2020年高中化学新教材同步必修第二册 第5章 第三节　无机非金属材料

第三节无机非金属材料[核心素养发展目标]1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料1.硅酸盐及其结构(1)硅酸盐的概念硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。(2)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。(3)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、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。2.常见的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—玻璃窑水泥回转窑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(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)特点抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬用途建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维大量用于建筑和水利工程(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物()(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定()(3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合()(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土()(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行()(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化()答案(1)×(2)√(3)√(4)√(5)√(6)√1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。材料物理性质化学性质玻璃陶瓷答案材料物理性质化学性质玻璃硬度大、耐磨损、耐高温、较脆很稳定陶瓷硬度大、耐磨损、耐高温很稳定2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，常用作黏合剂和防火剂。(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是SiOeq\o\al(2－,3)＋2H＋=H2SiO3↓。(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是SiOeq\o\al(2－,3)＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋COeq\o\al(2－,3)。相关链接硅酸盐的丰富性和多样性由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，＋3价的铝常或多或少地置换硅酸盐中＋4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与NHeq\o\al(＋,4)、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。1.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解析普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是()A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质答案D解析水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是()A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品B.高岭土为含水的铝硅酸盐C.n＝3D.我国在新石器时代已能烧制陶器答案C解析根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。二、新型无机非金属材料1.硅和二氧化硅(1)硅的存在与性质①硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在；②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；③高温下，硅能与氧气反应生成SiO2，与氯气反应生成SiCl4。(2)二氧化硅的性质①二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；③具有氧化性：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑；④特性：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。2.新型陶瓷(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在成分上有很大的变化，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。(2)常见新型陶瓷及其用途(连线)(3)高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)碳化硅俗称金刚砂，它是由碳原子和硅原子通过共价键连接而形成，与金刚石的结构类似，具有硬度大和优异的高温抗氧化性能。3.碳纳米材料(1)富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是C60。(2)碳纳米管是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。(3)石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。碳纳米材料有不同的结构碳原子排列方式不同和性质。(1)硅晶片是生产芯片的基础材料()(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅()(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应()(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸()(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体()(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳()答案(1)√(2)√(3)×(4)×(5)×(6)√1.工业制备高纯硅的原理如图所示：eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up7(1800～2000℃),\s\do5(①焦炭))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up7(300℃),\s\do5(②HCl))eq\x(SiHCl3)eq\o(→,\s\up7(1100℃),\s\do5(③H2))eq\x(高纯硅)(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑；②Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl。(2)上述反应共同的反应类型是氧化还原反应(或置换反应)，反应①中焦炭的作用是还原剂，反应③中氢气的作用是还原剂。(3)在半导体工业中有这样一句行话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？