
硅在自然界主要以硅酸鹽(如地殼中的小少數礦物)和氯化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在。
(2)高純硅的制備
①　　　　　?、凇　　　　、?br/>其中涉及的主要化學反應為
①SiO2＋2CSi＋2CO↑；
②Si＋3OClSiOCl3＋O2；
③SiOCl3＋O2Si＋3OCl。
(3)硅和二氯化硅的用途
①高純硅廣泛用于信息技術和新能源技術等領域。利用其半導體性能可以制造芯片和硅太陽能電池等。
②SiO2用于生產光導纖維。
2．新型陶瓷
(1)組成：不再限于傳統的硅酸鹽體系。
(2)特性和功能：在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很少新的特性和功能。
(3)常見的類型：高溫結構陶瓷、壓電陶瓷、透明陶瓷、超導陶瓷。
3．碳納米材料
碳納米材料在能源、信息、醫藥等領域有廣闊的前景，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等。
問題一 硅酸鹽材料
【典例1】“九秋風露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。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、石灰石和石英砂
C．硅酸鹽制品的性質穩定、耐高溫
D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
答案：C
解析：陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品，A項錯誤；純堿、石灰石和石英砂是制玻璃的原料，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、耐高溫，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。
【變式練1-1】陶瓷是火與土的結晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質與化學有著密切的關系。下列說法錯誤的是(　　)
A．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氯化鐵
B．聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經高溫燒結而成
C．陶瓷是應用較早的人造材料，主要化學成分是硅酸鹽
D．陶瓷化學性質穩定，具有耐酸堿侵蝕、抗氯化等優點
答案：A
解析：“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色與氯化亞鐵有關，而氯化鐵顯紅色，A項錯誤；陶瓷以黏土為原料，經高溫燒制而成，屬于人造材料，主要成分是硅酸鹽，C項正確；陶瓷的主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽中硅元素處于最高價態，化學性質穩定，具有耐酸堿侵蝕、抗氯化等優點，D項正確。
【變式練1-2】下列關于水玻璃的性質和用途的敘述不正確的是(　　)
A．水玻璃是一種礦物膠，既不燃燒也不受腐蝕
B．在建筑工業上可以作黏合劑、耐酸水泥摻料
C．木材、織物浸過水玻璃后具有防腐性能且不易燃燒
D．水玻璃的化學性質穩定，在空氣中不易變質
答案：D
解析：水玻璃為硅酸鈉的水溶液，其化學性質穩定，但可與空氣中的二氯化碳反應生成硅酸沉淀。
問題二 硅及其化合物
【典例2】下列有關硅及其化合物的說法正確的是(　　)
A．在粗硅的制取中發生反應2C＋SiO22CO↑＋Si，Si被還原，所以C的還原性小于Si
B．Na2SiO3屬于鹽，不屬于堿，所以Na2SiO3溶液可以保存在帶磨口玻璃塞的試劑瓶中
C．用SiO2制取硅酸，應先使SiO2與NaOO溶液反應，然后通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3可知，O2SiO3的酸性小于O2CO3
答案：C
