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第三節　無機非金屬材料
基礎課時7　無機非金屬材料
學習目標　1.結合實例認識無機非金屬材料的組成、性能與應用之間的聯系,認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料。2.結合真實情境中的應用實例,了解硅酸鹽、硅、二氧化硅的主要性質。
一、硅酸鹽材料
(一)知識梳理
1.無機非金屬材料
傳統的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料,含　　　　　、　　　　　等元素,具有　　　　　　　　　　　　、
　　　　　、　　　　　等特點,以及特殊的　　　　　、　　　　　　等性能。
2.傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 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)、 二氧化硅(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 大量用于建筑和水利工程
(二)互動探究
普通玻璃以純堿、石灰石和石英砂為原料,經混合、粉碎,在玻璃窯中熔融,發生復雜的物理和化學變化而制得。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
【問題討論】
問題　你能寫出制備玻璃過程中發生反應的化學方程式嗎 根據這些反應能否說明硅酸的酸性比碳酸強
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究歸納】
(1)硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中,Si和O構成了硅氧四面體結構,Si在中心,O在四面體的4個頂角,許多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
硅氧四面體結構的特殊性,決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
(3)玻璃、水泥、陶瓷等均為混合物。生產水泥與陶瓷的共同原料是黏土,生產水泥與玻璃的共同原料是石灰石。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.我國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鹽的是 (　　)
A.陶俑 B.琉璃瓦
C.漢白玉 D.青花瓷
2.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,來自氧化鐵
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、抗氧化等優點
3.“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、熔點較高
D.沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
二、新型無機非金屬材料
(一)知識梳理
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在與結構
存在 原子結構 示意圖 周期表中位置
含量 存在形態
地殼中居 第二位
(2)高純硅的制備
其中涉及的主要化學反應為
①　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、
②　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、
③　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)硅和二氧化硅的用途
硅 　　　　材料→硅芯片、硅太陽能電池
二氧化硅 　　　　纖維
2.新型陶瓷
新型 材料 成分 性能 主要應用
　　　 硬度　　、耐　　、抗氧化 磨料、耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料
高溫 結構 陶瓷 碳化硅、氮化硅、金屬氧化物 耐　　、抗氧化、耐磨蝕 用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等
壓電 陶瓷 鈦酸鹽、鋯酸鹽等 能實現　　能和　　能的相互轉化 用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等
透明 陶瓷 氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷;氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷 具有優異的光學性能、耐高溫、　　　好 用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導 陶瓷 — 臨界溫度下具有超導性 用于電力、交通、醫療等領域
3.碳納米材料
結構特點 應用
富勒烯 由　　　構成的一系列籠形分子的總稱 代表物　　,開啟了碳納米材料研究和應用的新時代
碳納 米管 由　　　卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑 用于生產　　　　　　　　　　　　、 電池和傳感器
石墨烯 只有一個碳原子直徑厚度的　　　石墨 應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料
(二)問題探究
問題1　SiO2既能與NaOH溶液反應,也能與氫氟酸反應,能認為SiO2屬于兩性氧化物嗎
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題2　能否用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸 若不能,寫出化學方程式,簡述理由。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題3　為什么盛NaOH或Na2CO3等呈堿性溶液的試劑瓶一般使用玻璃瓶、橡膠塞
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題4　CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能與水反應生成相應的酸 那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究歸納】
硅及其化合物性質的“九大特殊點”
(1)碳族元素的主要化合價一般是+2、+4價,而硅常見的是+4價。
(2)硅的還原性比碳強,而碳在高溫下卻能從SiO2中還原出硅。
