5.3无机非金属材料高一化学讲与练（人教版2019）（原卷版）

第五章化工生产中的重要非金属元素第三节无机非金属材料[学习目标]1.了解硅酸盐及其结构特点，知道常见的硅酸盐产品(玻璃、水泥、陶瓷)的工业生产。2.了解硅和二氧化硅的性质。3.知道一些新型的无机非金属材料硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳纳米材料等的性能和用途。[核心知识梳理]一、硅酸盐材料1．从组成上看，无机非金属材料多含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。2．硅酸盐材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥等。3．在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。4．下列硅酸盐材料的主要原料分别是：陶瓷：黏土；玻璃：纯碱、石灰石、石英砂；水泥：黏土和石灰石。5．常见的硅酸盐——Na2SiO3(1)硅酸钠是一种白色固体，能溶于水，其水溶液俗称水玻璃。(2)硅酸钠在空气中放置易与空气中CO2反应而变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2=Na2CO3＋H2SiO3↓。(3)硅酸钠是制备黏合剂和木材防火剂等的原料。6．硅酸盐氧化物形式的书写硅酸盐由于组成比较复杂，通常用氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为：(1)顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水；氧化物之间以“·”隔开。(2)原则：各元素原子总个数比符合原来的组成，若出现分数应化为整数。例如：钠长石NaAlSi3O8不能写成eq\f(1,2)Na2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。(3)各元素的化合价不能改变。二、新型无机非金属材料1．硅(1)硅元素在周期表中的位置为第三周期、第ⅣA族，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。(2)硅单质的化学性质常温下：①与氟气反应：Si＋2F2=SiF4；②与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。加热或高温条件下：①与O2反应：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2；②与Cl2反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4；③与C反应：Si＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))SiC。(3)高纯硅的制备原理eq\x(石英砂)eq\o(\o(→,\s\up12(焦炭),\s\do4(1800～2000℃)),\s\do14(①))eq\x(粗硅)eq\o(\o(→,\s\up12(HCl),\s\do4(300℃)),\s\do14(②))eq\x(SiHCl3)eq\o(\o(→,\s\up12(H2),\s\do4(1100℃)),\s\do14(③))eq\x(高纯硅)其中涉及的主要化学反应为：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。(4)硅的用途高纯硅可用于生产计算机芯片和硅太阳能电池。2．二氧化硅(1)存在SiO2的存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英、水晶、玛瑙、沙子、光导纤维的主要成分均是SiO2。(2)SiO2的结构和物理性质SiO2中Si原子和O原子形成空间网状结构，故不存在单个的SiO2分子。SiO2的空间网状结构决定了其具有熔点高、硬度大、难溶于水等特点。(3)SiO2的化学性质(4)用途纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本材料，可以制作光导纤维。3．新型陶瓷(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在组成上有很大的变化，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。(2)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，硬度很大，具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。(3)新型陶瓷种类：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。4．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。碳纳米管的比表面积大，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。[典例分析][典例1]材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列有关物质的说法正确的是A．Ti−Fe合金和La−Ni合金都是新型储氢合金B．石英玻璃、碳化硅陶瓷、水泥、石墨烯都是硅酸盐材料C．半导体行业中有一句话：“从沙滩到用户”，计算机芯片的材料是二氧化硅D．中国航天飞船外壳用到的是特种镁合金，属于新型无机非金属材料[典例2]下列关于硅的说法中，不正确的是A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，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反应D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应[典例3]下列材料的特性及用途的说法中不正确的是A．光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料B．氧化铝陶瓷具有两性，不可以用于制耐高温设备C．氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用来制造轴承D．人造刚玉硬度高，可用来制造刚玉球磨机[典例4]半导体行业中有一句话：“从沙滩到用户”，计算机芯片的材料是硅，下列有关硅及其化合物叙述正确的是A．