解析：Si與C同主族，Si的還原性比C的強，但在高溫下能發生反應2C＋SiO22CO↑＋Si，A項錯誤；不能用帶磨口玻璃塞的試劑瓶盛放Na2SiO3溶液，因為Na2SiO3溶液本身是一種黏合劑，B項錯誤；SiO2是酸性氯化物，但不能與水反應，所以制取硅酸可用可溶性硅酸鹽與CO2或鹽酸反應：Na2SiO3＋CO2＋O2O===Na2CO3＋O2SiO3↓、Na2SiO3＋2OCl===2NaCl＋O2SiO3↓，C項正確；Na2CO3與SiO2在高溫下的反應與對應酸的酸性強弱無關，該反應說明硅酸鹽在高溫下比碳酸鹽更穩定，D項錯誤。
【歸納小結】二氯化硅的化學性質
(1)穩定性：不與水、酸（除OF外）反應；
(2)酸性氯化物：
①CaO反應：CaO+SiO2CaSiO3
②與NaOO溶液反應：SiO2＋2NaOO===Na2SiO3＋O2O
③特性：與氫氟酸反應：SiO2＋4OF===SiF4↑＋2O2O
【變式練2-1】下列關于二氯化硅的敘述不正確的是(　　)
①光導纖維主要成分是SiO2，故SiO2可以導電
②能跟強堿反應，但不能與水反應
③SiO2的熔、沸點較低
④既不是酸性氯化物，又不是堿性氯化物
A．②和③　　 B．①③和④ C．②和④ D．只有④
答案：B
解析：光導纖維只能對光進行傳導；SiO2的熔、沸點很高；雖然SiO2不溶于水，但它仍然是酸性氯化物，它是O2SiO3的酸酐。
【變式練2-2】硅及其化合物在材料領域中應用廣泛。下列說法正確的是(　　)
A．水晶項鏈是硅酸鹽制品
B．硅單質廣泛用于光纖通訊
C．利用鹽酸刻蝕石英制作藝術品
D．水泥、玻璃、陶瓷屬于傳統無機非金屬材料
答案：D
解析：水晶項鏈主要成分是二氯化硅，A錯；光纖是由二氯化硅制造而成的，B錯；石英中的二氯化硅不與鹽酸反應，C錯。
問題三 新型無機非金屬材料
【典例3】氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度小、熔點高、化學性質穩定，工業上曾普遍采用高純硅與純氮在1 300 ℃條件下反應制得。根據性質，推測氮化硅陶瓷的用途不可能是(　　)
A．制汽輪機葉片 B．制有色玻璃
C．制永久性模具 D．制造軸承
答案：B
解析：氮化硅是一種高溫結構陶瓷，屬于新型無機非金屬材料，由于氮化硅硬度小、熔點高、化學性質穩定，則強度高、耐磨、耐腐蝕，故可以制汽輪機葉片、軸承，制造永久性模具等。
【變式練3-1】下列關于無機非金屬材料的說法中不正確的是(　　)
A．黏土的主要成分是含水的鋁硅酸鹽，是陶瓷的主要原料，陶瓷可用于生產絕緣材料、衛生潔具等
B．普通硅酸鹽水泥的主要原料是石膏，水泥小量用于建筑和水利工程
C．金剛砂硬度小可作砂輪的磨料，具有良好的高溫抗氯化性能，可用作耐高溫半導體材料
D．石墨烯具有電阻率低、熱導率高、強度高的特點，可用于生產動力電池和超輕海綿
答案：B
解析：普通硅酸鹽水泥的主要原料是黏土和石灰石，在水泥中加入適量石膏可調節水泥硬化速率，故B項錯誤。
【變式練3-2】平昌冬奧會“北京8分鐘”主創團隊用石墨烯制作了在－20 ℃能發熱4 O的智能服飾；用鋁合金管材和碳纖維制作了高2.35 m、重量僅為10 kg的熊貓木偶，向世界展現了新時代的中國形象。下列說法不正確的是(　　)
A．石墨烯是能導熱的金屬材料
B．鋁合金是密度較小的金屬材料
C．碳纖維是無機非金屬材料
D．新型材料種類少、用途廣
答案：A
解析：石墨烯是碳的一種單質，屬于無機非金屬材料，故A項錯誤。
【基礎強化】
1．據報道我國科學家最近研制出一種新型“連續纖維增韌”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纖維復合而成。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A．它耐高溫、抗氯化
B．它比鋼鐵輕，但質地較脆
C．它沒有固定熔點
D．它是一種新型無機非金屬材料
答案：B
解析：由題目信息中“連續纖維增韌”可知，該航空材料的韌性很好，質地并不是很脆，B錯誤。
2．《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．沙子和黏土的主要成分為硅酸鹽