(3)非金屬單質與強堿反應一般不生成氫氣,而硅卻能與強堿溶液反應產生氫氣,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(4)非金屬單質一般不與非氧化性酸反應,而硅不但能與氫氟酸反應,而且還有H2生成(類似于較活潑金屬與酸的置換反應),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接將它與水作用制備H2SiO3。
(6)非金屬氧化物的熔、沸點一般較低,但SiO2的熔、沸點卻很高。
(7)酸性氧化物一般不與酸作用,但SiO2卻能與氫氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(8)無機酸一般易溶于水,而H2SiO3卻難溶于水。
(9)因H2CO3的酸性強于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能發生下列反應:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高溫下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能發生。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。下列說法正確的是 (　　)
A.二氧化硅廣泛用于制備芯片和太陽能電池
B.石墨烯、碳化硅陶瓷等屬于新型無機非金屬材料
C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸鹽材料
D.現代信息社會用于傳遞信號的光纖的主要成分為硅
2.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、抗氧化
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
3.單晶硅是制作電子集成電路的基礎材料,科學家預計一個電腦芯片上將會集成10億個晶體管,其功能遠比我們想象的要大得多,這對硅的純度要求很高。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的還原性大于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NaOH溶液反應,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3
:課后完成　第五章　基礎課時7第三節　無機非金屬材料
基礎課時7　無機非金屬材料
學習目標　1.結合實例認識無機非金屬材料的組成、性能與應用之間的聯系,認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料。2.結合真實情境中的應用實例,了解硅酸鹽、硅、二氧化硅的主要性質。
一、硅酸鹽材料
(一)知識梳理
1.無機非金屬材料
傳統的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料,含硅、氧等元素,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.傳統無機非金屬材料——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)、 二氧化硅(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 大量用于建筑和水利工程
(二)互動探究
普通玻璃以純堿、石灰石和石英砂為原料,經混合、粉碎,在玻璃窯中熔融,發生復雜的物理和化學變化而制得。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
【問題討論】
問題　你能寫出制備玻璃過程中發生反應的化學方程式嗎 根據這些反應能否說明硅酸的酸性比碳酸強
提示　Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3、CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。不能,反應是熔融態反應,二氧化碳氣體從反應體系逸出,有利于反應進行。硅酸酸性比碳酸弱。
【探究歸納】
(1)硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中,Si和O構成了硅氧四面體結構,Si在中心,O在四面體的4個頂角,許多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
硅氧四面體結構的特殊性,決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
(3)玻璃、水泥、陶瓷等均為混合物。生產水泥與陶瓷的共同原料是黏土,生產水泥與玻璃的共同原料是石灰石。
1.我國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鹽的是 (　　)
A.陶俑 B.琉璃瓦
C.漢白玉 D.青花瓷
答案　C
解析　漢白玉主要成分是碳酸鈣,陶、瓷、磚、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸鹽。
2.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,來自氧化鐵
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、抗氧化等優點
答案　A
解析　“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色與氧化亞鐵有關,而氧化鐵顯紅色,A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、抗氧化等優點,D正確。
3.“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、熔點較高
D.沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
答案　C
解析　A項,陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品;B項,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;C項,硅酸鹽制品性質穩定、熔點高;D項,沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸鹽。
二、新型無機非金屬材料
(一)知識梳理
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在與結構
存在 原子結構示意圖 周期表中位置
含量 存在形態
地殼中居第二位 氧化物和硅酸鹽 第三周期、第ⅣA族