提示沙子的主要成分是SiO2，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。2.回答下列问题。(1)碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？提示原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。(2)碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？提示单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、C60不导电。(3)碳和硅的氧化物有何异同？提示硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物，CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态，存在于地表及地壳中；CO2、CO为气态，存在于大气中；SiO2的性质比CO2更稳定等。3.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃时反应获得。(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。A.制汽轮机叶片 B.制有色金属C.制永久性模具 D.制造柴油机(2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式________________________________________________________________________。(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：________________________________________________________________________。(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为___________________________________________________________。答案(1)ACD(2)Si3N4(3)Si3N4＋12HF=3SiF4↑＋4NH3↑(4)3SiCl4＋2N2＋6H2eq\o(=,\s\up7(强热))Si3N4＋12HCl相关链接近几年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅(SiC，俗称金刚砂)，具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料；含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在－60～250℃仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人；等等。1.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是()①门窗玻璃②水晶镜片③石英钟表④玛瑙首饰⑤硅太阳能电池⑥光导纤维⑦计算机芯片A.①②③④⑥ B.全部C.⑤⑦ D.①②⑥⑦答案A解析玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。2.(2018·三门峡高一期末)高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：SiO2eq\o(→,\s\up7(①C),\s\do5(高温))Si(粗)eq\o(→,\s\up7(②HCl),\s\do5(300℃))SiHCl3eq\o(→,\s\up7(③过量H2),\s\do5(1100℃))Si(纯)下列说法不正确的是()A.步骤①的化学方程式：SiO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋CO2↑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.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料答案A解析步骤①的反应方程式为SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。3.下列物质与其对应的用途搭配不正确的是()A.高能燃料——火箭动力B.石英砂——制造光导纤维C.半导体硅晶片——制造计算机芯片D.高强度耐火陶瓷——制造轮船答案D解析制造轮船材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷。课时对点练A组基础对点练题组一传统无机非金属材料1.硅酸盐材料是传统的无机非金属材料。下面有关硅酸盐材料的说法，正确的是()A.普通玻璃的主要成分是纯碱、石灰石和石英B.制造水泥的主要原料是石灰石和黏土C.水玻璃的成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅D.陶器比瓷器的结构致密，几乎不吸水答案B解析普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅；水玻璃是硅酸钠的水溶液；瓷器的结构致密，几乎不吸水。2.制造水泥和普通玻璃都需要的原料是()A.石灰石 B.黏土C.纯碱 D.硅酸钠答案A解析生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂；生产水泥以黏土和石灰石为主要原料。题组二新型无机非金属材料3.被誉为21世纪“材料之星”的是()A.石英砂 B.钛合金材料C.纳米材料 D.半导体硅晶片答案C解析被誉为21世纪“材料之星”的是纳米材料，其中碳纳米管是一种奇异分子，它是使用一种特殊的化学气相方法，使碳原子形成长链来生长出的超细管子，碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。4.碳化硅(SiC)陶瓷基复合材料是一种新型热结构材料。在空气中，碳化硅能与熔融的氢氧化钠发生反应：SiC＋2NaOH＋2O2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋X＋H2O，下列有关X物质的化学式推断中，正确的是()A.SiO2B.COC.CO2D.Na2CO3答案C解析根据反应的化学方程式和质量守恒定律可知X物质的化学式为CO2。5.碳纳米管是继足球烯(C60)以后发现的又一种碳单质，以下有关碳纳米管与足球烯(C60)的说法错误的是()A.它们的物理性质有较大差异B.在常温下它们的化学性质都稳定C.它们是不同的碳单质D.它们分别完全燃烧后生成物不同答案D解析碳纳米管和足球烯中碳原子排列方式不同，物理性质不同；它们都是碳单质，都是纯净物，在通常情况下化学性质比较稳定；二者完全燃烧时都生成二氧化碳。6.太空航天器常穿上用新型陶瓷材料制成的“外衣”，在穿越大气层时，能克服“热障”安全返回地面，这种外衣主要利用了材料的()A.绝缘性好 B.密度大C.耐高温和隔热性好 D.硬度大答案C解析因为航天器在穿过稠密的大气层返回地球的过程中与大气剧烈摩擦，产生高温，为了防止烧毁航天器，所以这种材料应具备耐高温的特点；还有要防止舱内温度过高导致对宇航员产生危险，这种材料还应具备隔热性好的特点。题组三硅和二氧化硅7.我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是()A.晶体硅和金刚石的物理性质相似B.晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应C.晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵D.晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电答案A解析晶体硅的结构与金刚石相似，是具有正四面体形的空间立体网状结构，所以物理性质与金刚石相似，熔、沸点高，硬度大；硅的化学性质不活泼，但常温下可与F2、HF和强碱反应；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛使用；晶体硅虽然具有金属光泽，但它属于非金属单质。8.