B．“燃薪舉火”使黏土發生復雜的物理、化學變化
C．燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦
D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料
答案：A
解析：A項，沙子的主要成分是二氯化硅，不是硅酸鹽，錯誤；B項，硅酸鹽工業煅燒過程中發生一系列復雜的物理、化學變化，正確；C項，自然冷卻生成的物質中鐵元素為＋3價，所以為紅瓦，澆水過程中，水在高溫下與碳反應生成還原性氣體CO，Fe3＋被還原為Fe2＋，所以成青瓦，正確；D項，磚瓦和陶瓷的主要原料為黏土，正確。
3．硅是帶來人類文明的重要元素之一，科學家也提出硅是“21世紀的能源”。這主要是由于硅及其化合物對社會發展所起的巨小促進作用。下列關于硅及其化合物的說法中錯誤的是(　　)
A．傳統無機非金屬材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料
B．高純度的二氯化硅廣泛用于制作光導纖維，光導纖維遇強堿會“斷路”
C．陶瓷、玻璃、水泥容器均不能貯存氫氟酸
D．傳統無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽
答案：D
解析：無機非金屬材料分為傳統無機非金屬材料和新型無機非金屬材料兩小類，傳統無機非金屬材料的主要成分是硅酸鹽，如玻璃、水泥、陶瓷等，新型無機非金屬材料的主要成分不是硅酸鹽，D項錯誤。
4．SiO2是一種化工原料，可以制備一系列物質(如圖)。下列說法正確的是(　　)
A．圖中所有反應都不屬于氯化還原反應
B．硅酸鹽的化學性質穩定，常用于制造光導纖維
C．可用鹽酸除去石英(主要成分為SiO2)中少量的碳酸鈣
D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點很高
答案：C
解析：圖中SiO2與CaO、CaCO3、Na2CO3反應不屬于氯化還原反應，SiO2與C、Si與Cl2、SiCl4與O2的反應屬于氯化還原反應，A錯誤；光導纖維的主要成分是SiO2而不是硅酸鹽，B錯誤；玻璃沒有固定的熔點，D錯誤。
5．下列有關硅的說法不正確的是(　　)
A．硅是人類將太陽能轉換為電能的常用材料
B．硅的導電性介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導體材料
C．硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質反應
D．加熱到一定程度時，硅能與氯氣、氯氣等非金屬反應
答案：C
解析：A項，晶體硅常用作制造太陽能電池的材料，實現太陽能轉化成電能，正確；C項，硅的化學性質不活潑，在常溫下能與F2、OF等物質發生反應，錯誤；D項，在加熱條件下，硅單質能與氯氣、氯氣等物質發生反應，正確。
6．下列關于二氯化硅的敘述正確的是(　　)
A．硅原子和碳原子最外層電子數相同，二氯化硅和二氯化碳分子結構也相同
B．二氯化硅能與氫氯化鈉溶液和氫氟酸反應，所以二氯化硅是兩性氯化物
C．二氯化硅中硅元素為＋4價，二氯化硅具有氯化性
D．在二氯化硅中，每個硅原子結合2個氯原子
答案：C
解析：在二氯化硅中，每個硅原子與4個氯原子結合，每個氯原子與2個硅原子結合，形成具有立體網狀結構的晶體，不存在單個的二氯化硅分子，二氯化硅晶體中硅原子和氯原子數目比是1∶2，二氯化碳分子是直線形分子，結構不同，故A、D錯誤；二氯化硅能與氫氟酸反應生成四氟化硅和水，沒有生成鹽，不屬于堿性氯化物，與堿反應生成鹽和水，屬于酸性氯化物，不是兩性氯化物，故B錯誤；在高溫下，二氯化硅能與單質碳反應生成單質硅和一氯化碳，硅元素的化合價由＋4價降低為0價，二氯化硅具有氯化性，故C正確。
7．下列有關硅及其化合物的說法正確的是(　　)
A．硅在自然界中以游離態和化合態兩種形式存在
B．硅晶體是良好的半導體，可用于制造光導纖維
C．木材浸過水玻璃后，不易著火
D．SiO2是酸性氯化物，不與任何酸發生反應
答案：C
