5.3无机非金属材料-高一化学教学讲义（人教版2019）（原卷版）

第三节无机非金属材料知识解读·必须会知识解读·必须会知识点一硅酸盐材料1.硅酸盐的概念、结构与特点（1）概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。（2）结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。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）特点：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.硅酸盐材料陶瓷玻璃水泥原料黏土纯碱、石灰石、石英砂石灰石、黏土及其他辅料设备陶瓷窑玻璃窑水泥回转窑成分普通玻璃：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2性能硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点应用生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿和卫生洁具等生产建筑材料、光学仪器、和各种器皿，制造玻璃纤维、用于高强度复合材料等大量用于建筑和水利工程传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，经过高温发生复杂的物理、化学变化制成，产品都为硅酸盐。知识点二硅1.硅的存在形式元素位置原子结构元素性质第三周期第IVA族既不容易得到也不容易失去电子，主要形成四价的共价化合物硅元素在地壳中含量仅次于氧，居第二位。硅有亲氧性，在自然界中仅以化合态存在，即硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。2.晶体硅的物理性质硅单质是带有金属光泽的灰黑色固体，其结构与金刚石类似，为空间网状结构，所以晶体硅的硬度大、熔点高。导电性介于导体与绝缘体之间。3.单质硅的化学性质（1）与非金属单质反应=1\*GB3①与F2：Si+2F2=SiF4；=2\*GB3②与Cl2：Si+2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4；=3\*GB3③与O2：Si+O2eq\o(=,\s\up7(高温))SiO2；=4\*GB3④与C：Si+Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC（2）与酸、碱反应=1\*GB3①非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si+4HF=SiF4↑+2H2↑；=2\*GB3②硅与强碱溶液反应生成氢气：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。4.硅的制备eq\x(\a\al(石,英,砂))eq\o(→,\s\up7(焦炭),\s\do5(1800～2000℃))eq\x(\a\al(粗,硅))eq\o(→,\s\up7(HCl),\s\do5(300℃))eq\x(SiHCl3)eq\o(→,\s\up7(H2),\s\do5(1100℃))eq\x(\a\al(高,纯,硅))(1)制取粗硅：SiO2+2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si+2CO↑。(2)粗硅提纯：①Si+3HCleq\o(=,\s\up7(高温))SiHCl3+H2；②SiHCl3+H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si+3HCl。5.硅的用途硅在元素周期表中处于金属与非金属的交界处，晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是一种良好的半导体材料，因此晶体硅常用于制作集成电路板（硅芯片）和太阳能电池极板。知识点三二氧化硅1.存在二氧化硅的俗名为硅石，天然二氧化硅分为结晶形和无定形。结晶形SiO2：石英（水晶和玛瑙）无定形SiO2：硅藻土2.结构与物理性质（1）结构：二氧化硅晶体的基本结构是以硅原子为中心，氧原子在四面体的4个顶角上，而这些四面体又通过顶角的氧原子相连接。即每个硅原子与周围的4个氧原子结合，每个氧原子与2个硅原子结合，实际上，二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按1:2的比例所组成的立体网状结构的晶体，所以我们通常用SiO2来表示二氧化硅的组成。（2）物理性质：纯净的SiO2是无色透明的，不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大，不导电。3.化学性质（1）二氧化硅虽然不溶于水，但它是一种酸性氧化物=1\*GB3①与NaOH反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O=2\*GB3②与CaO反应：SiO2+CaOeq\o(=,\s\up7(△))CaSiO3（2）弱氧化性（与碳反应）SiO2+2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si+2CO↑（3）二氧化硅可与某些盐反应制备玻璃SiO2+Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3+CO2↑（4）二氧化硅的特性与HF反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O4.用途（1）水晶可用于制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品。（2）SiO2可用于制造光导纤维。（3）石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。（4）石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。知识点四新型陶瓷碳纳米材料1.新型陶瓷新型材料成分性能主要应用[来源]金刚砂碳化硅(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、耐腐蚀用于火箭发动机、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、医疗领域等2.碳纳米材料新型材料结构特点主要性能主要应用富勒烯碳原子构成的一系列笼形分子工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等碳纳米管石墨片层卷成的直径纳米级的管状物比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质生产复合材料、电池和传感器等石墨烯一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高、具有很高的强度应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面热点题型·学解题热点题型·学解题【例1】硅是带来人类文明的重要元素之一。