(2)高純硅的制備
其中涉及的主要化學反應為
①SiO2+2CSi+2CO↑ 、
②Si+3HClSiHCl3+H2、
③SiHCl3+H2Si+3HCl。
(3)硅和二氧化硅的用途
硅 半導體材料→硅芯片、硅太陽能電池
二氧化硅 光導纖維
2.新型陶瓷
新型 材料 成分 性能 主要應用
碳化硅(SiC) 硬度大、耐高溫、抗氧化 磨料、耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料
高溫結 構陶瓷 碳化硅、氮化硅、金屬氧化物 耐高溫、抗氧化、耐磨蝕 用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等
壓電 陶瓷 鈦酸鹽、鋯酸鹽等 能實現機械能和電能的相互轉化 用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等
透明 陶瓷 氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷;氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷 具有優異的光學性能、耐高溫、絕緣性好 用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導 陶瓷 — 臨界溫度下具有超導性 用于電力、交通、醫療等領域
3.碳納米材料
結構特點 應用
富勒烯 由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱 代表物C60,開啟了碳納米材料研究和應用的新時代
碳納米管 由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑 用于生產復合材料、電池和傳感器
石墨烯 只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨 應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料
(二)問題探究
問題1　SiO2既能與NaOH溶液反應,也能與氫氟酸反應,能認為SiO2屬于兩性氧化物嗎
提示　SiO2不屬于兩性氧化物。兩性氧化物指既能與酸反應生成鹽和水,又能與堿反應生成鹽和水的氧化物。SiO2能與氫氟酸反應,但并不生成鹽和水。
問題2　能否用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸 若不能,寫出化學方程式,簡述理由。
提示　不能,玻璃中含有二氧化硅,能被氫氟酸腐蝕,發生反應的化學方程式為SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
問題3　為什么盛NaOH或Na2CO3等呈堿性溶液的試劑瓶一般使用玻璃瓶、橡膠塞
提示　試劑瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易與氫氧化鈉溶液反應生成硅酸鈉溶液,從而使瓶塞與瓶壁黏合在一起而難以打開,所以盛NaOH溶液的試劑瓶一般是玻璃瓶、橡膠塞。
問題4　CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能與水反應生成相應的酸 那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
提示　CO2可以,SiO2不能,因為二氧化硅不溶于水。由二氧化硅制取硅酸應先與堿(如NaOH溶液)反應生成硅酸鹽,再與酸(如鹽酸)反應生成硅酸。即SiO2Na2SiO3H2SiO3。化學方程式為SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O,Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓。
【探究歸納】
硅及其化合物性質的“九大特殊點”
(1)碳族元素的主要化合價一般是+2、+4價,而硅常見的是+4價。
(2)硅的還原性比碳強,而碳在高溫下卻能從SiO2中還原出硅。
(3)非金屬單質與強堿反應一般不生成氫氣,而硅卻能與強堿溶液反應產生氫氣,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(4)非金屬單質一般不與非氧化性酸反應,而硅不但能與氫氟酸反應,而且還有H2生成(類似于較活潑金屬與酸的置換反應),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接將它與水作用制備H2SiO3。
(6)非金屬氧化物的熔、沸點一般較低,但SiO2的熔、沸點卻很高。
(7)酸性氧化物一般不與酸作用,但SiO2卻能與氫氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(8)無機酸一般易溶于水,而H2SiO3卻難溶于水。
(9)因H2CO3的酸性強于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能發生下列反應:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高溫下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能發生。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。下列說法正確的是 (　　)
A.二氧化硅廣泛用于制備芯片和太陽能電池
B.石墨烯、碳化硅陶瓷等屬于新型無機非金屬材料
C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸鹽材料
D.現代信息社會用于傳遞信號的光纖的主要成分為硅
答案　B
解析　A項,二氧化硅能夠使光線發生全反射,因此廣泛用于制備光導纖維;晶體硅是良好半導體材料,可用于制太陽能電池及晶體管等半導體零件;B項,石墨烯是非金屬單質,具有良好的導電性;石墨烯、碳化硅陶瓷等屬于新型無機非金屬材料;C項,水晶是SiO2,屬于氧化物,并不是硅酸鹽,因此不屬于硅酸鹽材料;D項,現代信息社會用于傳遞信號的光纖的主要成分為二氧化硅。
2.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、抗氧化
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。
3.單晶硅是制作電子集成電路的基礎材料,科學家預計一個電腦芯片上將會集成10億個晶體管,其功能遠比我們想象的要大得多,這對硅的純度要求很高。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的還原性大于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NaOH溶液反應,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3