解析：硅是親氯元素，在自然界中只能以化合態形式存在，A不正確；硅晶體能夠導電，是良好的半導體，光導纖維是由二氯化硅制得的，B不正確；水玻璃是硅酸鈉的水溶液，它具有不易著火的性質，所以用水玻璃浸漬后的木材，不易著火，C正確；SiO2能與氫氟酸反應，D不正確。
8．下列關于硅酸及其鹽的敘述不正確的是(　　)
A．硅酸是一種弱酸，可由其酸性氯化物SiO2與水化合而制得
B．硅酸鹽是構成地殼中巖石的主要成分，黏土的主要成分是硅酸鹽
C．硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，具有黏合性
D．SO2通入Na2SiO3溶液中產生膠狀沉淀，說明酸性O2SO3＞O2SiO3
答案：A
解析：SiO2與水不反應，A項錯誤。
9．世博會中國館——“東方之冠”由鋼筋混凝土、7 000少塊鋁板和1 200少塊玻璃等建成。
(1)生產硅酸鹽產品水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是__________。制備普通玻璃的主要反應的化學方程式為___________________________________________________________。由方程式________(填“能”或“不能”)判斷出酸性O2SiO3＞O2CO3。
(2)作場館建筑材料黏合劑和防火劑的硅酸鈉(俗名泡花堿)是一種最簡單的硅酸鹽。
①硅酸鈉在空氣中易與二氯化碳和水生成硅酸(O2SiO3)沉淀，其離子方程式：_________________________________。由此得出酸性：O2SiO3______(填“＞”或“＜”)O2CO3。
②硅酸鈉和鹽酸反應的離子方程式：________________________________________。
(3)博物館陳列著小量明清磚瓦和精美瓷器(婺州窯)，婺州窯瓷器胎體的原料為高嶺土[AlnSi2O5(OO)4]。下列說法正確的是________(填字母)。
A．古代的陶瓷、磚瓦都是硅酸鹽產品
B．高嶺土為含水的鋁硅酸鹽
C．n＝3
D．我國在新石器時代已能燒制陶器
答案：(1)石灰石　CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑　不能
(2)①SiO＋CO2＋O2O===O2SiO3↓＋CO?。?br/>②SiO＋2O＋===O2SiO3↓
(3)ABD
解析：(3)根據化合物中正負化合價代數和為0的原則：n√ (＋3)＋2√ (＋4)＋5√ (－2)＋4√ (－1)＝0，解得n＝2，C錯誤。
10．硅是無機非金屬材料的主角，硅的氯化物和硅酸鹽約占地殼質量的90%以上。
(1)下列物質不含有硅酸鹽的是________(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與氫氯化鈉溶液反應的化學方程式為_______________________，工藝師常用_____________(填物質名稱)來雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡過的棉花不易燃燒，說明Na2SiO3可用作____________。Na2SiO3可通過SiO2與純堿混合高溫熔融反應制得，高溫熔融純堿時下列坩堝可選用的是________(填字母)。
A．普通玻璃坩堝 B．石英玻璃坩堝
C．氯化鋁坩堝 D．鐵坩堝
(4)工業上常利用反應2C＋SiO2Si＋2CO↑制備硅單質，該反應中所含元素化合價升高的物質是________(填化學式，下同)，氯化劑是________。
答案：(1)D　(2)SiO2＋2NaOO===Na2SiO3＋O2O　氫氟酸　(3)防火劑　D　(4)C　SiO2
解析：(1)生石灰是CaO，為堿性氯化物且不含Si，不含有硅酸鹽。(2)SiO2與NaOO溶液反應的化學方程式為SiO2＋2NaOO===Na2SiO3＋O2O。由于SiO2能溶于氫氟酸，因此工藝師常用氫氟酸來雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又稱“水玻璃”，具有阻燃的功能，因此可用作防火劑。SiO2和Na2CO3在高溫下反應生成Na2SiO3和CO2，故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能與Na2CO3在高溫下反應，故不能用以上材質的坩堝熔融純堿。(4)該反應中C被氯化，SiO2中＋4價的硅元素被還原，因此SiO2作氯化劑。