下列物质中主要成分是硅酸盐的是()A.陶瓷B.金刚石C.光导纤维D.大理石【变式11】下列物质中按其成分能与玻璃、水泥、陶瓷归于一类的是()A．硅石B．碳化硅C．硅酸钠 D．二氧化硅【例2】硅被誉为无机非金属材料的主角。下列物品用到硅单质的是()A.陶瓷餐具 B.石英钟表C.计算机芯片 D.光导纤维【变式21】下列关于硅及其化合物的说法,不正确的是()A.晶体硅可用作半导体材料B.硅的氧化物都可用作光导纤维的材料C.碳化硅可用作砂纸、砂轮的磨料D.生产玻璃和水泥的原料中都有石灰石【例3】下列关于硅材料的说法不正确的是（）A.钢化玻璃与普通玻璃的主要成分基本相同B.制普通玻璃的原料是石灰石、纯碱和石英砂C.陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料D.水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂【变式31】光纤通信70年代后期发展起来的一种新型通信技术，目前长距离光纤通信系统已投入使用，光纤通信的光学纤维是由下列哪种物质经特殊工艺制成的()A．碳 B．二氧化硅 C．锗 D．硅【例4】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．晶体硅的结构与金刚石类似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【变式41】下列关于硅的说法不正确的是()A．硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属单质反应【例5】下列关于二氧化硅的叙述中，正确的是()A．二氧化硅不溶于水，也不与水反应生成对应的酸B．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应C．二氧化硅在高温下与碳酸钠发生反应生成硅酸钠，产生CO2，说明硅酸的酸性强于碳酸，这就是用较强的酸制较弱的酸D．二氧化硅和二氧化碳物理性质相似【变式51】作为全球最大的电子产品制造国，中国却有着“芯”病。我国国产芯片自给率不到30%，产值不足全球的7%，市场份额不到10%。下列说法正确的是()A．CPU半导体芯片与光导纤维是同种材料B．水泥和玻璃属于新型硅酸盐材料C．水晶和陶瓷都是硅酸盐制品D．粗硅制备单晶硅涉及氧化还原反应【例6】《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．粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料B．“燃薪举火”使粘土发生复杂的物理化学变化C．沙子和粘土的主要成分均为硅酸盐D．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦【变式61】下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材料的是（）米大口径碳化硅反射镜B.大面积单晶六方氮化硼半导体材料C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线D.“玉兔二号”钛合金筛网轮【例7】下列表述中正确的是（）①光导纤维做通讯材料有许多优点，但怕腐蚀，铺设也很不方便②化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐③三峡大坝的建设使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料④氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、光导纤维等属于新型无机非金属材料⑤太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能A.①②③B.②④C.①③⑤D.③④⑤【变式71】硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是（）A.氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4B.碳化硅(SiC)的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承C.光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2D.二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为1:2【例8】下列叙述正确的是()A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以两者物理性质相似B.因为CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸的强C.CO2和SiO2都能与碳反应,且都作氧化剂D.SiO2晶体熔、沸点高,硬度大,故可用于制作光导纤维【变式81】下列有关说法正确的是()A.CO2与水反应生成碳酸,是酸性氧化物;SiO2不能与水反应生成硅酸(H2SiO3),不是酸性氧化物B.NaOH溶液不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放C.除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质应选用水D.粗硅制备时,发生的反应为C+SiO2Si+CO2↑【例9】碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是（）A.碳纳米管属于胶体B.石墨烯属于有机物C.C60与金刚石互为同素异形体D.碳纳米管、石墨烯、C60具有相同的熔点【变式91】下列哪些材料是新型无机非金属材料（）①氧化铝陶瓷②氮化硅陶瓷③碳化硅陶瓷④氮化铝陶瓷⑤氮化钛陶瓷⑥硅化硼陶瓷⑦二硅化铜陶瓷A.①②③B.①③④⑤C.①⑤⑥D.全部【例10】碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是（）A.碳纳米管属于胶体B.石墨烯属于有机物C.C60与金刚石互为同素异形体D.碳纳米管、石墨烯、C60具有相同的熔点【变式101】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，可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，但是强度比较差课后提升课后提升·练到位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.