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錯誤;SiO2是酸性氧化物,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+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓、Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓,C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錯誤。
　　　　　　　　　　　　　　　　
A級　合格過關練
選擇題只有1個選項符合題意
(一)硅酸鹽材料
1.隨著科學技術的發展,無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系。下列物質中不屬于硅酸鹽材料的是 (　　)
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、陶瓷是傳統的硅酸鹽材料;石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨,屬于新型無機非金屬材料。
2.下列關于硅酸鹽材料的說法錯誤的是 (　　)
A.生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、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.硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為主要原料
答案　B
解析　普通玻璃的主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
3.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 (　　)
簡牘 陶彩繪 女舞俑 清雍正款霽 紅釉瓷碗 蕭何月下追 韓信圖梅瓶
A B C D
答案　A
解析　A項,簡牘主要成分為植物纖維;B項,陶彩繪女舞俑,陶制品為硅酸鹽材料;C項,瓷碗為瓷器,瓷器主要成分為硅酸鹽;D項,梅瓶也是瓷器,為硅酸鹽材料。
4.《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氧化硅,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。
(二)無機非金屬材料
5我國火星探測器“天問一號”上使用了重量輕、強度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩定的新型SiC增強鋁基復合材料。下列說法錯誤的是 (　　)
A.SiC是一種新型硅酸鹽材料
B.SiC俗稱金剛砂,具有類似金剛石的結構
C.SiC中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接
D.SiC具有優異的耐高溫抗氧化性能
答案　A
解析　SiC屬于新型陶瓷,不屬于硅酸鹽材料,A錯誤;碳化硅俗稱金剛砂,具有類似金剛石的結構,熔、沸點高,硬度大,可用于制造耐高溫、抗氧化的新型陶瓷,B、D正確;SiC屬于共價化合物,碳原子和硅原子通過共價鍵連接,C正確。
6.我國科學家合成的3 nm長的管狀碳納米管,長度居世界之首。這種碳纖維具有強度高、剛度(抵抗變形的能力)高、密度小(只有鋼的)、熔點高,化學穩定性好的特點,因此被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法中不正確的是 (　　)
A.它是制造飛機的理想材料 B.它的主要組成元素是碳元素
C.它的結構與石墨相似 D.碳纖維復合材料耐高溫
答案　C
解析　石墨的內部結構是層狀的,碳納米管是管狀的。
7.騰飛的中國離不開化學,化學與環境、材料、信息、能源關系密切,推動著人類社會的進步和發展。下列說法不正確的是 (　　)
A.“天問一號”所用的太陽能電池帆板,其主要材料是硅
B.中國空間站使用石墨烯存儲器,所用材料石墨烯屬于無機非金屬材料
C.SO2可用來漂白紙漿,也能作食品添加劑
D.5G技術中使用的通信光纜不與任何酸堿反應
答案　D
解析　SO2雖然有毒,但食品中添加適量的二氧化硫可以起到防腐、抗氧化等作用,在一定范圍內可以用作食品添加劑,C正確;光纜主要成分為二氧化硅,常溫下,二氧化硅與氫氟酸、氫氧化鈉反應,D錯誤。
8.高純度晶體硅是典型的無機非金屬材料,它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:SiO2+2CSi+2CO↑
B.步驟①中每生成1 mol Si,轉移4 mol電子
C.步驟③中的反應為氧化還原反應
D.高純硅是制造手機芯片的常用材料,SiO2是制造太陽能電池的基本原料
答案　D
解析　A項,步驟①的化學方程式:SiO2+2CSi+2CO↑;B項,依據方程式SiO2+2CSi+2CO↑可知,反應中硅從+4價降為0價,每生成1 mol Si,轉移4 mol電子;C項,步驟③氫氣與三氯氫硅反應生成硅和氯化氫,氫、硅元素化合價發生變化,屬于氧化還原反應;D項,硅為良好的半導體材料,是制造太陽能電池的常用材料,二氧化硅具有良好的光學特性,是制造光導纖維的基本原料。
9.硅是無機非金屬材料的主角,硅的氧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與氫氧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.氧化鋁坩堝 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),氧化劑是　　　　　　。
答案　(1)D　(2)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O　氫氟酸　(3)防火劑　D　(4)C　SiO2
解析　(1)生石灰是CaO,為堿性氧化物且不含Si,不含有硅酸鹽。(2)SiO2與NaOH溶液反應的化學方程式為SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O。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被氧化,SiO2中+4價的硅元素被還原,因此SiO2作氧化劑。
B級　素養培優練
10.多晶硅是單質硅的一種形態,是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅的主要原料。已知多晶硅第三代工業制取流程如下所示:
下列說法錯誤的是 (　　)
A.Y可能是H2