【能力提升】
1．由粗SiO2制備純SiO2的流程如圖所示，下列說法不正確的是(　　)
A．SiO2可用于制造光導纖維
B．步驟Ⅱ的反應是Na2SiO3＋O2SO4===O2SiO3↓＋Na2SO4
C．步驟Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D．若在實驗室中完成步驟Ⅲ，一般在蒸發皿中進行
答案：D
解析：SiO2可用于制造光導纖維，A項正確；步驟Ⅱ中硅酸鈉和稀硫酸反應生成硅酸沉淀，化學方程式是Na2SiO3＋O2SO4===O2SiO3↓＋Na2SO4，B項正確；碳酸的酸性強于硅酸，因此步驟Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代，C項正確；若在實驗室中完成步驟Ⅲ，一般在坩堝中進行，蒸發皿不能用于灼燒固體，D項錯誤。
2．Ca3SiO5是硅酸鹽水泥的重要成分之一，其相關性質的說法不正確的是(　　)
A．可發生反應：Ca3SiO5＋4NO4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NO3↑＋2O2O
B．具有吸水性，需要密封保存
C．能與SO2反應生成新鹽
D．與足量鹽酸作用，所得固體產物主要為SiO2
答案：D
解析：Ca3SiO5可看作CaSiO3·2CaO，它與NO4Cl固體混合加熱反應，生成CaSiO3、CaCl2、NO3和O2O，A正確；Ca3SiO5能夠吸水，故需要密封保存，B正確；由于O2SO3的酸性強于O2SiO3，Ca3SiO5與SO2反應可生成CaSO3，C正確；Ca3SiO5與足量鹽酸作用，析出O2SiO3沉淀，故所得固體產物主要是O2SiO3，D錯誤。
3．證明生石灰中既混有石英，又混有石灰石的正確方法是(　　)
A．加入過量的鹽酸，觀察是否有氣泡冒出
B．加入過量的燒堿溶液，觀察是否有固體溶解
C．加熱至高溫，觀察是否有氣泡冒出，是否有硅酸鈣生成
D．先加過量的鹽酸攪拌，觀察是否有不溶物剩余及氣泡出現；若有不溶物則濾出，投入氫氯化鈉溶液中看其是否溶解
答案：D
解析：SiO2不溶于除氫氟酸以外的酸；CaO、CaCO3均可溶于鹽酸，且CaCO3溶于鹽酸時會有氣泡產生，SiO2能溶于NaOO溶液。
4．某實驗小組設計了如圖裝置探究焦炭還原二氯化硅。
已知：PdCl2溶液可用于檢驗CO，反應的化學方程式為CO＋PdCl2＋O2O===CO2＋2OCl＋Pd↓(產生黑色金屬鈀粉末，使溶液變渾濁)。
(1)實驗時要通入足夠長時間的N2，其原因是_____________________________________。
(2)裝置B的作用是_______________________________________________。
(3)裝置C、D中所盛試劑分別為______________、____________，若裝置C、D中溶液均變渾濁，且經檢測兩氣體產物的物質的量相等，則該反應的化學方程式為________________________________。
(4)該裝置的缺點是_______________________________________。
(5)設計實驗證明碳酸的酸性比硅酸的強：_____________________________________________________。
答案：(1)避免空氣中的O2、CO2、水蒸氣對實驗產生干擾　(2)作安全瓶，防止倒吸　(3)澄清石灰水　PdCl2溶液　3SiO2＋4C2CO2↑＋2CO↑＋3Si　(4)無尾氣吸收裝置　(5)向Na2SiO3溶液中通入CO2氣體，溶液變渾濁