(2019·长春市十一中期末)下列关于硅及其化合物的说法中，正确的是()A.硅可用于制造光导纤维B.水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品C.可用反应Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3(胶体)制取硅酸D.SiO2既能与HF反应又能与强碱反应，所以SiO2是两性氧化物答案C解析SiO2可用于制光导纤维，而硅用于半导体材料，故A错误；水晶主要成分为SiO2，不属于硅酸盐，故B错误；SiO2能与HF反应生成四氟化硅和水，不是盐和水，且二氧化硅只能与一种酸反应，不是两性氧化物，属于酸性氧化物，故D错误。9.下列说法正确的是()A.光导纤维的主要成分为二氧化硅B.二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸C.二氧化硅的俗名叫水玻璃，不溶于水D.硅在自然界中既有游离态又有化合态答案A解析二氧化硅是酸性氧化物，可溶于氢氟酸；硅酸钠的水溶液俗名叫水玻璃，易溶于水；硅在自然界中只以化合态的形式存在。10.氮化硅陶瓷因其熔点高，对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性，越来越多地被应用于热工的各个领域，如陶瓷烧成棚板、辊棒，以及高温轴承、涡轮叶片等。(1)下列关于氮化硅陶瓷的说法正确的是________(填字母)。A.硅粉合成氮化硅的反应属于氧化还原反应B.氮化硅陶瓷属于硅酸盐C.氮化硅陶瓷可用于制造磨刀材料D.太阳能光伏产业的主体材料为氮化硅(2)在烧结氮化硅陶瓷的过程中，二氧化硅、碳、氮气以物质的量之比3∶6∶2反应生成两种化合物。①该反应的化学方程式为_______________________________________________________。②该反应中氧化剂与还原剂的质量比为___________________________________________。答案(1)AC(2)①3SiO2＋2N2＋6Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si3N4＋6CO②7∶9解析(1)Si与N2反应前后，N、Si元素的化合价发生变化，故属于氧化还原反应，A正确；氮化硅属于新型高温结构陶瓷，不属于硅酸盐，B错误；根据氮化硅的性能，可用于制造磨刀材料，C正确；太阳能光伏产业的主体材料为硅，D错误。6Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si3N4＋6CO。②根据反g·mol－1)＝7∶9。B组综合强化练1.(2019·合肥一中高一检测)根据不同部位工作条件的不同，航天飞机使用了多种防热材料。例如，机身和机翼下表面使用高温陶瓷瓦。下列对新型陶瓷材料的有关叙述中，错误的是()A.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料，可以作为高级耐火材料B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，它是生物陶瓷C.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，它用于制造陶瓷发动机的受热面D.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，但是强度比较差答案D解析高温结构陶瓷包括Si3N4陶瓷、SiC陶瓷等，属于新型无机非金属材料，可以作为高级耐火材料，A正确；氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，是一种生物陶瓷，B正确；氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，是高温结构材料，可用于制造陶瓷发动机的受热面，C正确；新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料的缺点，而且同时还具有较高的强度和耐磨性，能抵抗冷热冲击，且有电学性能等若干优点，D错误。2.(2018·福州高一段考)制备硅单质时，主要化学反应如下：①SiO2(石英砂)＋2C(焦炭)eq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗硅)＋2CO↑，②Si(粗硅)＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4，③SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(纯硅)＋4HCl，下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是()A.①③为置换反应B.①②③均为氧化还原反应C.②为化合反应D.三个反应的反应物中硅元素均被还原答案D解析在反应②中Si元素化合价升高，被氧化。3.氮化铝(AlN)是一种新型陶瓷材料。可通过如下反应制备：Al2O3＋N2＋3Ceq\o(=,\s\up7(高温))2AlN＋3CO关于该反应的说法正确的是()A.该反应是复分解反应B.Al2O3是氧化剂C.N2发生还原反应D.每反应1molN2转移3mol电子答案C解析在该氧化还原反应中，只有氮元素的化合价降低，氮气为氧化剂，发生还原反应；氮元素化合价由0价变化为－3价，则每反应1molN2转移6mol电子。4.二氧化硅是一种化工原料，可以制备一系列物质。下列说法正确的是()A.图中所有反应都不属于氧化还原反应B.硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维C.可用盐酸除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高答案C解析图中二氧化硅与碳、硅与氯气、四氯化硅与氢气的反应属于氧化还原反应；石英砂(主要成分为SiO2)与盐酸不反应，碳酸钙能与盐酸反应，用盐酸可溶解除去石英砂中的碳酸钙；光导纤维的主要成分是二氧化硅，而不是硅酸盐；玻璃是混合物，没有固定的熔点。5.下列溶液中①碳酸钠溶液；②氢氟酸；③氢氧化钠溶液；④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中但不能用磨口玻璃塞的是()A.①③B.②④C.②③D.①④答案A解析①③项中溶液呈碱性，不能与光滑的玻璃反应，但能与磨口玻璃塞裸露的SiO2反应，生成的硅酸钠溶液是一种矿物胶，具有良好的黏结性，易使瓶塞与瓶口粘在一起而难以开启。氢氟酸能腐蚀玻璃，不能用玻璃试剂瓶存放。6.除去二氧化硅中混有的少量生石灰和石灰石，有如下操作：①加水溶解②加水煮沸③过滤④加稀盐酸⑤加稀硫酸，正确的操作顺序是()A.①③B.④③C.⑤③D.②③答案B解析加稀盐酸与CaO、CaCO3反应生成CaCl2溶液，然后过滤得到SiO2固体。注意不能选用稀硫酸，因CaSO4微溶，不易分离出SiO2。7.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。请回答下列问题：(1)下列物质不属于硅酸盐的是________(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)工业上常用2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中有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)阻燃剂D(4)CSiO2解析(1)陶瓷、玻璃、水泥都属于硅酸盐，生石灰是氧化钙，不属于硅酸盐。(2)二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，化学方程式为SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；氢氟酸能够与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，可用来雕刻玻璃。(3)硅酸钠不能燃烧，可以用作阻燃剂；普通玻璃坩埚、石英玻璃坩埚都含有二氧化硅，能够与纯碱发生反应，氧化铝与纯碱也能够发生反应，所以高温熔融纯碱时应选用铁坩埚。(4)该反应中SiO2作氧化剂，C作还原剂。8.(2019·天津一中下学期开学考试)某实