B.制取粗硅的過程中焦炭與石英會發生副反應生成碳化硅,在該副反應中,氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶1
C.SiHCl3中硅元素的化合價為+4價
D.Y與SiHCl3制備多晶硅的反應屬于置換反應
答案　B
解析　Y能夠還原SiHCl3為硅單質,則Y可能是H2,A正確;制取粗硅的過程中焦炭與石英會發生副反應生成SiC:3C+SiO2SiC+2CO↑,在該反應中碳既是氧化劑,又是還原劑,氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶2,B錯誤;SiHCl3中H是-1價,Cl是-1價,則Si的化合價為+4價,C正確;H2與SiHCl3制備多晶硅的反應為SiHCl3+H2Si+3HCl,屬于置換反應,D正確。
11.由粗SiO2制備純SiO2的流程如圖所示,下列說法不正確的是 (　　)
粗SiO2XYSiO2
A.SiO2可用于制造光導纖維
B.步驟Ⅱ的反應是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4
C.步驟Ⅱ中的稀硫酸能用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+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4,B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錯誤。
12.氮化硅(Si3N4)是一種重要的高溫結構陶瓷材料,用石英砂和原料氣(含N2和少量O2)制備Si3N4的操作流程如圖(粗硅中含少量Fe、Cu的單質及化合物):
下列敘述不正確的是 (　　)
A.“還原”反應的化學方程式為SiO2+2CSi+2CO↑
B.粗硅提純所得的高純硅是制造芯片的材料
C.“操作X”可將原料氣通過灼熱的銅網
D.“稀酸Y”可選用稀鹽酸
答案　D
解析　“還原”反應是用焦炭把二氧化硅還原為粗硅,反應的化學方程式為SiO2+2CSi+2CO↑,故A正確;粗硅提純所得的高純硅是制造芯片的材料,故B正確;“操作X”是除去氮氣中的少量氧氣,可將原料氣通過灼熱的銅網,故C正確;粗硅中含少量Fe、Cu的單質及化合物,硝酸能溶解Fe、Cu,但稀鹽酸不能溶解Cu,所以“稀酸Y”不可選用稀鹽酸,故D錯誤。
13.硅在地殼中的含量較高。硅及其化合物的開發由來已久,在現代生活中有廣泛應用。
(1)1810年瑞典化學家貝采利烏斯在加熱石英砂、木炭和鐵時,得到一種“金屬”。這種“金屬”可能是　　　　　　。
(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸鹽材料。其中,生產普通玻璃的主要原料有　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)高純硅是現代信息、半導體和光伏發電等產業都需要的基礎材料。工業上提純硅有多種技術路線,其中一種工藝流程示意圖及主要反應如下:
發生的主要反應
電弧爐 SiO2+2CSi+2CO↑
流化床反應器 Si+3HClSiHCl3+H2
還原爐 SiHCl3+H2Si+3HCl
①用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產碳化硅,該反應的化學方程式為　　　　　　　　　　　　　　　;碳化硅又稱　　　　　　,其晶體結構與　　　　　　相似。
②在流化床反應的產物中,SiHCl3大約占85%,還有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有關物質的沸點數據如下表,提純SiHCl3的主要工藝操作依次是沉降、冷凝和　　　　　　。
物質 Si SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2
沸點/℃ 2 355 57.6 31.8 8.2
物質 SiH3Cl HCl SiH4
沸點/℃ -30.4 -84.9 -111.9
答案　(1)含有硅、碳的鐵合金(或硅鐵)
(2)石英砂、純堿和石灰石
(3)①SiO2+3CSiC+2CO↑　 金剛砂　 金剛石(或單晶硅)　 ②精餾(或蒸餾)
解析　(1)SiO2+2CSi+2CO↑,因此得到的金屬狀物質可能為含有硅、碳的鐵合金。(2)生產玻璃的主要原料為石英砂、純堿、石灰石。(3)①石英砂與焦炭反應制取SiC的化學方程式為SiO2+3CSiC+2CO↑,SiC俗名金剛砂,屬于共價晶體,結構類似于金剛石。②根據沸點的不同可選擇蒸餾法提純SiHCl3。(共57張PPT)
第三節　無機非金屬材料
基礎課時 無機非金屬材料
7
第五章
化工生產中的重要非金屬元素
1.結合實例認識無機非金屬材料的組成、性能與應用之間的聯系,認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料。
2.結合真實情境中的應用實例,了解硅酸鹽、硅、二氧化硅的主要性質。
學習目標
一、硅酸鹽材料
二、新型無機非金屬材料
目
錄
CONTENTS
課后鞏固訓練
一、硅酸鹽材料
對點訓練
(一)知識梳理
1.無機非金屬材料
傳統的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料,含____、氧等元素,具有________、________、________等特點,以及特殊的______、______等性能。
硅
耐高溫
抗腐蝕
硬度高
光學
電學
2.傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 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)、二氧化硅(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 大量用于建筑和水利工程
黏土
石灰石、黏土
玻璃窯
水泥回轉窯
(二)互動探究
普通玻璃以純堿、石灰石和石英砂為原料,經混合、粉碎,在玻璃窯中熔融,發生復雜的物理和化學變化而制得。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
【問題討論】
問題　你能寫出制備玻璃過程中發生反應的化學方程式嗎 根據這些反應能否說明硅酸的酸性比碳酸強
【探究歸納】
(1)硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中,Si和O構成了硅氧四面體結構,Si在中心,O在四面體的4個頂角,許多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
硅氧四面體結構的特殊性,決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
(3)玻璃、水泥、陶瓷等均為混合物。生產水泥與陶瓷的共同原料是黏土,生產水泥與玻璃的共同原料是石灰石。