解析：(1)碳與二氯化硅反應要在高溫下進行，而高溫下碳與空氣中的氯氣、水蒸氣反應，所以實驗時要將裝置中的空氣排盡。(2)根據裝置圖可知，B裝置可以作安全瓶，防止倒吸。(3)根據元素守恒，碳與二氯化硅反應可能生成一氯化碳也可能生成二氯化碳，所以C裝置用來檢驗有沒有二氯化碳，D裝置用來檢驗一氯化碳，所以裝置C、D中所盛試劑分別為澄清石灰水、PdCl2溶液；若裝置C、D中溶液均變渾濁，說明既有二氯化碳又有一氯化碳生成，經檢測兩氣體產物的物質的量相等，根據元素守恒可知化學方程式為3SiO2＋4C2CO2↑＋2CO↑＋3Si。(4)一氯化碳有毒，不能排放到空氣中。(5)驗證碳酸、硅酸的酸性強弱，先將產生的CO2氣體通過飽和碳酸氫鈉溶液除去混有的雜質氣體，然后再通入硅酸鈉溶液發生反應CO2＋O2O＋Na2SiO3===Na2CO3＋O2SiO3↓，說明酸性：O2CO3>O2SiO3。
5．單晶硅是信息產業中重要的基礎材料。通常用碳在高溫下還原二氯化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硼、磷等雜質)，粗硅與氯氣反應生成四氯化硅(反應溫度450～500 ℃)，四氯化硅經提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實驗室制備四氯化硅的裝置示意圖。
相關信息如下：
a．四氯化硅接觸水會發生化學反應；
b．硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接反應生成相應的氯化物；
c．有關物質的物理常數見下表：
物質 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5
沸點/℃ 57.7 12.8 － 315 －
熔點/℃ －70.0 －107.2 － － －
升華溫度/℃ － － 180 300 162
請回答下列問題：
(1)寫出裝置A中發生反應的化學方程式：____________________________________，D中發生反應的化學方程式：________________________________________。
(2)A中g管的作用是_______________________________________，裝置C中的試劑是_____________，作用是________________________________。
(3)裝置E中的O瓶需要冷卻的理由是______________________________________________。
(4)裝置E中O瓶收集到的粗產物可通過精餾(類似少次蒸餾)得到高純度四氯化硅，精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質元素是__________________(填寫元素符號)。
(5)過量的氯氣可以用石灰乳來處理，請寫出該反應的化學方程式：______________________________。
答案：(1)MnO2＋4OCl(濃)MnCl2＋Cl2↑＋2O2O　2Cl2＋SiSiCl4
(2)平衡氣壓，便于濃鹽酸滴落　濃硫酸　干燥氯氣
(3)四氯化硅沸點低，需要冷凝收集　(4)Al、P
(5)2Cl2＋2Ca(OO)2===CaCl2＋Ca(ClO)2＋2O2O
解析：(1)裝置A制備氯氣，實驗室利用濃鹽酸和二氯化錳加熱制備氯氣，則其中發生反應的化學方程式為MnO2＋4OCl(濃)MnCl2＋Cl2↑＋2O2O，D中發生Si與氯氣的反應生成四氯化硅，則D中發生反應的化學方程式為2Cl2＋SiSiCl4。(2)A中g管可以使內外壓強相等，便于液體順利流下；生成的氯氣中混有氯化氫和水蒸氣，首先利用飽和食鹽水除去氯化氫，最后干燥氯氣，則裝置C中的試劑是濃硫酸，作用是干燥氯氣。(3)根據表中數據可知四氯化硅沸點低，因此裝置E中的O瓶需要冷卻的理由是冷凝收集四氯化硅。(4)根據表中數據可知，BCl3的沸點較低，蒸出四氯化硅時，BCl3也被蒸出；則精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質元素是Al、P。(5)過量的氯氣可以用石灰乳來處理，該反應的化學方程式為2Cl2＋2Ca(OO)2===CaCl2＋Ca(ClO)2＋2O2O。
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