生产陶瓷的主要原料是黏土C.普通玻璃的主要成分只有SiO2D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要生产原料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3.材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是（）选项材料主要化学成分A刚玉、金刚石氧化铝B大理石、石灰石碳酸钙C普通水泥、普通玻璃硅酸盐D沙子、石英二氧化硅4.下列叙述中,正确的是()A.自然界中存在大量的单质硅B.石英、水晶的主要成分都是二氧化硅C.二氧化硅的化学性质活泼,能跟酸或碱溶液发生化学反应D.自然界中硅元素都存在于石英中5.下列原料在生产水泥和玻璃时都要用到的是（）A.黏土B.硅石C.石灰石D.纯碱6.最近我国科研人员根据玉兔二号的光谱探测数据，分析得出月幔中富含橄榄石[主要成分为(Mg或Fe)22SiO4],橄榄石属于（）A.碱B.酸C.硅酸盐D.酸性氧化物7.唐三彩秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于（）A.氧化铝B.二氧化硅C.硅酸盐D.合金8下列材料不属于无机非金属材料的是（）A.钢铁B.玻璃C.水泥D.陶瓷9．化学与人类生产、生活、社会可持续发展密切相关，下列有关说法不正确的是()A．高纯硅广泛应用于太阳能电池、计算机芯片，是一种重要的半导体材料B．氟利昂和NOx都能破坏臭氧层，从而导致“温室效应”C．中国是目前全球最大的稀土生产国和出口国，对稀土元素及其化合物的研究是获得优良催化剂的一种重要途径D．华为发布的首款5G折叠屏，用镁铝合金制成的外壳具有轻便抗压的特点10．Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是()A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NH4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NH3↑＋2H2OB．具有吸水性，需要密封保存C．能与SO2反应生成新盐D．与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO211．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制晶的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如图所示：下列说法错误的是()A．Y、Z分别为H2、Cl2B．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极易水解，其完全水解的产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅元素的化合价为＋2价D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应12．有关高温结构陶瓷和光导纤维说法不正确的是()A．高温结构陶瓷弥补了金属材料的弱点，但是硬度却远远低于金属材料B．氮化硅陶瓷是一种重要的结构材料，具有超硬性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀，可用于制造火箭发动机C．光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维D．光导纤维的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听13．习主席在2020年新年贺词中强调“5G商用加速推出，凝结着新时代奋斗者的心血和汗水，彰显了不同凡响的中国风采、中国力量”，制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3与过量H2在1100～1200℃反应制备高纯硅的装置如下图所示(热源及夹持装置略去)。已知：SiHCl3遇水H2O强烈水解，在空气中易自燃。下列说法错误的是()A．装置B中的试剂是浓硫酸B．实验时先打开装置C中分液漏斗的旋塞C．装置C中的烧瓶需要加热，其目的是使滴入烧瓶中的SiHCl3气化D．装置D不能采用普通玻璃管的原因是在反应温度下，普通玻璃管会软化14.下列说法中不正确的是()A.普通玻璃质地透明,但属于混合物B.普通玻璃与钢化玻璃的化学成分相同C.氧化铝陶瓷可用来制作压电地震仪D.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料15.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16.玻璃与人们的生产生活密切联系。玻璃制品随处可见。(1)一般住宅的窗玻璃是普通玻璃，制造普通玻璃的主要原料是、、，粉碎后放入玻璃窑中在高温下发生反应生成玻璃，普通玻璃的成分是、、(2)某玻璃中成分用氧化物表示时Na2O、CaO、SiO2的质量之比为31:28:180,此玻璃的组成可表示为(填选项)A.Na2O·CaO·6H2SiO3B.Na2O·CaO·6SiO2C.2Na2O·2CaO·9SiO2D.6Na2O·6CaO·SiO217．金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。(1)一定条件下，Na与CCl4可制备金刚石，反应结束冷却至室温后，回收其中的CCl4的实验操作名称为____。推测该反应的类型为____。(填标号)A．分解反应B．置换反应C．氧化还原反应D．离子反应(2)已知：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。在高温电炉中碳和SiO2反应可制得SiC，同时生成CO，其粗产品中杂质为Si和SiO2。①请写出电炉中所发生反应的化学方程式：___________，每有1molSiC生成时，转移电子的物质的量为____。②现将20.0gSiC粗产品加入到过量的NaOH溶液中充分反应，收集到0.1mol氢气，过滤得SiC固体11.4g，滤液稀释到1L，则硅酸盐的物质的量浓度为______。(3)下列关于金刚石、SiC和单质Si的说法不正确的是_____。(填标号)A．金刚石、SiC和单质Si都属于无机非金属材料B．金刚石和石墨、晶体硅和无定形硅分别互为同素异形体C．金刚石和单质硅都是良好的半导体材料D．金刚石、SiC和Si晶体结构类似18．某同学为了验证碳和硅两种元素非金属性的相对强弱，用如图所示装置进行实验(夹持仪器已略去，气密性已检验)。实验操作步骤：Ⅰ．打开弹簧夹1，关闭弹簧夹2，并打开活塞，滴加盐酸。Ⅱ．A中看到白色沉淀时，关闭活塞。请回答：(1)仪器a的名称：___________________。(2)通过步骤Ⅰ、Ⅱ得知盐酸具有的性质是________(填字母)。A．挥发性B．还原性C．氧化性D．酸性(3)C装置的作用是_______