1.我國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鹽的是 (　　)
A.陶俑 B.琉璃瓦
C.漢白玉 D.青花瓷
解析　漢白玉主要成分是碳酸鈣,陶、瓷、磚、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸鹽。
C
2.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,來自氧化鐵
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、抗氧化等優點
A
解析　“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色與氧化亞鐵有關,而氧化鐵顯紅色,A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、抗氧化等優點,D正確。
3.“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、熔點較高
D.沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
解析　A項,陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品;B項,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;C項,硅酸鹽制品性質穩定、熔點高;D項,沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸鹽。
C
二、新型無機非金屬材料
對點訓練
(一)知識梳理
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在與結構
存在 原子結構示意圖 周期表中位置
含量 存在形態
地殼中居第二位
氧化物和硅酸鹽
第三周期、第ⅣA族
(2)高純硅的制備
其中涉及的主要化學反應為
①________________________、
②________________________ 、
③________________________ 。
(3)硅和二氧化硅的用途
硅 ________材料→硅芯片、硅太陽能電池
二氧化硅 ______纖維
半導體
光導
2.新型陶瓷
新型材料 成分 性能 主要應用
金剛砂 硬度____、耐______、抗氧化 磨料、耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料
高溫結 構陶瓷 碳化硅、氮化硅、金屬氧化物 耐______、抗氧化、耐磨蝕 用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等
壓電 陶瓷 鈦酸鹽、鋯酸鹽等 能實現______能和____能的相互轉化 用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等
碳化硅(SiC)
大
高溫
高溫
機械
電
新型材料 成分 性能 主要應用
透明 陶瓷 氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷;氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷 具有優異的光學性能、耐高溫、________好 用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導 陶瓷 — 臨界溫度下具有超導性 用于電力、交通、醫療等領域
絕緣性
3.碳納米材料
結構特點 應用
富勒烯 由________構成的一系列籠形分子的總稱 代表物________,開啟了碳納米材料研究和應用的新時代
碳納米管 由__________卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑 用于生產__________、電池和傳感器
石墨烯 只有一個碳原子直徑厚度的______石墨 應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料
碳原子
C60
石墨片層
復合材料
單層
(二)問題探究
問題1　SiO2既能與NaOH溶液反應,也能與氫氟酸反應,能認為SiO2屬于兩性氧化物嗎
提示　SiO2不屬于兩性氧化物。兩性氧化物指既能與酸反應生成鹽和水,又能與堿反應生成鹽和水的氧化物。SiO2能與氫氟酸反應,但并不生成鹽和水。
問題2　能否用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸 若不能,寫出化學方程式,簡述理由。
提示　不能,玻璃中含有二氧化硅,能被氫氟酸腐蝕,發生反應的化學方程式為SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
問題3　為什么盛NaOH或Na2CO3等呈堿性溶液的試劑瓶一般使用玻璃瓶、橡膠塞
提示　試劑瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易與氫氧化鈉溶液反應生成硅酸鈉溶液,從而使瓶塞與瓶壁黏合在一起而難以打開,所以盛NaOH溶液的試劑瓶一般是玻璃瓶、橡膠塞。
問題4　CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能與水反應生成相應的酸 那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
【探究歸納】
硅及其化合物性質的“九大特殊點”
(1)碳族元素的主要化合價一般是+2、+4價,而硅常見的是+4價。
(2)硅的還原性比碳強,而碳在高溫下卻能從SiO2中還原出硅。
(3)非金屬單質與強堿反應一般不生成氫氣,而硅卻能與強堿溶液反應產生氫氣,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(4)非金屬單質一般不與非氧化性酸反應,而硅不但能與氫氟酸反應,而且還有H2生成(類似于較活潑金屬與酸的置換反應),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接將它與水作用制備H2SiO3。
(6)非金屬氧化物的熔、沸點一般較低,但SiO2的熔、沸點卻很高。
(7)酸性氧化物一般不與酸作用,但SiO2卻能與氫氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(8)無機酸一般易溶于水,而H2SiO3卻難溶于水。
(9)因H2CO3的酸性強于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能發生下列反應:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高溫下Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑也能發生。