水玻璃可做防火材料 B．水晶、玛瑙的主要成分是晶体硅C．可用石英坩埚加热熔融氢氧化钠固体 D．二氧化硅不和任何酸反应[典例5]工业制备高纯硅的流程如下，下列说法正确的是A．石英砂与过量焦炭发生的主要反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑B．盛装NaOH溶液的玻璃瓶要使用磨口玻璃塞C．粗硅与HCl反应时，需要在富氧的环境中进行D．高纯硅常用于制备光导纤维[同步练习]一、单选题1．《流浪地球2》向观众展示了太空电梯、行星发动机、超级计算机550W等超前的科技幻想，探讨了数字生命、人工智能等科技伦理问题。它们与化学有着密切联系，下列说法不正确的是A．我国“硅—石墨烯—锗高速晶体管”技术获重大突破，C、Si、Ge都是主族元素B．我国提出网络强国战略，光纤线路总长超过三千万公里，光纤的主要成分是SiO2C．新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料D．富勒烯、石墨烯都是含碳化合物2．下列有关硅元素的叙述中，正确的是A．光导纤维是以硅单质为主要原料制成的B．硅是构成矿物和岩石的主要元素，主要以硅单质形式存在C．陶瓷、玻璃、水晶灯都属于硅酸盐产品D．硅在电子工业中是最重要的半导体材料3．下列说法正确的是A．CO2和SiO2都能跟水反应生成相应的酸B．CO2和SiO2都不能与任何酸反应C．CO2和SiO2都能与NaOH溶液反应D．石英的主要成分都是SiO2，SiO2可作制太阳能电池的材料4．硅是组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，氮化硅的化学式为B．碳化硅的硬度大，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D．氮化硅、氧化铝、碳化硅和二氧化锆都可作为制高温结构陶瓷的材料5．下列说法正确的是A．陶瓷是一种常见硅酸盐材料，可以用陶瓷坩埚熔融纯碱B．在自然界以游离态存在C．溶液可与反应D．属于酸性氧化物，不与任何酸反应6．关于二氧化硅，下列叙述不正确的是A．水晶的主要成分是二氧化硅B．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别C．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸D．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应7．在无机非金属材料中，硅一直扮演着重要的角色。下列说法正确的是A．碳化硅(俗称石英砂)可用作变压器铁芯B．SiO2属于两性氧化物，可以与HF反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2OC．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．高温下，能发生SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑，可以证明H2SiO3的酸性大于碳酸8．“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是A．玻璃的主要成分为Na2CO3、CaCO3和SiO2B．生产陶瓷、玻璃、水泥都用到黏土C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐9．下列关于硅及其化合物的叙述正确的是A．自然界中存在大量的单质硅B．硅单质可用于制造硅太阳能电池C．二氧化硅在电子工业中是重要的半导体材料D．二氧化硅与氢氟酸和氢氧化钠均能反应，属于两性氧化物10．单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为：①SiO2+2CSi+2CO↑②Si+3HClSiHCl3+H2③SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl下列对上述三个反应的叙述中，正确的是A．仅①③为置换反应B．②为化合反应C．①②③均为氧化还原反应D．三个反应的反应物中硅元素均被还原11．即将“5G”网络的普及将会大大提升信息传递的速度，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动，信息产业的核心材料是高纯度的硅。制备硅单质时，主要化学反应如下：①SiO2(石英砂)+2C(焦炭)Si(粗硅)+2CO↑；②Si(粗硅)+2Cl2SiCl4；③SiCl4+2H2Si(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．《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜，近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)。下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是A．易溶解于强酸和强碱 B．性质稳定，不易脱色C．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2 D．x等于6二、填空题14．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。（1）计算机芯片和太阳能电池的主要成分是，光导纤维的主要成分是。（填化学式）（2）工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，发生反应的化学方程式为。（3）玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，用氧化物形式表示为。（4）高纯度单晶硅可以按下列方法制备：SiO2Si（粗）SiHCl3Si（纯）写出步骤①的化学方程式：。步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量的SiCl4（沸点57.6℃），提纯SiHCl3主要操作的名称是。步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，还可能使产品中混有杂质。15．高纯二氧化硅可用来制造光纤。某蛇纹石的成分见下表：组分SiO2MgONa2OK2OFe2O3质量分数/%59.2038.800.250.500.8通过下图流程可由蛇