1.材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。下列說法正確的是 (　　)
A.二氧化硅廣泛用于制備芯片和太陽能電池
B.石墨烯、碳化硅陶瓷等屬于新型無機非金屬材料
C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸鹽材料
D.現代信息社會用于傳遞信號的光纖的主要成分為硅
B
解析　A項,二氧化硅能夠使光線發生全反射,因此廣泛用于制備光導纖維;晶體硅是良好半導體材料,可用于制太陽能電池及晶體管等半導體零件;B項,石墨烯是非金屬單質,具有良好的導電性;石墨烯、碳化硅陶瓷等屬于新型無機非金屬材料;C項,水晶是SiO2,屬于氧化物,并不是硅酸鹽,因此不屬于硅酸鹽材料;D項,現代信息社會用于傳遞信號的光纖的主要成分為二氧化硅。
2.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、抗氧化
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
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。
B
3.單晶硅是制作電子集成電路的基礎材料,科學家預計一個電腦芯片上將會集成10億個晶體管,其功能遠比我們想象的要大得多,這對硅的純度要求很高。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+SiO2 2CO↑+Si,Si被還原,所以C的還原性大于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NaOH溶液反應,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2 CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3
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+SiO2 2CO↑+Si,A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錯誤;SiO2是酸性氧化物,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+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓、Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓,C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錯誤。
課后鞏固訓練
A級　合格過關練
選擇題只有1個選項符合題意
(一)硅酸鹽材料
1.隨著科學技術的發展,無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系。下列物質中不屬于硅酸鹽材料的是(　　)
A.水泥 B.普通玻璃 C.石墨烯 D.陶瓷
解析　水泥、普通玻璃、陶瓷是傳統的硅酸鹽材料;石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨,屬于新型無機非金屬材料。
C
2.下列關于硅酸鹽材料的說法錯誤的是 (　　)
A.生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、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.硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為主要原料
解析　普通玻璃的主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
B
3.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 陶彩繪 女舞俑 清雍正款霽 紅釉瓷碗 蕭何月下追
韓信圖梅瓶
A B C D
解析　A項,簡牘主要成分為植物纖維;B項,陶彩繪女舞俑,陶制品為硅酸鹽材料;C項,瓷碗為瓷器,瓷器主要成分為硅酸鹽;D項,梅瓶也是瓷器,為硅酸鹽材料。
4.《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
A
解析　A項,沙子的主要成分是二氧化硅,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。
(二)無機非金屬材料
5我國火星探測器“天問一號”上使用了重量輕、強度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩定的新型SiC增強鋁基復合材料。下列說法錯誤的是(　　)
A.SiC是一種新型硅酸鹽材料
B.SiC俗稱金剛砂,具有類似金剛石的結構
C.SiC中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接
D.SiC具有優異的耐高溫抗氧化性能
解析　SiC屬于新型陶瓷,不屬于硅酸鹽材料,A錯誤;碳化硅俗稱金剛砂,具有類似金剛石的結構,熔、沸點高,硬度大,可用于制造耐高溫、抗氧化的新型陶瓷,B、D正確;SiC屬于共價化合物,碳原子和硅原子通過共價鍵連接,C正確。
A
6.我國科學家合成的3 nm長的管狀碳納米管,長度居世界之首。這種碳纖維具有強度高、剛度(抵抗變形的能力)高、密度小(只有鋼的)、熔點高,化學穩定性好的特點,因此被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法中不正確的是(　　)
A.它是制造飛機的理想材料 B.它的主要組成元素是碳元素
C.它的結構與石墨相似 D.碳纖維復合材料耐高溫
解析　石墨的內部結構是層狀的,碳納米管是管狀的。
C
7.騰飛的中國離不開化學,化學與環境、材料、信息、能源關系密切,推動著人類社會的進步和發展。下列說法不正確的是 (　　)
A.“天問一號”所用的太陽能電池帆板,其主要材料是硅
B.中國空間站使用石墨烯存儲器,所用材料石墨烯屬于無機非金屬材料
C.SO2可用來漂白紙漿,也能作食品添加劑
D.5G技術中使用的通信光纜不與任何酸堿反應
解析　SO2雖然有毒,但食品中添加適量的二氧化硫可以起到防腐、抗氧化等作用,在一定范圍內可以用作食品添加劑,C正確;光纜主要成分為二氧化硅,常溫下,二氧化硅與氫氟酸、氫氧化鈉反應,D錯誤。
D
8.高純度晶體硅是典型的無機非金屬材料,它可以按下列方法制備:
SiO2 Si(粗) SiHCl3 Si(純)
下列說法不正確的是(　　)
A.步驟①的化學方程式:SiO2+2C Si+2CO↑
B.步驟①中每生成1 mol Si,轉移4 mol電子
C.步驟③中的反應為氧化還原反應
D.高純硅是制造手機芯片的常用材料,SiO2是制造太陽能電池的基本原料
D
解析　A項,步驟①的化學方程式:SiO2+2C Si+2CO↑;B項,依據方程式SiO2+2C
Si+2CO↑可知,反應中硅從+4價降為0價,每生成1 mol Si,轉移4 mol電子;C項,步驟③氫氣與三氯氫硅反應生成硅和氯化氫,氫、硅元素化合價發生變化,屬于氧化還原反應;D項,硅為良好的半導體材料,是制造太陽能電池的常用材料,二氧化硅具有良好的光學特性,是制造光導纖維的基本原料。
9.硅是無機非金屬材料的主角,硅的氧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與氫氧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。
D
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
氫氟酸
解析　(1)生石灰是CaO,為堿性氧化物且不含Si,不含有硅酸鹽。(2)SiO2與NaOH溶液反應的化學方程式為SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O。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)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.氧化鋁坩堝 D.鐵坩堝
(4)工業上常利用反應2C+SiO2 Si+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),氧化劑是　　　　　　。
防火劑
D
C
SiO2
解析　(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被氧化,SiO2中+4價的硅元素被還原,因此SiO2作氧化劑。
B級　素養培優練
10.多晶硅是單質硅的一種形態,是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅的主要原料。已知多晶硅第三代工業制取流程如下所示:
下列說法錯誤的是 (　　)
A.Y可能是H2
B.制取粗硅的過程中焦炭與石英會發生副反應生成碳化硅,在該副反應中,氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶1
C.SiHCl3中硅元素的化合價為+4價
D.Y與SiHCl3制備多晶硅的反應屬于置換反應
B
解析　Y能夠還原SiHCl3為硅單質,則Y可能是H2,A正確;制取粗硅的過程中焦炭與石英會發生副反應生成SiC:3C+SiO2 SiC+2CO↑,在該反應中碳既是氧化劑,又是還原劑,氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶2,B錯誤;SiHCl3中H是-1價,Cl是-1價,則Si的化合價為+4價,C正確;H2與SiHCl3制備多晶硅的反應為SiHCl3+H2
Si+3HCl,屬于置換反應,D正確。
11.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+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4
C.步驟Ⅱ中的稀硫酸能用CO2替代
D.若在實驗室中完成步驟Ⅲ,一般在蒸發皿中進行
D
解析　SiO2可用于制造光導纖維,A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+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4,B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錯誤。
12.氮化硅(Si3N4)是一種重要的高溫結構陶瓷材料,用石英砂和原料氣(含N2和少量O2)制備Si3N4的操作流程如圖(粗硅中含少量Fe、Cu的單質及化合物):
下列敘述不正確的是 (　　)
A.“還原”反應的化學方程式為SiO2+2C
Si+2CO↑
B.粗硅提純所得的高純硅是制造芯片的材料
C.“操作X”可將原料氣通過灼熱的銅網
D.“稀酸Y”可選用稀鹽酸
D
解析　“還原”反應是用焦炭把二氧化硅還原為粗硅,反應的化學方程式為SiO2+2C Si+2CO↑,故A正確;粗硅提純所得的高純硅是制造芯片的材料,故B正確;“操作X”是除去氮氣中的少量氧氣,可將原料氣通過灼熱的銅網,故C正確;粗硅中含少量Fe、Cu的單質及化合物,硝酸能溶解Fe、Cu,但稀鹽酸不能溶解Cu,所以“稀酸Y”不可選用稀鹽酸,故D錯誤。
13.硅在地殼中的含量較高。硅及其化合物的開發由來已久,在現代生活中有廣泛應用。
(1)1810年瑞典化學家貝采利烏斯在加熱石英砂、木炭和鐵時,得到一種“金屬”。這種“金屬”可能是　　　　　　　　　　　　　。
(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸鹽材料。其中,生產普通玻璃的主要原料有　　　　　　　　　　　 。
含有硅、碳的鐵合金(或硅鐵)
石英砂、純堿和石灰石
解析　(1)SiO2+2C Si+2CO↑,因此得到的金屬狀物質可能為含有硅、碳的鐵合金。(2)生產玻璃的主要原料為石英砂、純堿、石灰石。
(3)高純硅是現代信息、半導體和光伏發電等產業都需要的基礎材料。工業上提純硅有多種技術路線,其中一種工藝流程示意圖及主要反應如下:
①用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產碳化硅,該反應的化學方程式為　　　　　　　　　　;碳化硅又稱　　　　,其晶體結構與________________相似。
②在流化床反應的產物中,SiHCl3大約占85%,還有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有關物質的沸點數據如下表,提純SiHCl3的主要工藝操作依次是沉降、冷凝和　　　　　　。
物質 Si SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2
沸點/℃ 2 355 57.6 31.8 8.2
物質 SiH3Cl HCl SiH4
沸點/℃ -30.4 -84.9 -111.9
SiO2+3C SiC+2CO↑
金剛砂
金剛石(或單晶硅)
精餾(或蒸餾)
解析　(3)①石英砂與焦炭反應制取SiC的化學方程式為SiO2+3C SiC+2CO↑, SiC俗名金剛砂,屬于共價晶體,結構類似于金剛石。②根據沸點的不同可選擇蒸餾法提純SiHCl3。

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